MyoD介导肌肉特异性基因染色质重塑激活与成肌分化控制

摘要：骨骼肌纤维的数目由出生前肌源细胞的成肌分化进程所决定，直接影响家畜的生长潜能和肉质。MyoD依赖的肌肉特异性基因的染色质重塑激活是控制成肌分化的重要方式，其作用模式已有一些报道。PI3K/Akt和p38信号也参与了这一过程的调控。对这一研究进展进行了综述。

关键词：成肌分化;MyoD;染色质重塑;肌纤维数目

中图分类号：Q952 文献标识码：B 文章编号：0439-8114（2014）20-4780-03

DOI：10.14088/ki.issn0439-8114.2014.20.002

MyoD-mediated Chromatin Remodeling Activation of Muscle Specific Gene and Myogeneis Regulation

XIONG Qi， LI Xiao-feng， SUO Xiao-jun， ZHANG Nian， LIU Yang， CHEN Ming-xin

（Institute of Animal and Veterinary Science/ Hubei Key Laboratory of Animal Embryo Engineering and Molecular Breeding， Hubei Academy of Agriculture Sciences，Wuhan 430064，China）

Abstract： In domestic animals， a change in the number of fibers that form during myogenesis can have a profound effect on the total muscle mass of theanimal， long-term growth potential and meat quality of the animal. The MyoD-mediated chromatin remodeling activation of muscle-specific gene is an important way to control myogenesis. The action models were reported. The PI3K/Akt and p38 signaling pathway involved in the regulation were reviewed.

Key words： myogenesis;MyoD;chromatin remodeling;muscle fiber number

骨骼肌纤维是骨骼肌的主要组成部分，肌纤维的数目和大小直接影响家畜的胴体性状。肌纤维的肥大主要发生在出生之后，而肌纤维数目则早在出生前就已定型，受骨骼肌源细胞的成肌分化所控制[1]。成肌转录因子（MRF）家族成员中最重要的成肌决定因子MyoD，不但介导成肌分化的定向，还控制着成肌细胞的融合与肌纤维的形成。其在成肌分化中的重要作用主要是通过控制特定时段基因的有序转录。现已有大量关于MyoD与多种转录因子、乙酰转移酶及染色质修饰复合物介导下肌肉特异性基因染色质重塑的报道，及其调控该过程的细胞信号转导通路。为人们认识成肌分化的控制因素及肌纤维数目的遗传差异提供了参考。

1 成肌分化控制与肌纤维数目

家畜的肌纤维数目不仅影响骨骼肌的生长潜能和耐受性，还与肉质密切相关。肌纤维的形成大致分为两个成肌阶段：①肌源干细胞增殖后，分化融合形成初级肌纤维;②继发增殖的肌源细胞以初级肌纤维为支架，融合形成更小更多的次级肌纤维[2]。组织切片及基因表达研究表明，绵羊肌纤维的形成在胚胎期的第85天[3];牛初级肌纤维的形成在妊娠的第47天前，次级肌纤维的形成约在胚胎期的第90天[4];猪初级肌纤维和次级肌纤维的形成分别在胚胎的第30～60天及第54～90天[5]。不同物种的肌纤维数目及同一物种的不同品种间肌纤维数目存在差异的原因是，初级纤维和次级纤维的形成过程均受肌源细胞的增殖和分化控制，而多种因素都会影响这些过程。如生肌抑制素Myostatin基因突变后，肌源细胞的增殖和成肌分化不受控制[6]，引起初级纤维和次级纤维形成的加速，最终导致肌纤维总数增加[2]。以生长快速著称的瘦肉型皮特兰猪与杜洛克猪的比较研究发现，皮特兰猪初级纤维形成期时成肌分化程度较低，次级纤维形成期时成肌分化程度较高，但最终肌纤维数目多于杜洛克猪，因此具备了出生后肌肉肥大的潜能[7]。以上的研究结果表明，肌纤维数目的多少与成肌分化的控制因素直接有关。

2 MyoD依赖的肌肉特异性基因的染色质重塑激活是控制成肌分化的重要方式

肌肉细胞定向分化为终末肌管的过程中，基因组部分区域的染色质需要进行组蛋白修饰及结构重塑，以维持新的基因表达模式。这种表达模式既需要抑制无关基因的表达，也需要选择性并有序地激活肌肉特异性基因的表达。如肌肉特异性基因调控区的染色质结构在未分化的增殖肌源细胞中呈抑制状态，在分化的肌细胞中呈开放状态[8，9]。而增殖相关基因调控区域的染色质结构在未分化的增殖肌源细胞中呈开放状态，在分化的肌细胞中呈抑制状态[10]。Strahl等[11]发现组蛋白的不同修饰状态影响染色质结构及染色质开放程度。

MyoD家族基因属于碱性螺旋一环一螺旋（bHLH）转录因子，是肌肉特异性基因表达的主要调控因子。高通量的CHIP测序研究表明在成肌分化过程中，MyoD可与基因组的约25 000个位点结合，但是其中只有1 953个基因表达改变[12]。说明仅有MyoD的结合不足以激活基因的表达，还需要其他因子的参与。组蛋白乙酰基转移酶（Histone acetyltransferases，HATs），去乙酰化酶（histone deacetylases，HDACs）和染色质重塑复合物（SWItch/Sucrose NonFermentable，SWI/SNF）等染色质修饰因子协同MyoD调控肌肉特异位点的机制已被广泛报道[9，13，14]。HDACs通过抑制MyoD的活性，阻止其在未分化的细胞中激活靶基因。而HATs则与募集的SWI/SNF共同正调控MyoD，激活肌肉特异性基因的表达，促进肌肉发育。在未分化肌源细胞中，组蛋白H3的乙酰化位点K9、K14受去乙酰化酶Sir2（一种Ⅲ类HDAC）复合物的抑制（图1a），K27位点被YY1Ezh2HDAC1复合物中的甲基转移酶Ezh2所甲基化（图1c），肌肉特异性基因转录受抑;分化开始后，[NAD+]/[NADH]比例的下降使Sir2失活， MyoD从Sir2介导的阻抑中释放出来，被PCAF乙酰化，组蛋白H3的K9、K14位点被乙酰化（图1b），YY1-Ezh2-HDAC1抑制复合物也被MyoD、HATs及SWI/SNF等激活复合物所取代，使组蛋白H3的K27位点去甲基化（图1d），肌肉特异性基因转录激活。

以上描述的是MyoD介导肌肉特异性基因转录激活的一般模式，MyoD介导激活肌肉特异基因表达的形式是可变的。例如，在晚期阶段基因的转录激活是由MyoD产生的前馈机制所介导，即MyoD作用于晚期基因（如Des、Myl1、Mylpf、Myh3等）的转录需要先激活早期基因MEF2D的表达[15]。另有研究报道晚期基因的染色质结构重塑还需要转录因子Myogenin的结合[16]。在一些肌肉特异基因的启动子区，核小体可能会阻碍MyoD与E-box的结合，MyoD可能需要其他因子的辅助才能结合上去，如Pbx在MyoD对Myogenin的转录激活中就扮演这样的角色[13]。因此MyoD作用于肌肉特异性基因的染色质重塑是个复杂的有序的过程。一个模型不完全适用于所有肌肉特异基因的转录激活。

3 MyoD依赖的肌肉特异位点的染色质重塑受PI3K/Akt和p38信号共同调控

PI3K-Akt和p38信号通路被认为是两条平行的级联通路，在肌肉特异位点的染色质重塑过程中交汇，共同介导MyoD依赖的肌肉特异性基因的转录。

3.1 PI3K/AKT信号

胰岛素样生长因子（IGFs）轴被认为在肌肉细胞的分化和生长过程中具有重要正向调控作用，IGFs在次级纤维的形成过程中分子表达量增加，它的作用是刺激成肌细胞增殖，维持肌纤维的分化。IGF2在成肌分化过程中自分泌，结合于IGF1受体上，激活PI3K/AKT信号，调控肌肉特异基因的表达[17]。其重要机制是级联激活的AKT1和AKT2通过磷酸化乙酰转移酶p300的C端区域，促进MyoD与乙酰转移酶（p300、PCAF）形成复合体，对肌肉特异性基因的染色质进行乙酰化修饰;加入PI3K信号通路抑制剂会阻碍乙酰转移酶P300和PCAF募集到肌肉特异基因的启动子/增强子区，导致肌肉特异位点染色质组蛋白乙酰化受阻，甲基转移酶Ezh2则富集于染色质上甲基化组蛋白H3的K27位点，让肌卫星细胞处于静息状态[18]。

3.2 p38信号

p38激酶是调节成肌分化的主要信号蛋白。MKK6和MKK3是p38激酶应答分化信号的激活剂。它们的添加有助于p38激活，使成肌细胞提前分化[19]。p38信号可参与调节成肌分化过程中的细胞周期，外源表达MKK6EE激活的p38信号能使骨骼和心脏成肌细胞退出细胞周期[20]。P38信号与其他细胞信号的交叉对话也决定了p38信号通路在成肌分化的重要作用：p38信号通过抑制JNK信号通路的活性负调控细胞增殖[21]。p38激酶还通过磷酸化MEF2、促进MyoD/E47异源二聚体的形成及募集染色质修饰复合物SWI/SNF到肌肉特异位点，对染色质进行重塑，激活肌肉特异性基因的转录。抑制p38信号则肌肉特异位点染色质得不到重塑，细胞也处于增殖状态而不分化。而重建P38信号时，这种表型又立即转化为激活状态，即染色质得到重塑，肌肉特异性基因的表达得以促进。另外，P38还是MyoD靶向分化晚期阶段基因表达的限速激酶。这些基因包括肌肉结构基因和收缩蛋白等。Penn等[15]证明p38促进MyoD与MEF2结合在分化晚期阶段基因的启动子区以募集RNA聚合酶-II（Pol II），当P38活性达到一定程度时，MyoD和MEF2D才能结合于分化晚期基因的启动子。而MEF2D和有活性的p38提前出现时，分化晚期基因也能提前表达。

4 展望

MyoD介导的肌肉特异性基因染色质重塑激活是控制骨骼肌细胞成肌分化的关键机制。有意思的是，MyoD不仅介导正调控成肌分化相关因子的表达（Myogenin、MCK、MEF2、IGF2等），还介导负调控成肌分化相关因子的表达[22，23]。因此，MyoD除正向诱导成肌分化外，还存在负调控机制，这也是构建MyoD调控网络所需要进一步研究的方向。更多调控肌肉特异基因染色质重塑的信号通路、MyoD的反馈抑制环路以及MyoD介导染色质重塑的其他模式等都值得深入探讨。只有弄清控制肌肉分化进程的关键机理，才能进一步揭示家畜重要经济性状――肌纤维数量的遗传差异。

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