钙调磷酸酶在肌纤维类型转化中的作用

陈小玲，黄志清 (福建师范大学生命科学学院，福建 福州 350108)

钙调磷酸酶在肌纤维类型转化中的作用

陈小玲，黄志清 (福建师范大学生命科学学院，福建 福州 350108)

综述了钙调磷酸酶在肌纤维类型转化中的作用，提出了钙调磷酸酶有望成为影响肉品质一个新的候选基因的观点。

钙调磷酸酶；肌纤维类型转化；肉品质

肌肉由肌纤维组成，它是畜禽胴体中最主要的组成成分。大量研究表明，肌纤维类型是决定肉品质的一个重要因素[1～3]。因此，了解肌纤维类型转化的规律及其调节机制十分重要。钙调磷酸酶(Calcineurin)是一种受Ca2+和钙调素调节的丝氨酸/苏氨酸蛋白磷酸酶，广泛存在于哺乳动物的组织细胞中，作为Ca2+信号下游的一种效应分子，参与多种细胞功能的调节。近年来大量研究表明，钙调磷酸酶在肌纤维类型转化过程中发挥了重要作用[4～7]，为此，笔者现就钙调磷酸酶在肌纤维类型转化中的作用作一综述。

1 肌纤维类型概述

1.1 肌纤维的分类

肌纤维是肌肉的基本组成单位，传统的肌纤维分类方法是根据其代谢特征、形态和收缩特性来进行。根据肌纤维所含的酶系及活性特点，可将其分为有氧代谢型和酵解代谢型两大类。有氧代谢型肌纤维含有较多的细胞色素和肌红蛋白，外观呈红色，因而也叫红肌纤维。酵解代谢型肌纤维细胞色素和肌红蛋白含量均较少，外观呈白色，故称白肌纤维。介于红、白肌纤维之间，外观呈粉红色，这种纤维叫中间型纤维。根据生理上的收缩速度，又可分为慢收缩肌纤维和快收缩肌纤维。也有人根据其收缩功能和所含的酶系及活性，将肌纤维分为4类：慢收缩氧化型(I型)、快收缩氧化型(IIa型)、快收缩氧化酵解型(IIx型)和快收缩酵解型(IIb型)。I型肌纤维相当于红肌纤维，IIa型和IIx型肌纤维相当于中间型肌纤维，IIb型肌纤维相当于白肌纤维。

肌球蛋白(Myosin)是肌纤维中最主要的蛋白质，约占总蛋白的1/3。肌球蛋白由4个轻链(MyLC)和2个重链(MyHC)组成，每个重链都有结构和功能稍异的同工型。1994年，Schiaffino和Reggiani确定了哺乳动物中与肌纤维类型相对应的肌球蛋白重链MyHC的类型，即肌球蛋白重链的亚型MyHCI(MyHCslow)、MyHCIIa、MyHCIIx和MyHCIIb分别对应I型、IIa型、IIx型和IIb型肌纤维[8]。这种建立在MyHC表达基础上的分子分型更准确、可靠，因而成为目前较常用的肌纤维分类方法。

1.2 肌纤维类型形成的决定因素

不同部位的肌肉，其肌纤维的组成和比例往往不同。如趾肌主要含II型肌纤维，而比目鱼肌(小腿后面的一块扁平肌肉)主要由I型肌纤维组成。肌纤维类型在不同发育阶段及在衰老过程中也会发生变化[9]。多种肌纤维类型的存在及其复杂的时空分布模式，是不同肌肉功能差异和肌肉适应性的结构基础。

多种肌纤维类型的形成，是胎儿后期和出生后神经支配的结果。但胚胎期去神经支配的肌组织，仍能形成多种类型的肌纤维[10]，表明除神经支配外，可能还有内在因素决定肌纤维类型及其专一基因的表达。这一内在因素经研究证实为成肌细胞谱系。用逆转录病毒标记单个成肌细胞，使其克隆，植入肌肉中可形成多种类型的肌纤维，但体外培养时只能形成单一的肌纤维类型，表明出生后成肌细胞谱系与包括神经支配、激素调节、运动负荷、电刺激等在内的外在因素一起共同影响肌纤维类型的形成[11]。

1.3 肌纤维类型与肉品质

(1)肌纤维类型与肉品的pH 宰后肌肉中pH的降低主要是由于宰后糖原经过糖酵解转化成乳酸并在肌肉中积聚而引起，因而动物屠宰时其肌肉中糖原的含量会在很大程度上影响宰后肉品的pH[12]。IIb型肌纤维中糖原的含量高于其他类型的肌纤维，因而当肌肉中IIb型肌纤维占有很大的比例时，会使肌肉中pH下降较快，甚至产生PSE肉。Makin等[13]研究表明，肉品的pH与慢收缩氧化型纤维的比例成正相关。Larzul 等[14]对大白猪背最长肌的研究也证实，酵解代谢型肌纤维比例的增加会加快宰后pH降低的速度和程度，并最终导致肌肉颜色的下降和滴水损失的增加。

(2)肌纤维类型与肉品的风味 有氧代谢型肌纤维与酵解代谢型肌纤维相比，具有更高的磷脂含量[15]，而磷脂又是决定肉品风味的一个重要因素。在牛、羊的实验中也证实了肌肉中I型肌纤维的含量与肉品的多汁性和风味成正相关[16]。

(3)肌纤维类型与肉品的颜色 肉色是肉品质一项重要的外观指标，肌纤维类型直接影响肌肉的颜色。有氧代谢型肌纤维所含肌红蛋白和血红蛋白的含量高，因此，肌肉中若有氧代谢型肌纤维所占比例较高，则肌肉颜色鲜红，肉色评分较高。相反，IIb型肌纤维所含肌红蛋白和血红蛋白的含量低，肌肉中若IIb型纤维在肌肉中所占比例高，肌肉颜色显得苍白，肉色评分较低。肌肉的系水力直接影响肌肉的颜色，而系水力与肌纤维类型有着直接的关系，高含量的酵解代谢型肌纤维会导致肌肉系水性能的下降[17]。

2 钙调磷酸酶在肌纤维类型转化中的作用

2.1 钙调磷酸酶的结构组成

钙调磷酸酶(Calcineurin，Cn)，又称蛋白磷酸酶2B(protein phosphatase 2B，PP2B)，是由钙调磷酸酶A催化亚基(CnA)和钙调磷酸酶B调节亚基(CnB)构成的异源二聚体[18,19]。CnA的大小为58～61 ku，从氨基端到羧基端依次有催化域、CnB结合域、钙调素结合域和自身抑制域[18,19]。在非活化状态时，CnA自身抑制域与催化域结合在一起，使催化域封闭。随着Ca2+浓度的升高，Ca2+-钙调素与CnA结合后，引起CnA分子构象改变，自身抑制域和催化域分开，使催化域暴露，CnA活化。Ca2+与CnB的结合可增加CnA对其底物的亲和力[20]。根据催化亚基氨基酸序列的不同，CnA主要分为3种：CnAα、CnAβ和CnAγ，其中CnAγ是睾丸中特有的，在骨骼肌中CnAα的含量显著高于CnAβ[21]。CnB的大小为19 ku，含有2个球形Ca2+结合区，每个结合区有2个Ca2+结合位点，这些Ca2+结合为点分别称为EF1、EF2、EF3和EF4，它们沿着CnB在CnA结合表面的疏水面自氨基端向梭基端依次排列[20]。CnB1和CnB2 2种基因编码CnB，但骨骼肌中仅存在CnB1[21]。

2.2 钙调磷酸酶对MyHC基因表达的影响

缺失自身抑制域和部分钙调素结合域后的CnA，其催化亚基完全暴露，这种突变体(CnA*)为CnA的组成型活化形式。体外研究表明，CnA*过量表达优先激活了鼠MyHCIIa基因的启动子[22]并且增加了内源性MyHCIIa蛋白水平[23]。但Allen等[23]报道了钙离子载体(一种钙调磷酸酶的化学激活剂)处理C2C12细胞增强了鼠MyHCIIa、MyHCIIx和MyHCIIb基因的启动子活性。对此作出的解释是离子载体诱导的MyHCIIx和MyHCIIb基因启动子活性的增加可能不是钙调磷酸酶特异的作用[24]。与快收缩MyHC同工型不同，MyHCslow不能及时对CnA*信号作出响应。研究表明，在转染CnA*的大鼠初级肌细胞中，直到12～13 d后才出现MyHCslow蛋白水平提高了2.5倍[25]。另有研究表明，CnA*腺病毒感染1～2周后才出现MyHCslow表达对CnA* 处理相吻合的结果[26]。

钙调磷酸酶影响MyHC基因的表达也得到了体内研究的支持。正常小鼠比目鱼肌(小腿后面的一块扁平肌肉，主要由I型肌纤维组成)中检测不到MyHCIIx和MyHCIIb的存在[27]，而钙调磷酸酶的抑制剂cain/cabin1进入正常小鼠比目鱼肌中导致了MyHCIIx和MyHCIIb基因的表达，并抑制了MyHCslow和MyHCIIa基因的表达[28]，这些结果表明钙调磷酸酶在维持I型肌纤维表型和抑制MyHCIIx和MyHCIIb表达方面发挥了重要的作用。另有研究表明，敲除CnB1 基因的小鼠，其四头肌中MyHCslow和MyHCIIa蛋白水平下降，表明钙调磷酸酶能够刺激MyHCslow和MyHCIIa基因的表达[21]。

2.3 钙调磷酸酶在诱导产生I型肌纤维中的作用

肌纤维数量在动物出生前就已基本稳定，出生后肌肉的生长发育只是肌纤维的肥大和肌纤维类型的转化。I型肌纤维的增多，是II型肌纤维转化的必然结果。大量研究结果表明，钙调磷酸酶在驱动肌纤维表型转变过程中起着关键性作用[4～7,29]。钙调磷酸酶在肌纤维转化中的作用是基于I、II型肌纤维基因对活化的钙调磷酸酶A催化亚基(CnA*)及其遗传和化学抑制剂所作出的反应而被发现的[5,7,25,29]。体外研究发现，活化的钙调磷酸酶A催化亚基(CnA*)被报道能够选择性上调I型肌纤维特异基因启动子活性[29]。在体研究发现，抑制钙调磷酸酶活性促进了I型肌纤维向II型肌纤维的转变[28]。CnA*转基因小鼠的研究揭示了钙调磷酸酶在增强I型肌纤维数目中发挥重要作用[5,7]。CnAα和CnAβ基因敲除小鼠也获得了上述同样的结论[30]。以上结果表明，钙调磷酸酶在诱导产生I型肌纤维表型方面发挥了重要的作用[5,6]。

2.4 钙调磷酸酶诱导产生I型肌纤维的分子机制

早期研究认为钙调磷酸酶诱导产生I型肌纤维表型是由于仅慢收缩氧化型纤维程序被激活而引起[19]，现在看来这一解释并不完全正确。

肌纤维中MyHC同工型基因的变化遵循以下规律：MyHCslow↔MyHCIIa↔MyHCIIx↔MyHCIIb，这一变化需要数周才能完成[25,26,31]。最近研究表明，对钙调磷酸酶信号作出反应引起向I型肌纤维转变的靶基因是快收缩MyHCIIa、MyHCIIx和MyHCIIb，而MyHCslow并不是钙调磷酸酶的早期响应分子，早期的快收缩MyHC基因差异表达是钙调磷酸酶诱导产生I型肌纤维过程中重要的驱动力[32]。据此，da Costa等[32]提出了钙调磷酸酶诱导产生I型肌纤维新的分子机制，认为I型肌纤维的转化并不是简单地归功于转向一些与慢收缩纤维协同程序相关基因的表达，钙调磷酸酶在上调MyHCIIa和下调MyHCIIx、MyHCIIb基因表达以推动向I型肌纤维转变中发挥了重要的作用。

3 展望

虽然动物肌纤维的数目在出生时已经固定，但肌纤维类型在出生后并不是固定不变的。钙调磷酸酶被认为是驱动快收缩(II型)肌纤维表型转变为慢收缩(I型)肌纤维表型过程中重要的调节子，而慢收缩(I型)肌纤维的含量与优良肉品质正相关。因此，钙调磷酸酶有望成为影响肉品质一个新的候选基因。然而，钙调磷酸酶含量或活性在不同品种、不同日龄以及不同部位肌肉的差异如何？这种差异与肉品质的关系如何？这些都尚不清楚，有待进一步的研究。

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2008-12-23

陈小玲(1977-)，女，江西永新人，农学博士，讲师，主要从事分子生物学研究.

黄志清，E-mail: zqhuang@fjnu.edu.cn.

10.3969/j.issn.1673-1409(S).2009.01.019

S811.3

A

1673-1409(2009)01-S068-04