王平 漆正堂 丁樹哲
1 杭州師范大學(xué)體育與健康學(xué)院(杭州311121)2 華東師范大學(xué)體育與健康學(xué)院
國內(nèi)外學(xué)者普遍認(rèn)為,長期反復(fù)抗阻運(yùn)動能夠?qū)е鹿趋兰》蚀?。成體骨骼肌肥大的特性是肌纖維直徑增加、體積增加,使骨骼肌收縮能力增強(qiáng),導(dǎo)致骨骼肌質(zhì)量增加,而不是肌纖維數(shù)量的增多[1]。骨骼肌質(zhì)量在維持運(yùn)動、呼吸和新陳代謝等功能獨(dú)立性方面具有舉足輕重的作用,因此,研究抗阻運(yùn)動與骨骼肌肥大之間潛在的分子機(jī)制是非常重要的。已有研究顯示,整個機(jī)體功能的最大赤字出現(xiàn)在低到中等范圍的肌肉力量輸出。骨骼肌質(zhì)量的丟失具有閾值,如果超過此閾值,將會導(dǎo)致肌肉萎縮,肌肉功能獨(dú)立性衰退甚至喪失,故骨骼肌質(zhì)量發(fā)生微小變化可能對于骨骼肌功能的改變起著決定性作用[2]。因此,研究調(diào)控骨骼肌肥大機(jī)制對于長期傷殘患者預(yù)防骨骼肌發(fā)生萎縮至關(guān)重要,同時為治療與骨骼肌萎縮相關(guān)的其他疾病提供有效途徑。
早期階段關(guān)于骨骼肌肥大方面研究發(fā)現(xiàn),骨骼肌總蛋白含量明顯增加,蛋白質(zhì)合成率也明顯增加,但是總RNA含量并沒有改變。隨后在Carson的研究中發(fā)現(xiàn),總RNA含量發(fā)生明顯增加,只不過發(fā)生的時間明顯滯后,提示骨骼肌肥大機(jī)制中調(diào)控蛋白質(zhì)合成是至關(guān)重要的[3]。由于骨骼肌質(zhì)量變化是持續(xù)的,故我們可以這樣理解,基因翻譯促進(jìn)了RNA含量的增加。
但最近Kawai等[4]的研究發(fā)現(xiàn),抗阻運(yùn)動性骨骼肌肥大過程中肌衛(wèi)星細(xì)胞起著關(guān)鍵作用,提示其機(jī)制之一與肌衛(wèi)星細(xì)胞的激活密切相關(guān)。
肌衛(wèi)星細(xì)胞是在出生后的骨骼肌中發(fā)現(xiàn)的,在成體骨骼肌中,肌衛(wèi)星細(xì)胞基本處于安靜狀態(tài),屬于肌源性干細(xì)胞[5]。最初,衛(wèi)星細(xì)胞是通過電子顯微鏡觀察鑒別出來的,其呈獨(dú)特的衛(wèi)星形狀,以楔形位于相鄰成熟肌纖維基底層和肌漿之間[6]。已有研究顯示,在成人肌肉中,衛(wèi)星細(xì)胞絕大多數(shù)時間處于新陳代謝休眠期或靜止?fàn)顟B(tài),但是當(dāng)肌肉受到抗阻運(yùn)動刺激后,靜息的衛(wèi)星細(xì)胞被激活,從延長的G1態(tài)(經(jīng)常被稱為G0)進(jìn)入細(xì)胞周期,進(jìn)行DNA復(fù)制、增殖、分化,與周圍的肌纖維發(fā)生融合或形成新的肌纖維[7]。通過這個過程,許多肌細(xì)胞核聚集在肌纖維中,為蛋白質(zhì)合成的增加提供原料,為骨骼肌肥大核再生提供生物學(xué)基礎(chǔ)。因此,衛(wèi)星細(xì)胞的激活(即衛(wèi)星細(xì)胞從休止?fàn)顟B(tài)進(jìn)入G1期和隨后DNA復(fù)制)是肌肉生成的第一步,也是關(guān)鍵的一步,同時為肌肉增長和再生提供了非常重要的依據(jù)[8]。已有研究表明,抗阻運(yùn)動激活衛(wèi)星細(xì)胞,隨后衛(wèi)星細(xì)胞發(fā)生如細(xì)胞膨脹、細(xì)胞數(shù)量增加、細(xì)胞核明顯增加等形態(tài)學(xué)改變,最終導(dǎo)致骨骼肌肥大[9]。那么抗阻運(yùn)動是如何激活衛(wèi)星細(xì)胞的呢?已有研究顯示,衛(wèi)星細(xì)胞激活過程中受到諸多肌細(xì)胞生成基因的調(diào)控,其中Smyd1基因起著核心作用[10]。故通過研究衛(wèi)星細(xì)胞激活如何被調(diào)控,將有助于設(shè)計出更好的促進(jìn)骨骼肌肥大和發(fā)育及康復(fù)的方案,對于提高運(yùn)動骨骼肌機(jī)能和促進(jìn)肌萎縮的輔助治療等方面具有重要的作用。
骨骼肌肥大過程是一個嚴(yán)格程序化過程,目前研究表明,衛(wèi)星細(xì)胞的激活提供新的肌細(xì)胞核,是肌纖維肥大的第一步,也是關(guān)鍵的一步。其具體過程是衛(wèi)星細(xì)胞激活、增殖,變?yōu)槌杉〖?xì)胞后分化成為肌細(xì)胞,然后融合成多核肌管,最后形成與肌肉收縮密切相關(guān)的成熟的多核肌纖維[11]。在上述過程中,衛(wèi)星細(xì)胞除了提供新的肌細(xì)胞核外,還強(qiáng)化肌肉特異性基因的表達(dá)。
Smyd1(也稱肌肉特異性BOP基因)是近年來發(fā)現(xiàn)只在骨骼肌和心肌細(xì)胞特異表達(dá)的蛋白,它包括MYND和SET結(jié)構(gòu)域。其中SET結(jié)構(gòu)域高度保守,約含130個氨基酸,具有組蛋白賴氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶的活性。同其它甲基轉(zhuǎn)移酶相比較,含有保守的SET結(jié)構(gòu)域的組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶具有一個獨(dú)特的折疊結(jié)構(gòu),一系列連續(xù)的β折疊插入3個非連續(xù)的片層中,環(huán)繞圍成一個類似于繩結(jié)的三級結(jié)構(gòu)[12]。如此與眾不同的結(jié)構(gòu)是SET結(jié)構(gòu)域C末端片段插入蛋白末端序列向前延伸圍成的環(huán)狀結(jié)構(gòu)形成的,C末端片狀和環(huán)狀結(jié)構(gòu)包含了SET結(jié)構(gòu)域中最保守的兩個基序,分別是ELXF/YDY和NHS/CXXPN(X代表任意氨基酸)[12]。哺乳動物組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶的SET結(jié)構(gòu)域主要由核心 SET結(jié)構(gòu)域,pre-SET和 post-SET結(jié)構(gòu)域組成,核心SET結(jié)構(gòu)域的側(cè)面與 pre-SET和post-SET結(jié)構(gòu)域相連接,pre-SET結(jié)構(gòu)的主要作用是維持整個蛋白結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,post-SET結(jié)構(gòu)則提供一個芳香基團(tuán)形成疏水通道,參與構(gòu)成部分酶活化位點(diǎn)[13]。另外,SET結(jié)構(gòu)域還含有一個稱為iSET的插入結(jié)構(gòu),特異性識別甲基轉(zhuǎn)移酶的底物和輔助因子[14],其主要功能是調(diào)節(jié)基因活性,但具體機(jī)制尚不清楚。另外,MYND結(jié)構(gòu)域也高度保守,帶有鋅指結(jié)構(gòu),含有 7個高度保守的半胱氨酸殘基,唯一的組氨酸殘基穿插于其中,此結(jié)構(gòu)與DNA粘合在一起,與組蛋白脫乙酰酶發(fā)生作用。這兩個功能結(jié)構(gòu)域在肌細(xì)胞激活、分化、成熟的調(diào)控中起著關(guān)鍵性作用,同時與組蛋白甲基化修飾密切相關(guān)[15]。已有研究在敲除小鼠Smyd1基因后發(fā)現(xiàn),小鼠心肌的成熟和右心室的形成受到影響,突變小鼠死于胚胎期10.5天[16]。有研究利用Morpholino反義寡核苷酸技術(shù)特異性下調(diào)斑馬魚Smyd1蛋白,結(jié)果發(fā)現(xiàn)胚胎肌纖維發(fā)育不成熟,肌肉收縮障礙[17]。體外分子生物學(xué)實驗證明Smyd1基因具有甲基轉(zhuǎn)移酶活性,催化的H3-K4甲基化,激活靶基因的表達(dá)[18]。
科學(xué)家于2001年宣布完成了人類基因組框架圖后,即注意到一個有趣的事實,人類基因為什么不是原來預(yù)計的8萬到10萬個,而是3萬個左右?而于2004年完成的人類基因組常染色質(zhì)區(qū)測序進(jìn)一步表明,人類的基因只有2—2.5萬個左右[19]。人類基因組計劃首席科學(xué)家Collins認(rèn)為,人類基因數(shù)比預(yù)計的要少得多,說明高等生物在使用基因上的簡約性。與過去一個基因編碼一種蛋白的假設(shè)相比,現(xiàn)在是每個基因負(fù)責(zé)制造三種蛋白質(zhì),高等生物不單純靠增加新基因來獲取新功能,還可以通過重新編碼擴(kuò)充已有的可靠資源達(dá)到創(chuàng)新的目的。選擇性剪接的存在正是人類節(jié)約使用基因的最好例證[20]。已知可增加蛋白質(zhì)種類和數(shù)量的方式有DNA重組、RNA編輯和選擇性剪接等,而Pre-mRNA的選擇性剪接是產(chǎn)生如此眾多蛋白質(zhì)的主要機(jī)制[20]。實際上,mRNA的選擇性剪接發(fā)生的頻率很高。根據(jù)深層次的測序研究,目前估計,人類基因有90%以上都經(jīng)歷了選擇性剪接[21]。其中70%~88%的選擇性剪接產(chǎn)生了不同的蛋白質(zhì)產(chǎn)物,大多數(shù)都涉及功能的改變,如通過蛋白質(zhì)的氨基端或羧基端,或者增刪了某個功能域而使其功能發(fā)生改變。
選擇性剪接是高等真核細(xì)胞在轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控基因表達(dá)以及產(chǎn)生蛋白質(zhì)組多樣性的重要機(jī)制。傳統(tǒng)意義上認(rèn)為,選擇性剪接主要受剪接增強(qiáng)子和沉默子的調(diào)控[22],它們屬于比較保守的RNA序列,大約10 nt的長度,可位于外顯子也可位于內(nèi)含子上,與剪接調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合從而調(diào)控選擇性剪接[23]。而最近研究表明,組蛋白修飾與選擇性剪接有密切關(guān)系。例如,加入組蛋白脫乙?;敢种苿㏕SA后,可引起纖維結(jié)合蛋白的外顯子33被切除,還有神經(jīng)細(xì)胞粘附分子的外顯子18也可被切除[24]。 Andrea 等[25]的研究也發(fā)現(xiàn),使用組蛋白脫乙酰基酶抑制劑 TSA或 DNA甲基化酶抑制劑 5-5azadC-dC都可以誘導(dǎo)Shc基因的選擇性剪接產(chǎn)物 p66在平時不表達(dá)的組織中出現(xiàn)。這些研究說明組蛋白修飾在不同基因的選擇性剪接中起著重要作用。
Tan等[26]研究通過使用不同的引物(RT-PCR分析)證實Smyd1基因存在選擇性剪接,其選擇性剪接產(chǎn)物是Smyd1a和Smyd1b(Smyd1-△Exon5)。 Smyd1a為編碼486個氨基酸殘基的蛋白質(zhì),而Smyd1b(Smyd1-△Exon5)為編碼473個氨基酸殘基的蛋白質(zhì),Smyd1a包含一個額外的13個氨基酸插入序列,插入位置在215-227,這13個氨基酸的插入是由Smyd1a的第5外顯子編碼的,它們的區(qū)別是Smyd1b缺乏第5外顯子(Smyd1-△Exon5),可能影響其生物學(xué)作用。Smyd1a和Smyd1b(Smyd1-△Exon5)是Smyd1家族高度保守的成員,它們都包括SET結(jié)構(gòu)域和MYND結(jié)構(gòu)域。Smyd1基因發(fā)生選擇性剪接產(chǎn)物分別為Smyd1a和Smyd1b(Smyd1-△Exon5)。 Tan等通過RT-PCR分析證實,Smyd1a和Smyd1b(Smyd1-△Exon5)在時間和空間上的表達(dá)方式完全不同,Smyd1a轉(zhuǎn)錄發(fā)生于骨骼肌發(fā)育過程中第6個小時,而Smyd1b(Smyd1-△Exon5)的轉(zhuǎn)錄晚于前者5小時才出現(xiàn),提示通過選擇性剪接產(chǎn)生的Smyd1a和Smyd1b(Smyd1-△Exon5)表達(dá)具有時序性。他們?yōu)榱诉M(jìn)一步證實Smyd1a和Smyd1b(Smyd1-△Exon5)在骨骼肌發(fā)育中的作用,分別進(jìn)行了將Smyd1a和Smyd1b(Smyd1-△Exon5)基因同時敲除,和只將Smyd1a敲除的實驗,結(jié)果發(fā)現(xiàn),如果將二者均敲除,發(fā)育肌肉具有形態(tài)學(xué)特征,但不能游泳,進(jìn)行刺激時也沒有任何反應(yīng);如果只敲除Smyd1a基因,對肌肉發(fā)育沒有任何影響,動物能進(jìn)行游泳,也能進(jìn)行正常收縮活動。免疫組化研究結(jié)果顯示,肌原纖維排列正常,提示Smyd1a和Smyd1b(Smyd1-△Exon5)也許有更多的生物學(xué)功能,Smyd1b(Smyd1-△Exon5)對于肌肉發(fā)育起著重要作用。Smyd1基因的選擇性剪接體Smyd1a和Smyd1b(Smyd1-△Exon5)在人類、嚙齒類動物和斑馬魚等動物的心肌和骨骼肌組織中特異性表達(dá)且含量豐富,這與已經(jīng)證實了的Smyd1在心肌組織和骨骼肌組織中發(fā)揮重要作用是相對應(yīng)的[27]。此外,在嚙齒類和斑馬魚的肌肉組織中Smyd1a和Smyd1b(Smyd1-△Exon5)的表達(dá)與人的高度一致,這說明了Smyd1基因在進(jìn)化上的保守[28]。通過實驗發(fā)現(xiàn),該基因受到血清反應(yīng)因子(SRF)和成肌素(myogenin)的直接調(diào)控,在C2C12細(xì)胞培養(yǎng)中,SRF和myogenin的過度表達(dá)明顯增加了Smyd1基因的表達(dá),如果將SRF基因敲除后發(fā)現(xiàn),Smyd1mRNA表達(dá)明顯減少[29]。但是關(guān)于Smyd1a和Smyd1b(Smyd1-△Exon5)表達(dá)調(diào)控和生物學(xué)作用的區(qū)別是什么,還需進(jìn)一步研究。Smyd1基因在抗阻運(yùn)動性骨骼肌肥大過程中是否發(fā)生了剪接,剪接性產(chǎn)物是否是Smyd1a和Smyd1b(Smyd1-△Exon5),且其分別起著怎樣的作用,仍需探索。
DNA和組蛋白H2A、H2B、H(3、H4、H1)以及一些其他蛋白質(zhì)組合在一起,反復(fù)折疊纏繞,形成濃集的染色體。而組蛋白修飾可影響組蛋白與DNA的親和性而改變?nèi)旧|(zhì)的狀態(tài),影響轉(zhuǎn)錄因子和DNA序列的結(jié)合,對基因表達(dá)進(jìn)行調(diào)控[30]。組蛋白修飾包括組蛋白磷酸化、乙酰化、甲基化、泛素化、SUMO化、ADP-核糖基化[31]。他們通常發(fā)生在組蛋白氨基末端,影響基因轉(zhuǎn)錄、翻譯和細(xì)胞調(diào)控。組蛋白氨基末端修飾的方式和數(shù)量不同可產(chǎn)生不同的表觀遺傳學(xué)信息。在這些組蛋白修飾中,研究較早和較詳細(xì)的是組蛋白乙?;?,近年來對組蛋白甲基化修飾的研究也進(jìn)展迅速。組蛋白甲基化修飾比乙?;揎棌?fù)雜得多。一般來說,組蛋白乙?;揎検菚簳r的,能選擇性地使某些染色質(zhì)區(qū)域的結(jié)構(gòu)從緊密變得松散,為某些基因的轉(zhuǎn)錄提供前提,增強(qiáng)其表達(dá)水平;而組蛋白甲基化修飾比較穩(wěn)固,特別是三甲基化修飾,他被認(rèn)為影響長期表觀遺傳學(xué)記憶。在所有組蛋白甲基化修飾中,某些可抑制基因表達(dá),而某些可增強(qiáng)基因表達(dá),乙?;揎椇图谆揎椡窍嗷ヒ种频模?1]。組蛋白甲基化是指發(fā)生在H3和H4組蛋白N端精氨酸或賴氨酸殘基上的甲基化,由組蛋白甲基化轉(zhuǎn)移酶催化[32]。
甲基化發(fā)生在組蛋白的精氨酸和賴氨酸殘基上,目前發(fā)現(xiàn)24個組蛋白甲基化位點(diǎn),其中7個位于精氨酸,17個位于賴氨酸。目前,數(shù)十種組蛋白賴氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶(histone lysine methyltransferase,HLMT)已被證實。其中Smyd1及其它的選擇性剪接體均為組蛋白賴氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶。其作用位點(diǎn)可能是組蛋白H3-K4和H3-K36位賴氨酸發(fā)生甲基化,從而激活基因的轉(zhuǎn)錄,其中H3-K4的甲基化必須是在H2B的123位賴氨酸泛素化狀態(tài)下進(jìn)行,H2B-K123在泛素化狀態(tài)時可以募集H3-K4甲基轉(zhuǎn)移酶Set1,Set1進(jìn)而募集PAF1(RNA polymeraseⅡassociated factor 1,RNA聚合酶Ⅱ相關(guān)因子1)延長復(fù)合物,當(dāng)RNA聚合酶ⅡC端呈現(xiàn)磷酸化狀態(tài)時,就可與延長復(fù)合物作用開啟基因轉(zhuǎn)錄[32]。研究還發(fā)現(xiàn),Ubp8作為SAGA復(fù)合體中的一個成員,發(fā)揮去泛素化作用,使得H3K4甲基化后呈現(xiàn)去泛素化狀態(tài),這樣可以募集H3-K36甲基轉(zhuǎn)移酶Set2,當(dāng)H3-K36甲基化與RNA聚合酶Ⅱ的C端結(jié)構(gòu)域中的第2位絲氨酸磷酸化同時發(fā)生時即可激活轉(zhuǎn)錄。
從Smyd1對組蛋白修飾的調(diào)控來看,Smyd1及其2種選擇性剪接異構(gòu)體均為組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶,它們均與組蛋白上的H3和H4位點(diǎn)結(jié)合,調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄激活, 而它們與組蛋白H3-K4、H3-K36、H3-K79、H3-K7、H3-K27、H3-K20等位點(diǎn)結(jié)合時會發(fā)生基因沉默,從而抑制基因表達(dá),反過來,組蛋白修飾對于基因選擇性剪接具有反饋?zhàn)饔?。它的反饋?zhàn)C據(jù)是通過研究人成纖維細(xì)胞生長因子受體2(FGFR)基因得到的[33]。
骨骼肌在抗阻運(yùn)動作用下發(fā)生肥大,由于肌纖維響應(yīng)應(yīng)力刺激,肌細(xì)胞賴以生存的基質(zhì)發(fā)生改變,應(yīng)變會引起選擇性剪接。迄今為止,已經(jīng)報道的由應(yīng)變引起的選擇性剪接的基因有胰島素樣生長因子1基因和VEGF基因[34]。 但關(guān)于Smyd1基因在應(yīng)力作用下發(fā)生剪接的報道很少。已有的研究發(fā)現(xiàn),在拉伸的應(yīng)力作用下,Smyd1基因發(fā)生了選擇性剪接,產(chǎn)生2種重要的剪接體,分別是Smyd1a和Smyd1b(Smyd1-△Exon5),這2種剪接體涉及到信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的調(diào)控[35]。因此推測,在正常轉(zhuǎn)錄條件下,組蛋白甲基化修飾即組蛋白H3K9乙酰化程度,H3K36甲基化水平,H3K9、H3K27甲基化水平等的變化,決定著 RNA聚合酶Ⅱ延伸速率變化,可對不同的剪接位點(diǎn)進(jìn)行剪接,由此分別產(chǎn)生以Smyd1a或Smyd1b(Smyd1-△Exon5)為主的產(chǎn)物。簡言之,組蛋白修飾機(jī)制可能在Smyd1基因選擇性剪接中發(fā)揮重要作用。
同樣,運(yùn)動機(jī)械刺激可能通過組蛋白修飾機(jī)制影響Smyd1基因的選擇性剪接使Smyd1a或Smyd1b(Smyd1-△Exon5)的量產(chǎn)生變化。 而Smyd1a或Smyd1b(Smyd1-△Exon5)一方面是選擇性剪接的產(chǎn)物,同時還兼有組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶的作用,從而反過來影響Smyd1基因的組蛋白甲基化修飾,由此改變?nèi)旧w結(jié)構(gòu)及選擇性剪接格局,從而使RNA聚合酶Ⅱ延伸速率發(fā)生改變,對Smyd1基因選擇性剪接產(chǎn)生影響。由此可知,當(dāng)肌肉受到力學(xué)刺激時,Smyd1基因發(fā)生選擇性剪接,首先快速剪接表達(dá)Smyd1a,然后剪接轉(zhuǎn)換表達(dá)Smyd1b(Smyd1-△Exon5),通過轉(zhuǎn)換表達(dá),能夠使Smyd1a和Smyd1b(Smyd1-△Exon5)保持相當(dāng)長時間的生物學(xué)作用,它們均可激活衛(wèi)星細(xì)胞并促進(jìn)其增殖[26]。衛(wèi)星細(xì)胞一旦被激活,就會增殖、分化,然后與已存在的肌纖維融合,通過這樣的過程為肌纖維提供新的細(xì)胞核,并使各種基因的表達(dá)發(fā)生改變,實現(xiàn)肌纖維所需纖維蛋白含量的比率,使肌肉衛(wèi)星(干)細(xì)胞庫得到更新,對肌肉質(zhì)量和功能的持續(xù)維持和增加起到重要作用。
綜上所述,應(yīng)力運(yùn)動刺激能通過適度上調(diào)Smyd1基因選擇性剪接從而對骨骼肌生長和肥大發(fā)揮積極作用,并在預(yù)防與治療骨骼肌萎縮及其相關(guān)疾病方面具有重要作用。但目前關(guān)于抗阻運(yùn)動性骨骼肌肥大過程中,由于運(yùn)動刺激,Smyd1如何進(jìn)行組蛋白修飾,又如何指導(dǎo)基因轉(zhuǎn)錄的激活或抑制;反之,組蛋白修飾如何對基因的剪接位點(diǎn)進(jìn)行選擇,實現(xiàn)與骨骼肌肥大密切相關(guān)的肌纖維和肌衛(wèi)星細(xì)胞的發(fā)生,從而穩(wěn)定骨骼肌在抗阻運(yùn)動下發(fā)生適應(yīng)性肥大,增強(qiáng)其收縮功能,維持骨骼肌質(zhì)量等方面的問題還需要進(jìn)一步研究。這些問題的解決將有助于更加充分的認(rèn)知抗阻運(yùn)動刺激下骨骼肌發(fā)生肥大的分子機(jī)制,并為今后抗阻運(yùn)動預(yù)防和減輕各種骨骼肌萎縮相關(guān)疾病提供理論依據(jù)。
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