杭成文 崔鳴

(北京大學(xué)第三醫(yī)院心內(nèi)科，北京 100191)

肌原纖維是肌肉細(xì)胞的基本收縮單位，而肌節(jié)是橫紋肌(心肌和骨骼肌)肌原纖維的基本結(jié)構(gòu)單位。它是由位于兩端的Z盤(pán)和正中央的M帶將細(xì)肌絲(肌動(dòng)蛋白、肌鈣蛋白和原肌球蛋白)和粗肌絲(肌球蛋白)有序地排列在一起所形成的明暗相間的橫紋結(jié)構(gòu)，并通過(guò)粗細(xì)肌絲之間的相互滑行來(lái)實(shí)現(xiàn)肌肉收縮。其中M帶是由反向平行排列的肌球蛋白桿狀部交疊形成，而相鄰的肌球蛋白桿狀部則通過(guò)肌間蛋白(Myomesin)相互交聯(lián)，形成M線。目前在脊椎動(dòng)物發(fā)現(xiàn)的Myomesin基因家族有MYOM1、MYOM2和MYOM3三個(gè)成員，分別編碼Myomesin/Myomesin-1、Myomesin-2/M-protein和Myomesin-3蛋白[1]。其中Myomesin-1幾乎在所有橫紋肌都表達(dá)，而其他兩個(gè)蛋白則會(huì)因?yàn)榘l(fā)育階段、肌肉種類不同而差異表達(dá)。Myomesin家族作為M帶主要的結(jié)構(gòu)連接器，參與肌原纖維的組裝，它的異常往往與肌營(yíng)養(yǎng)不良、肥厚型心肌病(hypertrophic cardiomyopathy，HCM)和擴(kuò)張型心肌病(dilated cardiomyopathy，DCM)等疾病密切相關(guān)，并且在相關(guān)疾病的臨床患者或動(dòng)物模型中都能檢測(cè)到Myomesin基因家族表達(dá)的異常。

1 Myomesin基因家族結(jié)構(gòu)及表達(dá)

MYOM1基因由Grove等[1]發(fā)現(xiàn)，位于人18號(hào)染色體短臂(18p11.31)，由38個(gè)外顯子和37個(gè)內(nèi)含子組成，編碼相對(duì)分子質(zhì)量約為1.85×105的肌間蛋白1(Myomesin/Myomesin-1/Skelemin)。EH-Myomesin是該基因最為重要的一個(gè)變異剪接體，它是在MYOM1基因的第17號(hào)和第18號(hào)外顯子之間額外增加一個(gè)“外顯子17a”，由其編碼一段具有彈性的EH片段，插入到Myomesin-1的中央形成EH-Myomesin[2]。1974年發(fā)現(xiàn)了MYOM2基因[3]，位于人8號(hào)染色體短臂(8p23.3)，編碼相對(duì)分子質(zhì)量約為1.65×105的肌間蛋白2(Myomesin-2/M-protein)。Myomesin-1與Myomesin-2共享50%的序列同一性，二者存在高度的相似性和同源性。MYOM3基因位于人1號(hào)染色體短臂(1p36.11)，編碼相對(duì)分子質(zhì)量約為1.6×105的Myomesin-3[4]。該基因家族編碼的三個(gè)蛋白在結(jié)構(gòu)上高度相似，都是由1個(gè)獨(dú)特的N端(NH2)，緊隨其后的2個(gè)Ig樣、5個(gè)Fn樣以及另外5個(gè)Ig樣結(jié)構(gòu)域組成，但三者在肌肉組織中的表達(dá)存在著明顯差異[5](見(jiàn)表1)。Myomesin-1幾乎在所有橫紋肌細(xì)胞中都表達(dá)，但在胚胎期以其變異剪接體EH-Myomesin占優(yōu)勢(shì)。Myomesin-2只在成熟的心肌細(xì)胞及快肌纖維(ⅡB)中表達(dá)，Myomesin-3在人成熟心肌和骨骼肌細(xì)胞中都表達(dá)，但是其在鼠的心臟中不表達(dá)，只在快肌纖維(ⅡA)中表達(dá)。

表1 Myomesin家族在鼠和人類不同橫紋肌中的表達(dá)

2 Myomesin基因生物學(xué)功能

2.1 MYOM1的生物學(xué)功能

2.1.1 肌原纖維組裝

Myomesin-1是把肌球蛋白(myosin)、肌聯(lián)蛋白(titin)、obscurin家族蛋白(obscurin、obscurin-like-1)靶向至M帶的交聯(lián)劑。Myomesin-1的NH2末端錨定在myosin上，而C端的第13號(hào)(My13)結(jié)構(gòu)域相互間進(jìn)行二聚體化，形成反向平行的二聚體[6-7]。同時(shí)位于第四號(hào)(My4)和第五號(hào)(My5)結(jié)構(gòu)域之間的連接子會(huì)整合到titin、obscurin或obscurin-like-1上[8]，形成穩(wěn)定的蛋白復(fù)合物。obscurin家族作為橋梁可以將肌節(jié)M線與肌質(zhì)網(wǎng)進(jìn)行連接，參與調(diào)控肌質(zhì)網(wǎng)Ca2+釋放，影響肌肉收縮過(guò)程中的鈣穩(wěn)態(tài)。使用siRNA抑制乳鼠心肌細(xì)胞MYOM1的表達(dá)，導(dǎo)致obscurin定位紊亂，M帶形成失敗，最終引起肌原纖維解體[9]。據(jù)此可以推測(cè)Myomesin-1之于M帶的作用非常類似于α-actinin之于Z盤(pán)，它們?cè)诩≡w維的組裝和維護(hù)中都是至關(guān)重要的，但進(jìn)一步的功能研究仍有待于基因敲除模型的建立。

2.1.2 分子彈簧

Schoenauer等[10]提出Myomesin是一種類似于titin的分子彈簧，其彈性成分主要是來(lái)自相互串聯(lián)的Fn/Ig結(jié)構(gòu)域或變異剪接的EH片段。肌肉在松弛狀態(tài)下，Myomesin-1二聚體處于壓縮狀態(tài)，而當(dāng)肌肉收縮時(shí)，M線處肌球蛋白發(fā)生微小錯(cuò)位，觸發(fā)Fn/Ig結(jié)構(gòu)域或EH片段的延伸。之后的研究也證明當(dāng)Myomesin-1受到低分子力拉伸時(shí)，會(huì)可逆地伸展為其原始長(zhǎng)度的2.5倍[11]。以上研究說(shuō)明緊密折疊的Fn/Ig結(jié)構(gòu)域可以作為“減震器”，保護(hù)M帶免受外力的震蕩損傷。

2.1.3 其他

研究表明新生幼犬的心肌細(xì)胞核中也存在MYOM1表達(dá)，并且導(dǎo)致其他基因的差異表達(dá)[12]，之后在新生大鼠心室肌細(xì)胞核中也檢測(cè)到MYOM1的表達(dá)[13]。研究顯示轉(zhuǎn)錄因子肌細(xì)胞增強(qiáng)因子2C能結(jié)合Myomesin-1，直接調(diào)控其轉(zhuǎn)錄翻譯[14]，以上研究提示作為胞質(zhì)結(jié)構(gòu)蛋白的Myomesin-1，在心臟發(fā)育過(guò)程中可能還具有潛在轉(zhuǎn)錄因子的功能。尤其近年來(lái)越來(lái)越多的胞質(zhì)結(jié)構(gòu)基因被發(fā)現(xiàn)可以進(jìn)入胞核行使轉(zhuǎn)錄因子的功能，因此這一發(fā)現(xiàn)值得進(jìn)一步的研究。Kravchenko等[15]發(fā)現(xiàn)，從受損肌肉中釋放的Myomesin-1、titin或其片段可以刺激胰島素樣生長(zhǎng)因子1的表達(dá)，促進(jìn)成肌細(xì)胞增殖并抑制細(xì)胞凋亡，啟動(dòng)肌肉修復(fù)過(guò)程，而這一過(guò)程與鈣/鈣調(diào)蛋白依賴的蛋白激酶和腺苷酸環(huán)化酶-環(huán)磷腺苷-蛋白激酶A通路密切相關(guān)[16]，說(shuō)明Myomesin-1很可能是肌肉損傷修復(fù)通路上的重要環(huán)節(jié)。由此可見(jiàn)，Myomesin-1除了最經(jīng)典的參與肌節(jié)組裝和肌肉舒縮的功能外，尚有很多未被發(fā)現(xiàn)或深入研究的潛在功能。

2.2 MYOM2的生物學(xué)功能

Myomeisn-2同樣可以劑量依賴性地結(jié)合myosin和titin，但其與myosin的結(jié)合位點(diǎn)在2～3或9～13號(hào)結(jié)構(gòu)域[17]，而且目前尚未發(fā)現(xiàn)Myomesin-2與obscurin家族存在結(jié)合位點(diǎn)。此外，Myomesin-2的C端(My13)結(jié)構(gòu)域不能二聚體化[5]，這一點(diǎn)有別于其他兩個(gè)家族成員。目前研究認(rèn)為MYOM2在肌原纖維形成時(shí)沒(méi)有像MYOM1那樣必不可少，但在肌肉需要承受更大應(yīng)力時(shí)，Myomesin-2的表達(dá)有助于維持肌節(jié)的穩(wěn)定性[9，18]。另有研究發(fā)現(xiàn)不成熟的人胚胎干細(xì)胞或誘導(dǎo)多潛能干細(xì)胞來(lái)源的心肌細(xì)胞，在電鏡下無(wú)明顯的M帶，且Myomesin-2表達(dá)量極低，而隨著心肌細(xì)胞的逐漸成熟，M帶出現(xiàn)并伴隨著Myomesin-2表達(dá)的明顯升高[19]，說(shuō)明Myomesin-2可能是體外培養(yǎng)的心肌細(xì)胞成熟度的評(píng)價(jià)指標(biāo)，但目前尚無(wú)更多關(guān)于MYOM2基因敲低或敲除的研究來(lái)闡釋其生物學(xué)功能。

2.3 MYOM3的生物學(xué)功能

Myomesin-3作為家族成員之一，是三者中研究相對(duì)較少的，它也可以與myosin和titin結(jié)合，協(xié)助Myoemsin-1將myosin和titin蛋白進(jìn)行有序定位，同時(shí)它還能將細(xì)胞骨架的中間絲連接到M帶。研究表明在斑馬魚(yú)胚胎中特異性敲低Myomesin-3，對(duì)肌原纖維M帶、Z盤(pán)等結(jié)構(gòu)無(wú)明顯影響，提示Myomesin-3對(duì)肌節(jié)組裝是非必須的[20]。但該模型只在基礎(chǔ)狀態(tài)下進(jìn)行結(jié)構(gòu)檢測(cè)，未進(jìn)行功能學(xué)研究或應(yīng)激干預(yù)，還需要進(jìn)一步深入研究。

3 Myomesin基因家族與疾病關(guān)聯(lián)

3.1 Myomesin基因家族與肌營(yíng)養(yǎng)不良

在肌肉疾病中，轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白組學(xué)分析表明MYOM1及其剪接體表達(dá)的改變是機(jī)體對(duì)外界壓力的反應(yīng)[21]。Koebis等[22]對(duì)強(qiáng)直性肌營(yíng)養(yǎng)不良1型的患者進(jìn)行全外顯子微陣列分析，發(fā)現(xiàn)患者骨骼肌中存在EH-Myomesin的選擇性剪切與表達(dá)上調(diào)，而這將會(huì)進(jìn)一步損害受損肌肉承受壓力和產(chǎn)生力量的能力。當(dāng)在小鼠胚胎期全身敲除titin與Myomeisn-1結(jié)合部位的基因，小鼠在胚胎期就會(huì)死亡，而在心臟中的特異性敲除會(huì)導(dǎo)致肌原纖維的紊亂解體，心肌收縮力下降，進(jìn)而出現(xiàn)心臟萎縮表型[23]，雖然小鼠可以存活，但在40 d左右也會(huì)全部死亡。Flix等[24]發(fā)現(xiàn)進(jìn)行性肌營(yíng)養(yǎng)不良癥的關(guān)鍵蛋白dysferlin能與Myomesin-2直接相互作用，參與維持肌膜的完整性，提示Myomesin-2參與肌營(yíng)養(yǎng)不良疾病發(fā)生的可能性。Hathout等[25]檢測(cè)兩種肌營(yíng)養(yǎng)不良蛋白缺陷小鼠血清中的生物學(xué)標(biāo)志物，發(fā)現(xiàn)血清中Myomesin-3水平異常升高。隨后的研究也證實(shí)肢帶型肌營(yíng)養(yǎng)不良2D型動(dòng)物及患者血清中同樣可以檢測(cè)出高水平的Myomesin-3片段，并且隨著疾病好轉(zhuǎn)而恢復(fù)到正常水平[26]。由此可見(jiàn)，Myomesin基因家族參與肌營(yíng)養(yǎng)不良疾病的發(fā)生發(fā)展，并可能成為該病檢測(cè)、評(píng)估和監(jiān)測(cè)治療效果的潛在標(biāo)志物。

3.2 Myomesin基因家族與DCM

Schoenauer等[27]對(duì)DCM小鼠和臨床患者的研究發(fā)現(xiàn)，EH-Myomesin在DCM疾病早期就開(kāi)始上調(diào)，其表達(dá)水平與心室擴(kuò)張程度成正相關(guān)，與心室射血功能成負(fù)相關(guān)，進(jìn)而提出EH-Myomesin是DCM的生物標(biāo)志物。Rbm20是DCM最常見(jiàn)的致病基因之一，研究者在攜帶Rbm20基因突變患者的誘導(dǎo)多潛能干細(xì)胞分化而來(lái)的心肌細(xì)胞中同樣檢測(cè)到EH-Myomesin的異常表達(dá)[28]。然而也有研究顯示在圍產(chǎn)期DCM的患者中并未檢測(cè)到EH-Myomesin的表達(dá)異常[29]，因而對(duì)其生物標(biāo)志物的準(zhǔn)確性仍然存在爭(zhēng)議，同時(shí)也并不清楚EH-Myomesin在DCM疾病中發(fā)揮的是正性或是負(fù)性作用。不過(guò)目前比較明確的一點(diǎn)是，當(dāng)胚胎型EH-Myomesin出現(xiàn)在成年肌肉細(xì)胞時(shí)，往往意味著肌肉疾病的發(fā)生。Shakeel等[30]對(duì)數(shù)例DCM患者進(jìn)行全外顯子測(cè)序，發(fā)現(xiàn)其中2例患者存在MYOM3基因的截短突變(rs143187236)或錯(cuò)義突變(rs149105212)，并且雜合突變患者因單倍體劑量不足，導(dǎo)致蛋白表達(dá)水平降低，進(jìn)而造成左心室功能不全，提示MYOM3是DCM的候選基因。此外，他們還發(fā)現(xiàn)其中截短突變的等位基因頻率在南亞人群中很高，可用于DCM患者的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和精確治療。

3.3 Myomesin基因家族與HCM

Siegert等[31]在家族遺傳性HCM家系中篩查到MYOM1基因的錯(cuò)義突變V1490I，該突變位于12號(hào)結(jié)構(gòu)域(My12)，導(dǎo)致Myomesin-1蛋白13號(hào)(My13)結(jié)構(gòu)域的二聚體化親和力和熱穩(wěn)定性下降。雖然具體致病機(jī)制不明，但很可能是因?yàn)橥蛔兊腗yomesin-1影響M線上相鄰肌球蛋白的交聯(lián)，從而導(dǎo)致HCM的發(fā)生。其后，研究表明在新生大鼠心肌細(xì)胞中，肌纖維形成調(diào)節(jié)因子1可以通過(guò)調(diào)控Myomesin-1的類泛素化修飾，導(dǎo)致肌節(jié)組織過(guò)度組裝，進(jìn)而誘導(dǎo)心肌肥厚[13]。由此可見(jiàn)肌節(jié)組裝的異常不僅是HCM的重要病理表現(xiàn)，更可能是HCM發(fā)生的始動(dòng)因素。

4 總結(jié)與展望

Myomesin家族成員是橫紋肌肌原纖維M線的主要成分，將myosin、titin和obscurin蛋白交聯(lián)在一起，共同參與肌原纖維的組裝和機(jī)械力量傳導(dǎo)，但是其參與肌節(jié)組裝的過(guò)程和傳導(dǎo)機(jī)械力量的方式都不明確。該家族三個(gè)成員都是由13個(gè)結(jié)構(gòu)域組成，但它們?cè)诒磉_(dá)模式上存在很大差異，提示其生物學(xué)功能上的潛在差異，仍需進(jìn)一步的研究來(lái)證明這種差異并且闡明造成差異的原因。此外研究表明Myomesin家族與DCM、HCM和肌營(yíng)養(yǎng)不良等多種肌肉疾病相關(guān)聯(lián)，但尚無(wú)病因?qū)W和病理學(xué)的研究。相比于近年來(lái)研究火熱的M帶處另一個(gè)彈性蛋白titin，該家族的研究在很大程度上被忽視，甚至迄今為止無(wú)任何關(guān)于該基因家族的敲除研究。綜上，Myomesin基因家族在生物體內(nèi)發(fā)揮著不可忽視的作用，具有很大的研究?jī)r(jià)值，應(yīng)該引起研究者的重新重視。相信隨著基因編輯、重編程和下一代測(cè)序技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)將會(huì)在該基因家族中識(shí)別出更多突變位點(diǎn)，開(kāi)發(fā)出多種敲除、突變或過(guò)表達(dá)模型，用于生物學(xué)功能和基因型-表型關(guān)聯(lián)的研究。