趙拴平,賈玉堂,徐 磊,阮永明

(安徽省農業(yè)科學院畜牧獸醫(yī)研究所，安徽 合肥 230031)

肉牛骨骼肌生長發(fā)育分子遺傳調控研究進展

趙拴平,賈玉堂*,徐 磊,阮永明

(安徽省農業(yè)科學院畜牧獸醫(yī)研究所，安徽 合肥 230031)

骨骼肌發(fā)育是肉牛生長發(fā)育的重要組成部分，直接與肉牛的產(chǎn)肉力等經(jīng)濟性狀密切相關。本文總結了肉牛骨骼肌發(fā)育過程中的發(fā)揮重要作用的基因、miRNA以及表觀修飾作用，對影響肉牛肌肉發(fā)育的關鍵因子進行了系統(tǒng)的分析，為牛肉質性狀的分子改良提供新的思路。

牛；骨骼?。蝗赓|性狀

骨骼肌是動物軀體最重要的組成部分，占到產(chǎn)肉動物軀體的40%，直接與動物的產(chǎn)肉力密切相關。牛骨骼肌的發(fā)育包括出生前肌纖維數(shù)量的增加和出生后肌纖維體積的增大，即肌細胞的形成和增殖、肌管和肌纖維的形成以及成熟四個步驟。牛胚胎期大量肌纖維的形成主要發(fā)生在2-8月齡[1]，出生后肌纖維數(shù)量停止增加，肌肉發(fā)育主要表現(xiàn)為肌纖維體積增大[2]。在骨骼肌的生成過程中，許多調節(jié)因子包括細胞信號分子、轉錄因子、miRNAs 等以復雜多變的方式進行組合，形成復雜的網(wǎng)絡結構，在肌肉發(fā)育過程中發(fā)揮重要作用。

1 基因對肉牛骨骼肌生長發(fā)育的分子遺傳調控

1.1 Pax基因家族

Pax基因普遍存在于各種生物中，參與胚胎發(fā)生過程中各種細胞的發(fā)育和分化[3]。其中，調控肌肉發(fā)育的Pax基因主要包括Pax3與Pax7，Pax3是肌肉發(fā)育的上游調控基因，是早期肌肉發(fā)育所必需的基因[4]，Pax7基因參與脊椎動物的早期胚胎發(fā)育和后期肌肉生長、再生和修復過程，表達過量會使肌細胞延緩分化而過度增殖，表達過低會使肌細胞過早分化而影響正常的生命進程[5-7]。研究發(fā)現(xiàn)，Pax7基因通過Wnt信號通路調控肌細胞決定因子(Myod)和肌細胞生成因子5(Myf5)而調控肌肉的形成，其外顯子3的突變與中國黃牛的體重和日增重顯著相關[8]。通過分析西門塔爾牛在胎兒(100 天)、12 月齡、24月齡、36月齡的腿肌組織，發(fā)現(xiàn)Pax3 和 Pax7 基因在胎兒期的表達量均顯著地高于其他時期(P<0.05)[9]，進一步驗證了Pax基因參與牛骨骼肌生長發(fā)育。

1.2 MRFs基因

肌調節(jié)因子MRFs(Myf-5、MyoD、myogenin和Mrf4基因)在哺乳動物早期骨骼肌發(fā)育過程中發(fā)揮重要作用。MyoD基因在成肌相關基因轉錄調控中發(fā)揮總開關的功能，可促進成纖維細胞、平滑肌細胞等向骨骼肌細胞進行分化，在細胞周期G0期不表達，在G1期和S、M期高表達，可以通過誘導細胞周期蛋白酶抑制因子p21和細胞周期蛋白D3而終止細胞周期；Myf5基因在肌肉的形成過程中與肌纖維的數(shù)目和大小有密切關系，能夠誘導多個成肌信號途徑的發(fā)生，在G0期高表達，是肌原細胞定向分化的必需因子[10]；Myogenin和Mrf4在成肌細胞終端分化過程中發(fā)揮重要作用，MyoG可調控成肌細胞融合的起始，促進成肌細胞增殖，使單核的成肌細胞變?yōu)槎嗪说募±w維。Mrf4在脊椎動物胚胎發(fā)育骨骼肌發(fā)生過程中可以與靶基因啟動子和增強子結合，促進肌特異基因的表達而激發(fā)生肌作用[11]。在牛肌衛(wèi)星細胞培養(yǎng)實驗中，Myf5首先表達,之后MyoD和MyoG幾乎同時表達,最后當肌管成熟時Myf6 表達。通過分析魯西牛、晉南牛、秦川牛和夏洛萊×魯西牛、安格斯×魯西牛、利木贊×魯西牛、西門塔爾×魯西牛雜交牛群體 MyoD基因的多態(tài)性，發(fā)現(xiàn)MyoD 基因第二內含子SNP多態(tài)性與肉牛的體高、胴體長、宰前活重、凈肉重、胴體重、眼肌面積、高檔肉重、腰部肉厚和大腿肉厚極顯著或顯著相關[12]。通過分析7個牛品種MRFs 家族4個基因的多態(tài)性，發(fā)現(xiàn)MyoD基因g.1274A >G突變和Myf5基因的g.1911A >G突變均與活重和胴體重顯著相關,而MyoG中的g.1111C>G突變僅與活重顯著相關[13]。Myf5基因g.723G>T突變與荷斯坦×黑白花雜交牛背部瘦肉重及脂肪重相關[14]。

1.3 Myostatin基因

MSTN(Myostatin)基因，名為肌肉生長抑制素、生長分化因子8(GDF-8)，是TGF-β超家族成員之一，最初于1997年美國約翰霍普金斯大學醫(yī)學院發(fā)現(xiàn)[15]。MSTN基因作為肌肉特異性的生長抑制因子，是肌肉發(fā)育的關鍵基因，參與調控骨骼肌的生長發(fā)育。研究發(fā)現(xiàn)，過表達MSTN基因后，成肌細胞分化過程中G0/G1期的細胞數(shù)量減少，多核肌管的形成受到抑制[16-17]。在牛肌肉發(fā)育過程中， MSTN基因的變異導致比利時藍牛和皮埃蒙特牛的雙肌表型[18]，比利時藍牛雙肌牛外顯子3發(fā)生移碼突變，使得缺失后的第14個密碼子無法正常翻譯，進而使翻譯的蛋白不能發(fā)揮其正常的生物學功能。皮埃蒙特雙肌牛MSTN基因外顯子3發(fā)生突變位點，導致半胱氨酸突變?yōu)槔野彼?，外顯子1發(fā)生突變造成亮氨酸突變?yōu)楸奖彼?。MSTN基因的突變造成雙肌牛比普通牛肌肉增加 20 %～25 %，進而引起牛胴體重、屠宰重、眼肌面積等相關性狀的顯著增加，但功能缺失性突變后的個體抵抗力、個體脂肪含量、肌內脂肪含量和大理石花紋等級顯著低于正常牛[19]。

2 miRNAs對肉牛骨骼肌生長發(fā)育的調控

MicroRNAs (miRNAs，微小RNA)是一類進化保守的大小為18～25 bp的非編碼小分子RNA，廣泛存在于多細胞動物中，可以通過與靶基因mRNA的3′-UTR (非編碼區(qū))結合導致mRNA降解，或阻斷mRNA翻譯而調節(jié)基因表達。在哺乳動物多個組織器官的發(fā)育過程中，一個miRNA通常調節(jié)多個靶基因的表達，一個基因同時受多個miRNAs調控，從而形成復雜的反饋調節(jié)網(wǎng)絡。人、小鼠等體外細胞模型研究發(fā)現(xiàn)，miRNAs在哺乳動物肌肉發(fā)育過程中發(fā)揮重要調控作用[20-21]。

MiRNAs作為一類重要的調節(jié)因子，在牛生長發(fā)育過程中發(fā)揮著重要的作用。Bta-miR-1/-206通過下調靶基因Pax7和HDAC4，使肌分化因子MyoD/MyoG和轉錄因子MEF2基因的表達量升高(Pax7基因能夠抑制MyoD/MyoG基因的表達，HDAC4基因能夠抑制MEF2基因的表達)，進而促進牛骨骼肌衛(wèi)星細胞的分化[22]。MiR-1家族成員 (bta-miR-1/-206)和miR-let-7家族成員(bta-let-7f/-7a-5p/-7b/-7c)在秦川牛胎牛(妊娠90天和200天)和出生后5日齡、12月齡和48月齡的秦川牛骨骼肌中高表達，bta-mir-10020通過調控ANGPT1(血管生成素1，angiopoietin 1)基因促進牛骨骼肌發(fā)育進程[23-24]。Bta-miR-378/-143/-133a/-30d在日本黑?？炻〖∪饨M織中高表達，提示其可能在牛肌肉發(fā)育中發(fā)揮重要作用[25]。皮埃蒙特牛是具有雙肌肉表型的意大利牛種，miR-27b通過下調MSTN基因的表達參與皮埃蒙特牛雙肌表型的調控機制[26]。

3 表觀遺傳對肉牛骨骼肌生長發(fā)育的調控

表觀遺傳是指DNA序列不發(fā)生變化，但基因表達卻發(fā)生可遺傳改變的現(xiàn)象，其根本原因是由環(huán)境因素引起的生物細胞內遺傳物質的變化結果，主要包括DNA甲基化、組蛋白修 飾、非編碼RNA作用等。DNA 高度甲基化會影響DNA結構，進而阻遏基因轉錄，引起基因沉默。在生物體內，DNA甲基化具有重要的生理意義，正常的甲基化對于維持細胞的生長及代謝如維持染色質結構、細胞分化和胚胎發(fā)育等是必需的。異常的DNA甲基化則會引發(fā)基因結構變異進而導致疾病的發(fā)生。組蛋白修飾是表觀遺傳修飾的重要方式，通過甲基化、乙?；?、磷酸化等修飾，一些蛋白失去活性，一些蛋白獲得活性，一些蛋白改變功能。研究證明組蛋白修飾是由組蛋白去甲基化酶、組蛋白脫乙?；?、組蛋白磷酸酶和組蛋白去泛素化酶催化反應形成，是一個動態(tài)可逆的過程。

目前，關于肉牛骨骼肌生長發(fā)育表觀遺傳研究相對較少。Huang等[27]利用MeDIP-Seq技術分析了秦川牛不同發(fā)育時期(胎兒和成年)肌肉組織基因組DNA 甲基化圖譜，結果發(fā)現(xiàn)，DNA甲基化修飾程度和其對應的基因的表達水平呈負相關。IGF2基因作為一種調控因子，在肌肉生長發(fā)育和肌細胞的增殖分化中發(fā)揮重要作用，研究發(fā)現(xiàn)，秦川牛成年牛肌肉組織中IGF2基因DNA甲基化水平顯著高于胎牛肌肉組織[28]。 肌球蛋白輕鏈(MyLC2)的磷酸化影響牛屠宰后背最長肌的硬度[29]。

4 小結

骨骼肌發(fā)育是肉牛生長發(fā)育的重要組成部分，直接與肉牛的產(chǎn)肉力等經(jīng)濟性狀密切相關。目前，肉牛骨骼肌發(fā)育研究主要以肌細胞為載體，研究細胞增殖分化過程中各種轉錄因子、小RNA以及表觀修飾等作用，盡管大量的基因、miRNAs在肉牛骨骼肌發(fā)育中的作用得到鑒定，但其具體的調控機制仍需進一步探究。探究并闡明各種調節(jié)因子在肉牛骨骼肌發(fā)育中的調控機理將為肉質性狀的分子改良提供新的思路。

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Research Progress on Molecular Genetic regulation of Skeletal Muscle Growth and Development in Beef Cattle

ZHAO Shuan-ping,JIA Yu-tang,XU Lei,RUAN Yong-ming

(InstituteofAnimalHusbandryandVeterinaryResearch,AnhuiAcademyofAgriculturalSciences,Hefei, 230031,China)

Muscle development is an important part of bovine growth performance; it is closely related to the economic traits such as meat productivity. This article comprehensively reviewed the genes, miRNAs and epigenetic modification, which play important roles in bovine skeletal muscle growth and development. In the meantime, the key factors were analyzed systematically, to provide new ideas for improving beef quality traits.

beef cattle; skeletal muscle; meat quality trait

2016-06-20

2016-06-28

國家肉牛牦牛產(chǎn)業(yè)技術體系——合肥綜合試驗站(CARS-38)，安徽省科技攻關項目(1501031089)。

趙拴平(1984-)，女，山西長治人，博士，助理研究員，主要從事肉牛分子育種工作。

S823

A

1001-9111(2016)06-0057-04

*通訊作者：賈玉堂(1962- )，男，副研究員，主要從事草食動物遺傳育種工作。