肌肉生长抑制素对脂肪细胞生长发育和脂代谢的调控

姬云涛，屈长青，2

(1.阜阳师范学院生命科学学院，阜阳 236041;2.抗衰老中草药安徽省工程技术研究中心，阜阳 236041)

肌肉生长抑制素对脂肪细胞生长发育和脂代谢的调控

姬云涛1，屈长青1，2

(1.阜阳师范学院生命科学学院，阜阳 236041;2.抗衰老中草药安徽省工程技术研究中心，阜阳 236041)

肌肉生长抑制素(MSTN)对骨骼肌生长的抑制作用已得到证实，但其调控脂肪组织的作用还不是十分清楚。本文综述了MSTN调控脂肪细胞生长发育和脂代谢的相关机制和可能研究趋势。

肌肉生长抑制素;脂肪细胞发育;脂代谢;作用机制

肌肉生长抑制素(myostatin，MSTN)为 TGF-β超家族成员，又称为 GDF-8(growth/differentiation factor 8)。它是骨骼肌细胞分泌的高度保守的一种功能性糖蛋白［1］，虽说源于肌肉，但其靶器官并非只限于肌肉，在正常生理条件下，MSTN不但抑制骨骼肌细胞的生长发育，同时可能还参与脂肪的生长、分化和代谢调控。目前虽然对MSTN调控脂肪细胞生长发育方面进行了一些研究，但仍未得出十分明确的结果，有的研究表明它的突变或缺失会导致脂肪细胞的减少［2，3］，它在骨骼肌中特异性过表达，体内的脂肪储积会增加［4］;但也有实验发现它的过表达会使脂肪几乎全部丧失［5］。而研究脂肪细胞的增殖与分化以及脂代谢机理仍是当今的一个热点，因此，MSTN对脂肪组织的确切作用还是值得深入研究的课题。本文就MSTN调控脂肪细胞生长发育和脂代谢的研究作一综述。

1 脂肪细胞的生长发育特点

脂肪细胞的生长分化增殖贯穿于整个生命过程，但是不同生长发育阶段其特点也不同。脂肪细胞发生的阶段大致为:①中胚层发育而来脂肪组织源性干细胞(adipose-derived stem cells，ADSCs);②前体脂肪细胞发生克隆性增生;③细胞内甘油三酯大量积累，形成典型的成熟脂肪细胞。白色脂肪组织(WAT)是体内贮能的主要场所，主要由脂肪细胞组成，对维持体内能量平衡发挥重要作用。脂肪细胞的生长包括其体积的增大和新脂肪细胞的生成。新生动物脂肪组织的增长主要是新脂肪细胞的生长，即通过脂肪细胞分化，成年动物以脂肪细胞的体积变化为主，但也保留有脂肪细胞的分化能力。研究认为脂肪细胞的数量在出生前和生长发育的早期就已被确定，而合成、蓄脂能力则受出生后各种因素的影响，在肥育期仅仅通过脂肪细胞体积的增大和重量增加来完成脂肪的沉积。

2 MSTN基因和蛋白

MSTN的合成受到多种结合于MSTN基因的启动子近端区域的细胞因子的转录调控。Moustakas等发现，MSTN与其他 TGF-β超家族成员一样，先合成前体蛋白质(52×103)，该前体蛋白由信号肽、编码前肽(26×103)的 N-末端区和编码成熟肽(12.5×103)的 C-末端区三部分组成［6］。前体蛋白质经两次蛋白酶酶解活化，首先由信号肽引导将MSTN基因表达产物(大小约26×103的成熟糖蛋白)分泌到胞外，游离于血液中并处于潜伏状态，分泌后形成的前肽在RSRR区(蛋白酶水解位点Arg-Ser-Arg-Arg)被金属蛋白酶(metalloproteinase)中的骨形态发生蛋白1(bone morphogenic protein-1/tolloid family)切除掉N端大约266个氨基酸，成熟区剩余的109个氨基酸通过其中的9个保守的半胱氨酸形成二硫键，生成二聚体后活化的MSTN与细胞膜上的Ⅰ型和Ⅱ型受体(激活素受体蛋白ⅠB，ActRⅠB和激活素受体蛋白ⅡB，ActRⅡB)相结合进一步发挥作用(如图1所示)。

图1 MSTN基因的和蛋白质的结构简图Fig.1 A diagram of the structure of MSTN gene and protein

3 MSTN对脂肪组织的调控

目前对MSTN调控脂肪细胞生长发育的作用机制的研究还很有限。叉头转录因子(forkhead box class O，FoxO)是胰岛素样生长因子(IGF)/磷脂酰肌醇3激酶(PI3K)/FoxO信号转导通路中的关键分子。Nakae等［7］发现，在胰岛素受体缺失鼠，组成性的具活性的FoxO1阻碍前脂细胞的分化。而体外实验证明，MSTN通过抑制 IGF-1/PI3K/Akt通路，可以提高FoxO的活性［8］。还有实验表明FoxO1可以结合于MSTN启动子区域，并增强启动子活性，而诱导MSTN表达量增加［9］。C/EBPα是第一个被证明在脂肪细胞分化过程中起重要作用的转录因子。而PPARγ是PPARs家族中最具有脂肪专一性的亚型，是体内脂肪形成的必需转录因子。Kim等［10］在用重组的 MSTN处理3T3-Ll脂肪细胞系时发现，MSTN可能通过 C/EBP-α和 PPAR-γ的信号传导途径抑制前体脂肪细胞的分化。Rebbapragada等［11］研究MSTN调控脂肪发生的信号通路时，得到MSTN能够抑制BMP-7诱导的脂肪细胞分化这一结果。其抑制过程与对肌细胞的作用方式一样，在脂肪细胞中 MSTN同样结合到丝氨酸/苏氨酸受体ActRⅡB上，而后与 I型膜受体 ActRIB或 TbetaRI(TGF-β的I型受体)结合，并诱导 Smad2/Smad3磷酸化并激活 TGF-β类似的信号传导通路，这样MSTN通过阻止BMP-7结合到受体上而抑制BMP-7诱导脂肪细胞分化的活性。但值得注意的是，在实验中他们还发现，MSTN能够诱导C3H10T1/2间充质干细胞系低水平表达脂肪细胞分化前期标志基因C/EBP-α和 PPAR-γ，这是否能说明 MSTN有促进C3H10T1/2早期的成脂分化趋势?因为在观察3T3-L1前体脂肪细胞系时，既没有 C/EBP-α和PPAR-γ的低水平表达，也没有脂肪细胞分化后期标志基因(GPDH和ADSF/resistin)表达。从他们的实验可以看出，虽然MSTN对3T3-L1和C3H10T(l/2)的成脂分化最终都表现出抑制，但在成脂分化的不同阶段似乎存在不同。

有关MSTN对脂代谢调节的研究也不是很明确。Zhiliang等［12］在对鸡 MSTN基因的5′调控区和3′调控区单核苷酸多态性(SNPs)的分析中也发现，MSTN基因5′调控区的一个SNP位点与鸡的脂肪的沉积有显著相关。Lee等［13］发现，MSTN基因敲除小鼠体形较野生型小鼠增大约30%，全身的所有骨骼肌都增大了2～3倍，脂肪重量没有太大的变化。但进一步实验［14］又发现:MSTN基因敲除小鼠和肥胖小鼠杂交的双突变小鼠，其脂肪减少，而且糖代谢紊乱也相应得到改善。杂交后代小鼠在10个月之前体重超过肥胖小鼠，此后则与之体重相同甚至还会低于对照组。分析10个月之前体重超过肥胖小鼠可能是由于肌肉增大的原因，而10个月之后对照鼠体重增加应该是脂肪含量增多所致。看来正如Lee等所提出，正常小鼠都会在年老时储积过多的脂肪，而 MSTN－/－小鼠则根本不出现这种生理现象。是否与胚胎期MSTN缺失导致定向分化生成的前体脂肪细胞数少有关?是值得进一步探讨的。他们推测MSTN抑制脂肪沉积的机制一种可能是MSTN直接作用于脂肪组织来调节其代谢过程，另一种可能是骨骼肌中MSTN信号缺乏间接影响脂肪组织中的 MSTN突变，从而影响脂肪代谢。在Zimmers等［5］关于 MSTN与恶病质关系的研究中，通过在无胸腺裸鼠的大腿肌肉植入稳定表达小鼠MSTN的CHO细胞的方法，观察全身给予过量的MSTN后的代谢变化。实验发现，过量施与 MSTN的无胸腺裸鼠呈现一种明显的恶病质状态，除了全身骨骼肌重量减少之外，全身的白色脂肪也几乎全部丧失。推测脂肪的下降可能与 Feldman等［15］的转基因小鼠代谢率增高相似，因为 Feldman等的MSTN转基因小鼠的脂肪细胞表现出对胰岛素敏感度和葡萄糖氧化自发性增加，这些效应能提高对饲料引起的肥胖的抗性，当转基因小鼠与野生型小鼠同时喂给高脂肪食物时，转基因小鼠抵御肥胖的能力明显比野生型小鼠强。因此，可以考虑应用MSTN治疗一些代谢疾病，如由于饮食而引起的糖尿病，从而为解决日益增加的肥胖症和治疗代谢性疾病提供一种新的思路［16，17］。分析以上的研究结果可以看出:MSTN过表达，导致肌萎缩和脂肪分解加强;而MSTN缺失导致肌肉强大和脂肪减少，两种情况下肌肉的变化是一致的，但脂肪减少途径是不同的，前者是促进脂肪分解(是针对机体已经分化的成熟脂肪细胞)，脂肪细胞数目没变只是体积变小?后者是抑制脂肪细胞生长发育(主要是不能促进脂肪细胞早期的定向分化)有待确证。除了MSTN转基因小鼠，Feldman等［15］同时也研究了MSTN代替地塞米松诱导多能性前体细胞(pluripotent progenitor cells)成脂分化，实验表明通过MSTN诱导的脂肪细胞在体外细胞培养与转基因鼠体内表现一样，都很小并表达出未成熟的脂肪细胞的标志特征。这是不是也暗示，在早期间充质干细胞发育成前体脂肪细胞过程中，MSTN发挥促进作用，而一旦前体脂肪细胞形成，MSTN则会抑制其向成熟脂肪细胞分化?而同样是过表达MSTN，Reisz-Porszasz等［4］通过连接组织特异性启动子的方法，在雄性小鼠骨骼肌肉中特异性的过表达MSTN，同样观察到小鼠肌块减少，但脂肪储积却增加。这与Zimmers等［5］的研究结果相悖，倒与下述 MSTN基因敲除小鼠的脂肪储积减少一致。Lin等［3］通过对MSTN基因敲除小鼠(KO)与野生型小鼠(WT)研究比较发现，KO鼠增加肌肉生成和减少脂肪生成，KO鼠脂肪组织中 C/EBP-α和 PPAR-γ以及leptin水平也远远低于WT鼠。另外还有MSTN基因突变男孩［2］肌肉中 MSTN蛋白含量很低，出生时肌肉异常发达，脂肪含量却只有一半。这又一次表明MSTN功能的缺失影响脂肪的生成。

对MSTN调控脂肪细胞增殖与分化的研究，目前常用的细胞系有以C3H10T(1/2)为代表的多能干细胞系以及以3T3-L1为代表的前体脂肪细胞系［18，19］。Artaza 等［20］利用重组 MSTN 和抗 MSTN抗体，对C3H10T(l/2)间充质干细胞系成脂成肌分化中的作用研究表明，MSTN抑制 C3H10T(l/2)的成肌分化，促进C3H10T(l/2)向脂肪分化。根据该实验中MSTN作用的时间分析，其抑肌促脂作用是在干细胞系前期分化阶段，那么在后期成肌细胞和前体脂肪细胞一旦形成，继续成熟分化时，MSTN的这种抑肌促脂作用是否一致呢?从前面Rebbapragada等［11］的研究推测，MSTN 可能诱导C3H10T(l/2)干细胞系前期向前体脂肪细胞分化，但后期却抑制其向成熟脂肪细胞分化。Kim等［21］的研究结果就表明，MSTN抑制3T3-L1前体脂肪细胞系向成熟脂肪细胞分化。这一结果同样在牛前体脂肪细胞分化中得到证实［22］。尽管对于脂肪细胞的终末分化过程已有了深入的认识，如:发现了前体脂肪细胞的克隆扩增(mitotic clonal expansion)、过氧化物酶体增殖物激活受体 γ(peroxisome proliferator-activated receptor-γ，PPAR-γ) 的关键作用等，但由于受到实验材料的限制，所以大部分成果仅限于前体脂肪细胞的增殖及其分化为成熟脂肪细胞这一阶段，对脂肪细胞分化早期决定时的分子事件极少涉及，而一般文献上所提到的脂肪细胞分化通常是指前脂肪细胞分化为成熟脂肪细胞的过程。可以看出，对于MSTN在C3H10T(l/2)干细胞系成脂分化的整个过程中的作用如何还没有完整的答案。

目前，对MSTN如何控制脂肪生长发育及代谢的机理知之甚少，而且粗略看来还有矛盾之处。例如同是MSTN基因敲除，大多表现为体内脂肪减少，但也有报道脂肪无变化;同是MSTN过表达，有的脂肪明显减少，有的则表现为脂肪增多。可能MSTN对脂肪组织的作用主要是通过影响脂肪发生和脂代谢这两方面来实现的，而且MSTN对脂肪发生的作用可能因靶细胞类型、不同的发育生长阶段、外界微环境等的影响而呈现完全不同的效应，并且MSTN对机体脂肪调节可能存在着不同调控通路。根据已发表的研究结果推测，MSTN可能作为细胞因子分泌到血液中，通过血液循环到达脂肪细胞，而后直接作用于脂肪细胞从而发挥影响脂肪代谢的作用。那么在胚胎发育早期，没有MSTN的作用会不会影响间充质干细胞定向分化出脂肪源性干细胞或前体脂肪细胞的数量?敲除MSTN基因或MSTN基因突变的个体脂肪沉积减少，是在出生后表现出来的，这与出生前分化出的脂肪源性干细胞或前体脂肪细胞的数量减少也可能有关?本实验室目前研究的结果也初步显示，MSTN调控间充质干细胞成脂分化过程中有阶段性变化(数据整理中)。

通过对以上各项研究结果的分析，是否可以推测:MSTN在胚胎期促进脂肪源性干细胞和前体脂肪细胞的生成;而后又抑制前体脂肪细胞向成熟脂肪细胞分化;对脂肪组织则表现为促进脂分解代谢。当然这些推测中间还有很多问题尚待进一步探索，还有待于进一步通过系统的全面的研究得以检验和确证。毕竟在脂肪细胞分化过程中，存在着复杂调控机制，除了要考虑多种调节因素的相互作用外，还要考虑体内外环境的差异。随着对脂肪细胞分化调控研究的深入，进一步研究MSTN对脂肪细胞发育和脂代谢的调控，对控制动物脂肪、提高动物胴体瘦肉率和肉品质非常重要，而且对人类肥胖病、与血糖血脂有关的代谢病的研究也将起着很大的推动作用。

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Research Progress on MSTN Regulation Mechanism of Adipocyte Development and Lipid Metabolism

JI Yun-tao1QU Chang-qing1，2
(1.School of Life Science，Fuyang Normal College.Fuyang 236041，China;2.Engineering Technology Research Center of Anti-Aging Chinese Herbal Medicine，Anhui Province，Fuyang 236041，China)

Myostatin(MSTN)，a negative regulator of skeletal muscle mass，is postulated to be involved in the pathogenesis of muscle fibrosis.But its role in the regulation of adipose tissue development is not fully understood yet.In this paper，the related mechanisms of MSTN in regulation of adipocyte growth and differentiation and lipid metabolism are reviewed and the recent progress in the research in this field is discussed.

Myostatin，MSTN;adipocyte，development;Lipid metabolism;Mechanism

Q952，R332

A

1005-4847(2010)05-0437-04

10.3969/j.issn.1005-4847.2010.05.18

2010-03-02

安徽省高校自然科学研究资助项目(No.KJ2008B228)。

姬云涛，女，博士，副教授，主要研究方向为动物繁育与生物技术。

屈长青，男，博士，教授，主要研究方向细胞衰老与信号转导。E-mail:qucq518@163.com.