邢敬亞 芒 來 劉桂芹 張心壯*

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)學(xué)院，內(nèi)蒙古自治區(qū)馬屬動(dòng)物遺傳育種與繁殖學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)馬屬動(dòng)物研究中心，呼和浩特010018；2.聊城大學(xué)農(nóng)學(xué)院，山東黑毛驢高效繁育與生態(tài)工程技術(shù)研究中心，山東毛驢產(chǎn)業(yè)科技協(xié)同創(chuàng)新中心，聊城252059)

在電子顯微鏡下觀察到成年的骨骼肌纖維外圍附著圓形的單核細(xì)胞，這些細(xì)胞就是骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞(skeletal muscle satellite cells，SCs)，它們與肌纖維質(zhì)膜有密切聯(lián)系。骨骼肌再生是由骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞增殖分化開始的，它是一群附著在肌肉組織中的成體干細(xì)胞，對(duì)骨骼肌的生長(zhǎng)、內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定和損傷后修復(fù)非常重要。在新生兒或者幼年階段，肌纖維的數(shù)量保持不變，但是每個(gè)肌纖維可以通過骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞的融合而變大，在正常情況下，成年的哺乳動(dòng)物骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞處于靜止?fàn)顟B(tài)[1]，受到刺激或誘導(dǎo)時(shí)被激活，進(jìn)行增殖、分化并與原有的骨骼肌細(xì)胞融合，形成新的肌纖維[2-3]。大量的研究表明，肌肉再生過程中骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞的增殖和分化受多種因素的影響，包括營(yíng)養(yǎng)素、表觀遺傳調(diào)控及信號(hào)通路介導(dǎo)的生肌調(diào)控因子的影響[4-8]。研究發(fā)現(xiàn)，添加多酚化合物也可以使腺苷酸活化的蛋白激酶(AMP activated protein kinase，AMPK)信號(hào)通路激活受阻，導(dǎo)致泛素-蛋白酶解途徑受阻，下調(diào)下游叉頭框轉(zhuǎn)錄因子(Forkhead box O，F(xiàn)oxo)的磷酸化水平，進(jìn)而抑制成肌細(xì)胞的分化和線粒體生物合成[9]。Irazoqui等[10]通過體外成肌細(xì)胞(C2C12)試驗(yàn)證明，補(bǔ)充維生素D3能夠介導(dǎo)絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)信號(hào)通路參與調(diào)節(jié)細(xì)胞周期進(jìn)程，促進(jìn)成肌細(xì)胞的增殖。研究還發(fā)現(xiàn)氨基酸添加水平可以通過激活信號(hào)通路進(jìn)而促進(jìn)骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞的分化[11-12]。以上研究均說明了營(yíng)養(yǎng)素參與了骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞的生命過程。骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞必須經(jīng)過多種細(xì)胞命運(yùn)的轉(zhuǎn)化才能達(dá)到完全分化狀態(tài)，以完成肌纖維的修復(fù)。這些中間細(xì)胞的命運(yùn)均共享同一個(gè)基因組，但是每種細(xì)胞的命運(yùn)需要基因組中特異基因的表達(dá)決定，而表觀遺傳學(xué)在不改變DNA序列的基礎(chǔ)上，在功能水平調(diào)控基因表達(dá)，增加基因調(diào)控的復(fù)雜性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)不同細(xì)胞特征和功能的可遺傳變異，主要包括組蛋白修飾、長(zhǎng)非編碼RNA、DNA甲基化以及轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合等[13-14]。組蛋白在調(diào)控骨骼肌再生和修復(fù)過程中經(jīng)歷了各種各樣的翻譯后修飾，包括乙酰化、泛素化、二磷酸腺苷(adenosine diphosphate，ADP)核糖化和甲基化，組蛋白修飾和轉(zhuǎn)錄之間的關(guān)系揭示了表觀遺傳是如何調(diào)控基因表達(dá)的。

每個(gè)細(xì)胞內(nèi)的DNA都是獨(dú)一無二的，大多數(shù)沒有表達(dá)的基因均存在于細(xì)胞質(zhì)中，而多數(shù)轉(zhuǎn)錄的基因聚集在細(xì)胞核內(nèi)，細(xì)胞間這種獨(dú)特的核組織結(jié)構(gòu)是建立在特異基因表達(dá)的基礎(chǔ)上。DNA與核小體的結(jié)合成就了染色質(zhì)的流動(dòng)狀態(tài)，核小體移位允許未標(biāo)記的組蛋白摻入其中，組蛋白修飾改變了核小體的化學(xué)性質(zhì)和穩(wěn)定性，這種更新機(jī)制對(duì)調(diào)節(jié)細(xì)胞命運(yùn)和分化的過程至關(guān)重要。本文章概述了骨骼肌再生過程中肌衛(wèi)星細(xì)胞命運(yùn)轉(zhuǎn)變的發(fā)生機(jī)理，并結(jié)合前人的研究對(duì)組蛋白修飾調(diào)控骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞靜息、激活以及增殖分化過程的最新研究?jī)?nèi)容進(jìn)行綜述，為進(jìn)一步研究骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞命運(yùn)調(diào)控機(jī)制、促進(jìn)哺乳動(dòng)物骨骼肌發(fā)育及損傷修復(fù)提供參考依據(jù)。

1 骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞調(diào)節(jié)骨骼肌的再生

骨骼肌是哺乳動(dòng)物機(jī)體的重要組成部分，約占體重的40%[15]。骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞在正常情況下處于靜息狀態(tài)，當(dāng)受到刺激后如受傷或患病誘導(dǎo)骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞激活，其開始進(jìn)行增殖分化并促進(jìn)新纖維的形成，排列成肌肉組織[16]，骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞這種自我更新的狀態(tài)說明其具有干細(xì)胞的特性，并且參與肌肉的發(fā)育和再生[17]。

Pax基因家族(Pax3和Pax7)是成肌過程中的2個(gè)上游轉(zhuǎn)錄因子，可以通過調(diào)節(jié)下游一系列的肌源調(diào)控因子(MRFs)，如生肌決定因子(myogenic determination gene，Myod)、生肌調(diào)節(jié)因子5(myofactor 5，Myf5)、生肌調(diào)節(jié)因子4(myofactor 4，Myf4)和肌細(xì)胞生成素(myogenin，Myog)[5,18]的表達(dá)決定肌衛(wèi)星細(xì)胞命運(yùn)[19]。Pax3主要在胚胎的肌肉發(fā)育過程中發(fā)揮作用，僅在膈肌等肌肉組織細(xì)胞中高表達(dá)，在其他肌肉中表達(dá)水平較低；而Pax7則在個(gè)體出生后的肌肉發(fā)育中起作用，在成年個(gè)體肌衛(wèi)星細(xì)胞中高度表達(dá)[5]。Pax3和Pax7通過表觀遺傳機(jī)制調(diào)節(jié)Myf5和Myod的表達(dá)，使Myf5和Myod在肌細(xì)胞中快速上調(diào)以激活骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞[20]，由此肌衛(wèi)星細(xì)胞開始分化為成肌細(xì)胞，融合為肌管，成熟為肌纖維。骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞在靜息狀態(tài)下Pax7和Foxo高度表達(dá)[21]，同時(shí)Myf5和Myod也被轉(zhuǎn)錄，但是轉(zhuǎn)錄后可抑制其翻譯[5,22]。肌肉受到損傷后，部分肌衛(wèi)星細(xì)胞開始進(jìn)行有絲分裂，細(xì)胞中Myf5和Myod開始表達(dá)，而Pax7表達(dá)開始減少，并且不再表達(dá)Foxo蛋白。隨著肌衛(wèi)星細(xì)胞的不斷分裂，Pax7和Myf5表達(dá)受到抑制，而Myog誘導(dǎo)肌衛(wèi)星細(xì)胞退出細(xì)胞周期，開始分化[5,23]。最后隨著多核肌纖維的形成，Myod表達(dá)逐漸下降，而Myf4和Myf6在肌纖維中開始高度表達(dá)[24-26]。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)肌肉在受損3 h之后就可以檢測(cè)到Myod和Myf5的表達(dá)，說明細(xì)胞激活后Myod和Myf5能夠快速有效地促進(jìn)成肌細(xì)胞的狀態(tài)轉(zhuǎn)換[27-28]。由此可見，MRFs在調(diào)控骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞命運(yùn)的過程中有重要的作用，但是MRFs需要與廣泛表達(dá)的E蛋白以及肌細(xì)胞增強(qiáng)家族的轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子合作，從而誘導(dǎo)肌肉特異性基因表達(dá)[29]。

2 組蛋白修飾調(diào)控骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞的靜息和激活

2.1 骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞的靜息和激活狀態(tài)

靜息狀態(tài)是指細(xì)胞在細(xì)胞周期的G0期進(jìn)入了可逆循環(huán)的驟停狀態(tài)。通過分離培養(yǎng)未受損傷的骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞研究染色質(zhì)和表觀遺傳調(diào)控在維持細(xì)胞靜息狀態(tài)的作用，以確定細(xì)胞保留了靜息狀態(tài)的特征。Machado等[30]采用原位固定技術(shù)將分離前細(xì)胞鎖定在靜息狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)在肌肉再生過程中，MRFs的表達(dá)具有明顯的順序性。肌肉損傷后，肌衛(wèi)星細(xì)胞被激活并退出靜息狀態(tài)，激活的肌衛(wèi)星細(xì)胞經(jīng)MRFs調(diào)節(jié)分化為成肌細(xì)胞，成肌細(xì)胞能夠相互融合為成肌管或肌纖維，以恢復(fù)受損的肌肉(圖1)[31-32]。研究發(fā)現(xiàn)，在骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞分離的短時(shí)間內(nèi)觀察到組蛋白H3上的表觀遺傳標(biāo)記發(fā)生了廣泛的變化，但是這段時(shí)間內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)DNA甲基化的差異[33-34]?；谶@些發(fā)現(xiàn)，我們推測(cè)使用原位固定技術(shù)分析收集的表觀遺傳信息并不能完全代表細(xì)胞的靜息狀態(tài)，而是一種處于靜息和激活之間的一種轉(zhuǎn)變，即早期激活[35-36]。

靜息狀態(tài)的維持需要抑制編碼細(xì)胞周期蛋白和促進(jìn)細(xì)胞周期退出的基因，在靜息期的肌衛(wèi)星細(xì)胞中，腫瘤抑制基因(P53)被證實(shí)了可以保持可逆的細(xì)胞周期停滯，而腫瘤抑制因子(ARF)可導(dǎo)致細(xì)胞周期停滯和衰老[35,37]。為了維持這種平衡狀態(tài)，不同途徑促進(jìn)了靜息期骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄網(wǎng)絡(luò)，特別是Foxo轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)，如Foxo1、Foxo3和Foxo4是維持衛(wèi)星細(xì)胞靜息所必需的[21]。Foxo3參與Notch通路的調(diào)控，使肌衛(wèi)星細(xì)胞在自我更新過程中恢復(fù)靜息狀態(tài)[38]，激活Notch信號(hào)通路會(huì)維持骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞的靜息和增殖狀態(tài)，抑制其分化，故激活的Notch信號(hào)通路導(dǎo)致癌基因(MDM2)表達(dá)減少，P53表達(dá)的積累可以維持細(xì)胞周期的停滯[37,39]。ARF則需要保持抑制狀態(tài)，以防止肌肉干細(xì)胞衰老[37]。

到目前為止，骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞維持靜息狀態(tài)的調(diào)節(jié)機(jī)制研究有限，體外細(xì)胞培養(yǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，多條信號(hào)通路參與了維持骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞的靜息狀態(tài)[40]。細(xì)胞在靜息狀態(tài)時(shí)，染色質(zhì)的高度聚合狀態(tài)導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄水平相對(duì)較低[41]，但是許多基因仍然表達(dá)，包括DNA轉(zhuǎn)錄但不編碼蛋白的MRFs，這說明了除了轉(zhuǎn)錄調(diào)控以外的其他機(jī)制也會(huì)調(diào)節(jié)細(xì)胞的命運(yùn)，包括Myf5和Myod1 mRNA的核保留情況。換句話說，Myf5和Myod1的表達(dá)需要最小化，這種最小化必須通過表觀遺傳遺傳機(jī)制調(diào)控。此外，有人推測(cè)，骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞長(zhǎng)時(shí)間的靜息和遺傳物質(zhì)的保真度是由表觀遺傳學(xué)決定的，盡管這一假說還未有明確的證據(jù)[34,42]。但事實(shí)上組蛋白H4第20位賴氨酸二甲基化標(biāo)記(H4K20me2)是染色質(zhì)高度緊密折疊和抑制Myod1表達(dá)所必需的[41,43]。

Pax7：Pax基因家族7 paired box gene 7；Foxo：叉頭框轉(zhuǎn)錄因子O亞家族 forkhead box O；Myf5：生肌調(diào)節(jié)因子5 myofactor 5；Myod1：生肌決定因子1 myogenic determination gene 1；Myog：肌細(xì)胞生成素 myogenin。

2.2 組蛋白修飾調(diào)控骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞的靜息和激活

Pax7和Foxo轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)是骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞靜息狀態(tài)的關(guān)鍵特征，但是它們?cè)陟o息狀態(tài)的表達(dá)是如何調(diào)控的尚不清楚。組蛋白修飾通過改變殘基上的修飾狀態(tài)進(jìn)而改變特異基因的表達(dá)水平，促使細(xì)胞發(fā)揮特異的功能。研究表明，維持骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞靜息狀態(tài)的生肌調(diào)控因子Pax7主要受H3K4me3組蛋白修飾標(biāo)記調(diào)控，在激活的衛(wèi)星細(xì)胞中，MRFs如Myog明顯抑制其組蛋白修飾[44]，同時(shí)Pax7分別受到組蛋白Polycomb(PcG)和Trithorax(TrxG)的拮抗作用，分別抑制或激活其表達(dá)。研究還發(fā)現(xiàn)，在其啟動(dòng)子添加H3K4me3組蛋白修飾標(biāo)記后，激活和增殖狀態(tài)下的骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞中未發(fā)現(xiàn)Pax7的表達(dá)，而靜息狀態(tài)下的衛(wèi)星細(xì)胞中Pax7表達(dá)沒有受到干擾[45]。細(xì)胞為了維持靜息狀態(tài)，需要表達(dá)特異性抑制因子阻止細(xì)胞周期的進(jìn)入。如上所述，細(xì)胞周期抑制劑的選擇是必不可少的，抑制因子的表達(dá)才能使細(xì)胞永久性的退出細(xì)胞周期。當(dāng)肌肉受到刺激時(shí)，多梳基因家族(PcG)-多梳抑制復(fù)合物(PRC)2的催化亞基(Ezh2)可誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄因子啟動(dòng)子上的組蛋白修飾，通過抑制組蛋白H3第27位賴氨酸上三甲基化(H3K27me3)修飾，下調(diào)Pax7基因表達(dá)[41]。通過染色質(zhì)免疫共沉淀測(cè)序(chromatin immunoprecipitation-sequencing，CHIP-Seq)結(jié)合轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析靜息和激活狀態(tài)下骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞表觀遺傳圖譜發(fā)現(xiàn)，MRFs如Myf5和Myod的轉(zhuǎn)錄啟動(dòng)子上存在大量的H3K27me3修飾標(biāo)記，并且允許細(xì)胞激活。同時(shí)，除了MRFs之外，Ezh2癌基因調(diào)控組蛋白賴氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶在靜息期的骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞中表達(dá)，確保成年動(dòng)物機(jī)體的肌衛(wèi)星細(xì)胞庫(kù)保持穩(wěn)態(tài)狀態(tài)[46]。但是特異性敲除Ezh2會(huì)導(dǎo)致骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞增殖能力下降，肌肉受損后骨骼肌再生以及肌衛(wèi)星細(xì)胞自我更新能力降低[18,46]。

3 組蛋白修飾調(diào)控骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞的增殖和分化

3.1 調(diào)節(jié)骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞的增殖

肌肉品質(zhì)取決于肌肉纖維的特性，纖維數(shù)量、類型以及橫截面積等形態(tài)特征是肌肉品質(zhì)的主要決定因素[47]。在幼年期，肌纖維增大主要依賴于骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞的增殖、分化和融合，細(xì)胞不斷增殖受細(xì)胞周期蛋白和轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子的共同作用。細(xì)胞周期蛋白需要維持在較高表達(dá)水平，且MRFs需要維持在較低水平，才能保證肌衛(wèi)星細(xì)胞的增殖狀態(tài)。Singh等[18]研究發(fā)現(xiàn)，Myod1的表達(dá)在骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞中起重要作用，它是細(xì)胞激活和增殖所必需的，Myod1在細(xì)胞增殖過程中抑制分化基因，同時(shí)也可在分化期激活促分化功能的基因。Myod1在增殖和分化的過程中看起來是矛盾的，但是它確實(shí)既可以抑制特定基因，又可以激活特定基因[48]。在增殖期，Myod1、肌細(xì)胞增強(qiáng)因子2D(MEF2D)和轉(zhuǎn)錄中介因子1(KAP1)共同作用于細(xì)胞的分化，穩(wěn)定2個(gè)共抑制酶(G9A、HDAC1)[49-50]和共激活酶(P300、LSD1)[51-52]之間的關(guān)聯(lián)，這種增強(qiáng)型復(fù)合體組裝在啟動(dòng)子上建立了一種穩(wěn)定的染色質(zhì)狀態(tài)，當(dāng)抑制酶占主導(dǎo)作用時(shí)即限制基因的表達(dá)。組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶(HMT)在Myod1啟動(dòng)子及其遠(yuǎn)端調(diào)控區(qū)(DRR)增加了組蛋白H3第27位賴氨酸上二甲基化(H3K27me2)標(biāo)記，其位點(diǎn)加入H3K27me2標(biāo)記后可以誘導(dǎo)早期激活的衛(wèi)星細(xì)胞形成異染色質(zhì)并降低Myod1的表達(dá)[40]。這一機(jī)制也是在靜息期抑制Myod1表達(dá)所必需的[42]。雖然調(diào)控H3K27me2標(biāo)記的酶尚不清楚，但是維持這一標(biāo)記的機(jī)制已經(jīng)被揭開。另一項(xiàng)研究揭示了p38 MAPK信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路受到刺激被激活后，在Myod1絲氨酸(Ser)199和200位點(diǎn)發(fā)生蛋白磷酸化，從而允許組蛋白H3K9甲基轉(zhuǎn)移酶(SUV39h1/KMT1a)結(jié)合到Myog，減少其在增殖過程中的表達(dá)。此外，與組蛋白去乙?；?HDAC)1/2相關(guān)的轉(zhuǎn)錄抑制因子鋅指轉(zhuǎn)錄因子(SNAI1)可與分化相關(guān)基因(E-box)結(jié)合，從而阻止Myod1與靶基因表達(dá)的結(jié)合[53]。這一機(jī)制揭示了SNAI1/HDAC1/2復(fù)合體通過阻斷Myod1啟動(dòng)分化而促進(jìn)細(xì)胞增殖的作用。研究還發(fā)現(xiàn)Deltex2結(jié)合蛋白通過導(dǎo)致組蛋白脫甲基酶(JMJD1C)泛素化并抑制其去甲基化酶的活性以維持Myod1啟動(dòng)子和DRR上H3K27me2標(biāo)記，進(jìn)而抑制細(xì)胞分化[54]。

維持衛(wèi)星細(xì)胞的增殖，僅抑制分化是不夠的，還必須維持與細(xì)胞周期進(jìn)程相關(guān)基因的表達(dá)。組蛋白脫乙?；鸵阴；瘜?duì)肌源性分化有重要的作用，尤其是在Myod靶基因上，可促進(jìn)分化進(jìn)程[5,55-56](圖2)。在原代小鼠成肌細(xì)胞中，E2F1/ p300/CBP相關(guān)因子(PCAF)復(fù)合物可以增強(qiáng)轉(zhuǎn)錄因子E2F1靶基因啟動(dòng)子上的PCAF占有率和組蛋白乙?；瘶?biāo)記，從而允許通過G1/S細(xì)胞周期檢查點(diǎn)[57]。除了乙?；D(zhuǎn)移酶的富集，在許多不同類型細(xì)胞研究中表明E2F1可以介導(dǎo)賴氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶2(KMT2)家族的組蛋白H3第4位賴氨酸(H3K4)甲基轉(zhuǎn)移酶的富集[58]。在肌細(xì)胞系統(tǒng)中，增殖的C2C12細(xì)胞通過混合譜系白血病5蛋白(MLL5)在細(xì)胞周期基因A2上沉積H3K27me3標(biāo)記，這是通過G1/S細(xì)胞周期檢查點(diǎn)所必需的因子[59]。最后C2C12細(xì)胞中的組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶Set2通過降低細(xì)胞周期蛋白水平而影響G1/S和G2/M期轉(zhuǎn)變。這一結(jié)果說明了組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶Set2在維持成肌細(xì)胞增殖方面具有重要功能[60]。同時(shí)Byrne等[61]發(fā)現(xiàn)在剛出生的綿羊骨骼肌基因組中H3K27me3與染色體構(gòu)型和基因功能密切相關(guān)，屬于抑制性染色質(zhì)標(biāo)記，大量存在于基因啟動(dòng)子中且密度不同，以抑制MRFs基因的表達(dá)。以上研究結(jié)果均表明組蛋白修飾有助于維持細(xì)胞周期進(jìn)程，同時(shí)還能調(diào)控骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞的增殖。

3.2 調(diào)節(jié)骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞的分化

骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞的分化起始于細(xì)胞退出細(xì)胞周期，由多種抑制細(xì)胞周期基因的機(jī)制與分化起始機(jī)制共同調(diào)控。Blais等[62-63]研究發(fā)現(xiàn)，骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞分化時(shí)細(xì)胞抑制基因啟動(dòng)子上有大量H3K27me3富集，H3K27的三甲基化在抑制細(xì)胞周期基因表達(dá)方面起著重要作用，增殖期H3K27me3可抑制細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶抑制因子(CDKN2B)基因表達(dá)，同時(shí)在分化期轉(zhuǎn)錄起始區(qū)域呈現(xiàn)抑制修飾減少的現(xiàn)象，進(jìn)而促進(jìn)細(xì)胞退出細(xì)胞周期進(jìn)入分化狀態(tài)。這些結(jié)果揭示了組蛋白修飾調(diào)控細(xì)胞分化的重要性。

細(xì)胞向分化轉(zhuǎn)變的第一步是通過細(xì)胞周期阻滯進(jìn)而阻止衛(wèi)星細(xì)胞的增殖。在此前提下，Pax7的表達(dá)勢(shì)必要下調(diào)。PcG-PRC2的催化亞基Ezh2受轉(zhuǎn)錄因子Yin-Yang1(YY1)的調(diào)節(jié)，上調(diào)Pax7的啟動(dòng)子區(qū)域的H3K27me3修飾，調(diào)控成肌分化過程[45]。在參與細(xì)胞分化的轉(zhuǎn)錄因子中，E2F是一個(gè)由8個(gè)蛋白組成的家族，包括視網(wǎng)膜母細(xì)胞瘤相關(guān)蛋白(RB)、視網(wǎng)膜母細(xì)胞瘤樣蛋白1(RBL1)和視網(wǎng)膜母細(xì)胞瘤樣蛋白2(RBL2)，是細(xì)胞分裂和決定細(xì)胞命運(yùn)的中心調(diào)控因子，它們的功能是控制蛋白質(zhì)靶基因的表達(dá)，調(diào)節(jié)細(xì)胞周期，促進(jìn)細(xì)胞分化[64-65]。RB可以與HDAC1結(jié)合維持細(xì)胞增殖，也可以與轉(zhuǎn)錄因子E2F4相互作用調(diào)節(jié)細(xì)胞退出細(xì)胞周期。同時(shí)RB還可以招募半胱氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶(HMT)在促進(jìn)細(xì)胞周期相關(guān)蛋白靶基因啟動(dòng)子上增加H3K9me3和H3K27me3標(biāo)記，減少特異基因表達(dá)，調(diào)節(jié)細(xì)胞周期的退出并開始分化。Hsu等[66]在小鼠胚胎干細(xì)胞中將E2F4特異性敲除后，發(fā)現(xiàn)E2F4可與RB家族成員相互作用作為一種與細(xì)胞周期停滯有關(guān)的轉(zhuǎn)錄抑制因子。這種抑制機(jī)制依賴于核心蛋白復(fù)合體(PRC1和PRC2)，其中H3K9me3和H3K27me3的標(biāo)記建立了一種沉默狀態(tài)[67]，這是由于致死因子惡性腦瘤樣蛋白1(L3MBTL1)的催化亞基E2F4與異染色質(zhì)蛋白(HP1γ)相互作用導(dǎo)致染色質(zhì)聚合復(fù)合體募集到靶基因，進(jìn)而維持這種沉默狀態(tài)[68]。

Myod1和Myog的表達(dá)對(duì)衛(wèi)星細(xì)胞分化也是必不可少的。Myod1表達(dá)的增加是由于JMJD1C蛋白驅(qū)動(dòng)H3K9me3標(biāo)記在其啟動(dòng)子上去甲基化的結(jié)果[49]。Myod1高水平表達(dá)后，SNAI1/HDAC1/2復(fù)合物和Myod1在靶基因E-box處發(fā)生轉(zhuǎn)換以促進(jìn)分化[48]。Myod1、MEF2D和Foxo3等轉(zhuǎn)錄因子在MRFs啟動(dòng)子上形成的轉(zhuǎn)錄活性狀態(tài)依賴于多種表觀遺傳酶的聯(lián)合作用。激活Myog基因的第1步就是通過賴氨酸去甲基化酶(JMJD2/KDM4A)在啟動(dòng)子上去除H3K9me2和H3K9me3抑制性標(biāo)記[69]。一旦抑制標(biāo)記被去除，啟動(dòng)子就可以被修飾并允許轉(zhuǎn)錄。第1個(gè)標(biāo)記是啟動(dòng)子上H3R8me2的二甲基化，這是通過一種Ⅱ型精氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶5(PRMT5)實(shí)現(xiàn)的[70]。H3R8me2標(biāo)記后，其可以通過染色質(zhì)重塑酶(BRG1)識(shí)別修飾的組蛋白“尾巴”，使染色體重塑復(fù)合體(SWI/SNF)穩(wěn)定地結(jié)合。之后SWI/SNF與啟動(dòng)子結(jié)合并允許RNA聚合酶結(jié)合到DNA上進(jìn)行轉(zhuǎn)錄。此外組蛋白轉(zhuǎn)移酶(SETD7)被Myod1靶向Myog啟動(dòng)子引入H3K4me1標(biāo)記，SETD7蛋白是分化所必需的，因?yàn)槠涑聊瑫?huì)導(dǎo)致肌管數(shù)量減少和阻斷Myog的表達(dá)[60]。

最后，當(dāng)完全分化時(shí)，成肌細(xì)胞在肌肉特異性膜蛋白Myomarker和Myomerger的作用下融合形成多核肌纖維。目前對(duì)于Myomarker和Myomerger蛋白的表觀遺傳調(diào)控尚不清楚，但是正向調(diào)控的CDON膜蛋白已經(jīng)被證明受組氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶的調(diào)節(jié)，它在轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)沉積了H3K36me2的二甲基化，以防止多梳介導(dǎo)的基因沉默[71]。而且在不影響重鏈肌球蛋白(MHC)表達(dá)的條件下組蛋白甲基化酶(ASH1L)缺失會(huì)導(dǎo)致體外培養(yǎng)的小鼠和人的心肌細(xì)胞融合能力下降，但不會(huì)影響MHC的表達(dá)。由此可以想象，表觀遺傳調(diào)節(jié)細(xì)胞融合的機(jī)制將很快被研究。

DNMT3：DNA甲基轉(zhuǎn)移酶3 DNA methyltransferase 3；Class Ⅰ HDACs：Class Ⅰ選擇性組蛋白去乙?；?class Ⅰ histone deacetylases；Class Ⅱ HDACs：Class Ⅱ選擇性組蛋白去乙?；?class Ⅱ histone deacetylases；Mybbp1a：Myb結(jié)合蛋白1a Myb-binding protein 1a；MEF2：肌細(xì)胞增強(qiáng)因子2 myocyte enhancer factor 2；Suv39H1：組蛋白甲基化酶 histone deacetylase；MBD2：甲基-CpG結(jié)合結(jié)構(gòu)域蛋白2 methyl-CpG-binding domain protein 2；HP1：異染色質(zhì)蛋白 heterochromatin protein 1；G9a：常染色質(zhì)組蛋白賴氨酸N-甲基轉(zhuǎn)移酶2 euchanromatic histone-lysine N-methyltransferase 2；MLL1/3/4：MLL家族蛋白 mixed lineage leukemia；Sirtuins：去乙酰化酶 deacetylase；PCAF：P300/CBP相關(guān)因子 P300/CBP associated factor；Id：分化抑制因子 inhibitor of differentiation；ZEB1：E盒結(jié)合鋅指蛋白1 zinc finger E-box-binding protein；Snail：鋅指轉(zhuǎn)錄因子 zinc-finger transcription factors；JMJD2A：含Jumonji結(jié)構(gòu)域蛋白2A jumonji domain containing 2A；KDM1A：賴氨酸特異性組蛋白去甲基化酶1 lysine-specific histone demethylase；Set7/9：蛋白賴氨酸甲基化轉(zhuǎn)移酶家族成員 protein lysine methyltransferases；RNA Pol Ⅱ：RNA聚合酶Ⅱ RNA polymerase Ⅱ；MyoD：生肌決定因子 myogenic determination gene；Six4：Six同源盒蛋白4 six homeobox 4；Spt6：轉(zhuǎn)錄延長(zhǎng)因子 suppressor of Ty6；SRCAP：染色質(zhì)重塑酶 snf2-related CBP activator protein；p38：p38絲裂原活化蛋白激酶 p38 mitogen-activated protein kinase；p300：E1A相關(guān)p300蛋白 E1A-associated p300 protein；Epc1：聚梳同源物增強(qiáng)子1 enhancer of polycomb homolog 1；SRF：血清反應(yīng)因子 serum response factor；Prmt4/5：蛋白質(zhì)精氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶4/5 protein arginine methyltransferase 4/5; TrxG：trxG基因 trithorax group gene；H2A.Z：組蛋白H2A變體 histone H2A variant；Safb1：核基質(zhì)結(jié)合因子 scaffold attachment factor b1；TRF3/TAF3：TBP相關(guān)因子 TBP-related factors。

4 小 結(jié)

哺乳動(dòng)物骨骼肌發(fā)育是一個(gè)非常復(fù)雜的生物學(xué)過程，對(duì)于骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞參與修復(fù)骨骼肌再生的機(jī)制早在很久以前便開始研究了。組蛋白修飾能夠通過改變殘基上的修飾狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)差異基因表達(dá)，如H3K27me3，其可以與成肌分化相關(guān)基因特異性結(jié)合，起到調(diào)節(jié)骨骼肌增殖分化的作用。MRFs發(fā)現(xiàn)以后，對(duì)組蛋白修飾調(diào)控肌衛(wèi)星細(xì)胞的遺傳機(jī)制有了更深的了解，同時(shí)對(duì)在肌肉再生過程中組蛋白轉(zhuǎn)錄后調(diào)控有了進(jìn)一步的見解，但其對(duì)骨骼肌發(fā)育機(jī)制的具體調(diào)控過程尚不清楚。本文分別闡述了組蛋白修飾在靜息、激活、增殖和分化狀態(tài)下是如何調(diào)控骨骼肌再生過程中肌衛(wèi)星細(xì)胞命運(yùn)的，進(jìn)一步說明了組蛋白修飾在肌肉再生過程中的重要作用，能夠更好地理解組蛋白修飾與骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞增殖分化機(jī)制的直接關(guān)系，為深入了解骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞命運(yùn)和肌肉高效再生提供新的研究方向。但是，組蛋白修飾調(diào)控肌衛(wèi)星細(xì)胞在肌肉再生過程中的發(fā)生機(jī)制具有很強(qiáng)的復(fù)雜性，這些機(jī)制中任何一種發(fā)生失調(diào)都可能導(dǎo)致生肌程序的異常，從而無法修復(fù)受損的肌纖維。因此，組蛋白修飾調(diào)控骨骼肌發(fā)育機(jī)制研究還需進(jìn)一步深入，為促進(jìn)哺乳動(dòng)物個(gè)體生長(zhǎng)、改善肌肉再生和促進(jìn)病理狀態(tài)下肌肉平衡提供解決途徑。