MSTN调控的研究进展

唐玉成

（深圳大学 师范学院体育系，广东 深圳 518060）

骨骼肌是人体的最大器官，约占总体重的40%，构成一切身体运动的基础。肌肉质量的增减与多种疾病密切相关。肌肉生长抑制素（Myostatin，MSTN）是1997年从小鼠中克隆出的一个基因，属于转化生长因子β（transforming growth factor beta，TGFβ）超家族的成员，又被称为生长分 化 因 子8（growth differentiation factor 8，GDF8）。MSTN 对骨骼肌生长有负调控作用，调控MSTN 对防治与骨骼肌衰退有关的疾病以及提高运动能力都有重要意义。

1 资料与方法

1.1 文献检索

检索时间范围：1997－01至2013－03。检索词：中文数据库检索词为“肌肉生长抑制素”“myostatin”“MSTN”，英文数据库检索词为“myostatin”。检索数据库：中国期刊全文数据库和PubMed数据库。检索文献量：检索到相关文献899篇。

1.2 检索方法

纳入标准：与MSTN 调控的研究现状和发展密切相关：①有关MSTN 的研究；②有关MSTN 调控的研究；③同一或相似内容选择近期发表或权威期刊上发表的文章。排除标准：非哺乳动物的研究；重复或类似的同一研究。

1.3 数据的提取

共检索到相关文献899篇，其中英文683篇，中文216篇。阅读标题和摘要，按照纳入标准和排除标准筛选，共纳入文章43篇。文献类型主要包括实验研究和临床研究。

2 结果

2.1 MSTN 的结构

MSTN 由376个氨基酸构成，具有TGFβ超家族的典型特征：N 端有相同的氨基酸序列作为分泌信号；C 端有保守的蛋白酶水解位点RSRR（Arg－Ser－Arg－Arg）；有9 个半胱氨酸残基在C端形成“结点”，并通过二硫键形成生物学活性二聚体［1］。MSTN 前体蛋白包括信号肽、N 端前肽和C端成熟肽。前体蛋白经过2次酶解，切除信号肽和前肽，成熟肽与细胞膜上的I型Ser／Thr蛋白激酶受体（ActR I）以及ActRⅡB结合，通过信号传导途径进入细胞核，调控靶基因［2］。

人类MTSN 基因位于2q33.2，有2个内含子和3个外显子，2个内含子分别为1.8kb和2.4kb，3 个外显子的编码氨基酸长度分别为125、124 和126，MSTN 基因能转录成3.1kb的mRNA［3］。MTSN 基因在物种间高度保守，人类、猪、大鼠、小鼠等的C 端分子结构高度一致，狒狒、牛和绵羊也仅有1—3个碱基的差别［4］。MSTN 基因的多态性在不同肤色、不同种族的人群中比例不同［5］。

2.2 MSTN 的生物学功能

MSTN 在肌肉生长过程中发挥着重要的抑制作用。MSTN 基因敲除后能促进骨骼肌质量显著增加，而且不会导致致命缺陷［6］。牛、狗、鼠等动物都有MSTN 基因变异失活而出现“双倍肌肉”的情况［7－9］。如“比利时蓝牛”MSTN 基因外显子3上缺失了11bp，缺失造成第14个密码子变成了终止密码子，导致合成的MSTN 无活性，因此其骨骼肌与普通牛相比出现成倍增加。2004年，Schuelke等发现1例儿童MSTN 基因第1内含子的g.IVS1＋5位点g－a突变，引发MSTN 表达失活，导致肌肉异常发达［10］，说明MSTN 在人类和动物体中都发挥着类似肌肉生长调节作用。

MSTN 对肌纤维的调节表现在两方面：一是在胚胎阶段调节生肌节细胞分泌MSTN，调节肌纤维的数量；二是出生后调节骨骼肌细胞分泌MSTN，调节肌纤维的质量［11］。MSTN 主要通过调节生肌调节因子（Myogenic Regulatory Factors，MRFs）抑制肌细胞和卫星细胞的生长和分化［12］。通常认为IGF－I与MSTN相拮抗［13］，运动后IGF－I 与MSTN 通常呈反向变化［14］。但也有研究发现［15］，12周的肘弯举练习让力量增长了30%，上臂骨骼肌横切面积增加了12%，血液中MSTN 含量下降了20%，但IGF－I含量却没有变化，分析认为可能是MSTN 的局部影响要强于IGF－I的周身循环作用。MSTN 还参与糖和脂肪代谢，对肥胖和糖尿病模型小鼠进行MSTN 基因敲除后发现，与对照组相比，肥胖小鼠脂肪含量显著减少（＜20%），而糖尿病小鼠的血糖恢复了正常，表明MSTN 可以抑制脂肪堆积和血糖升高［16］。

2.3 MSTN 的信号传导机制

图1 MSTN 的信号传导途径（引自Elkina等，2011）

MSTN 的信号传导方式与TGFβ超家族其他成员相似。如图1所示，MSTN 蛋白进入细胞后，主要通过三条途径将信号传入细胞核［17－18］。第一条途径是经典的Smad激活途径（Smads是目前TGFβ 受体的唯一底物），MSTN 先与ActRⅡB结合，再与ActRⅠ结合形成聚合体。接着Smad2／3磷酸化导致MSTN 与Smad4 结合，并将其转入细胞核，抑制MRFs的表达，从而抑制肌细胞的分化。在第一条途径中，Smad6／7 与Smad2／3 竞争与ActRⅠ结合，此外Smad7还阻止Smad 2／3 与Smad4形成复合体。第二条途径是MAPK激活途径。MSTN分别使用TAK－1／MAPKK／p38以及rRas／Raf／MEK1／ERK1／2两条途径传导进入细胞核，抑制负责肌肉增生的相关基因。第三条途径是Akt信号抑制途径。Akt是一种Ser／Thr激酶，磷酸化后可改变一些靶蛋白的活性。MSTN 可以通过IGF－I／PI3K／Akt通路抑制肌肉增生。Akt是IGF－I和MSTN 调节通道的一个交叉点。正常情况下，在胰岛素和IGF－I的作用下，Akt进入磷酸化。激活后的Akt引导mTOR 信号链，引发蛋白质合成增加，同时也通过磷酸化抑制FOXO。在病理或特殊条件下，MSTN 抑制Akt去磷酸化激活FOXO，导致FOXO 在细胞核内积累，并与DNA 进行绑定，诱导肌萎缩相关基因E3泛素连接酶MURF－1 和Atrogin－1的表达增加，从而减少肌球蛋白重链和肌球蛋白轻链的表达。另外，Akt去磷酸化也能激活GSK－3β，负调控细胞周期，使细胞维持静息状态，抑制相关蛋白的表达。

2.4 MSTN 调控

2.4.1 MSTN 的增龄变化

MSTN 主要在骨骼肌中表达，通过分泌进入血液，心肌中也有少量表达，身体其它部位则罕见表达［19］。MSTN的mRNA 表达在胚胎期较高，胚胎成熟后有所下降。人体血清MSTN 含量没有昼夜变化［20］。研究发现，衰老肌肉中卫星细胞的数量变化不大，而生肌调节因子MyoG、Myf5等表达却大幅下降［21］，这可能与MSTN 下调有关［22］。Raue等的研究发现［23］，与18—30岁的女性相比，年龄在80—89岁的女性MSTN 表达增加了56%，表明随着年龄的增加，MSTN 表达有所增加。

2.4.2 力量训练对MSTN 的调控

2.4.2.1 力量训练对MSTN 表达的影响

力量训练被认为是有效增加骨骼肌质量和力量的最有效手段之一，对MSTN 的分泌和信号传递有重要影响。多项研究证实［24－25］，力量训练能降低MSTN 的表达以及血液中MSTN 蛋白的含量，但少有研究发现MSTN 表达与肌肉力量及体积的相关关系。Hulmi的研究却有不同发现［26］，Hulmi对老年人进行了21周的力量训练，发现与训练前相比，训练后MSTN 以及MyoG 的mRNA 表达均有升高（P＜0.05），只有单次力量训练后即刻MSTN 的mRNA 表达才有所下降，这种下降与长期训练后的升高呈负相关（r＝－0.65），与力量训练导致的肌肉质量增加呈显著负相关（r＝－0.82）。研究认为长期力量训练会导致MSTN 上升，但其受体含量却下降。Willoughby进行了12 周的力量训练，也发现血清中MSTN 含量上升的现象，但同时发现这种上升受到卵泡抑素相关基因（Follistatin－related gene，FLRG）上升和MSTN 受体下降的限制，因此不会妨碍肌肉质量和力量增加［27］。

2.4.2.2 力量训练各变量对MSTN 表达的影响

不同强度以及不同方式的力量训练对MSTN 基因表达也有影响。Laurentino的研究发现［28］，80%1RM 强度的力量训练与血流限制条件下20%1RM 强度的力量训练降低MSTN 表达的水平分别为45%和41%，与两者的力量增加幅度相似（40.1%，36.2%），但如果排除血流限制这一条件，20%1RM 的力量训练增加力量和降低MSTN 基因表达的幅度都小于80%1RM 力量训练，说明力量训练强度越大，增加力量和降低MSTN 的效果也越好。Heinemeier的研究表明，相对于向心力量训练和等长力量训练，离心力量训练能让MSTN 表达下调更显著（P＜0.05），表明离心力量训练更利于肌肉肥大。在力量训练的同时，如果能补充肌酸或乳清蛋白，能进一步降低MSTN的基因表达［29－30］。

2.4.2.3 受试者差异对MSTN 表达的影响

Dalbo等对平均年龄分别为28岁和68岁的男性进行了对比研究［31］，两组人群都进行3组80%1RM 强度的腿举、哈克深蹲以及腿屈伸练习，与年轻人相比，老年人训练后MSTN 的mRNA 表达更低，而且Smad3的活性也更低。老年人在力量训练后的肌肉合成和恢复方面似乎有一些优势。这一研究结论与Roth等早期的研究结果都回应了对老年人进行力量训练的合理性的质疑［32］，虽然Roth 没有研究MSTN，但通过青年人和老年人的力量训练对比后发现，老年人的肌肉具有可比拟年轻人的可塑性。

不同MSTN 基因多态的人群对力量训练的反应有所差别。Ivey等的研究表明［33］，通过9 周的力量训练，那些携带不常见MSTN 等位基因变化的妇女力量增长的幅度比一般妇女高出68%。国内也有研究发现，汉族人群MSTN 基因AluⅠ酶切位点多态性与人体质量及瘦体质量相关，通过两个月的力量训练发现，该位点上等位基因T 为肌肉生长的先天敏感因子（AluⅠ位点片段由引物扩增后长度为135 bp，定义为A，经AluⅠ酶切后等位基因出现80、55bp片段，定义为T。）在受试者中，A／T 杂合子及T／T 纯合子的身高，训练前后的瘦体重以及肱二头肌和股四头肌的直径均高于A／A 纯合子（P＜0.05或P＜0.01）［34］。

2.4.3 MSTN 的化学试剂调控

MSTN 阻断剂是一类能够阻止MSTN 与其受体结合或阻断MSTN 信号传导过程的化学试剂。Bogdanovich对肌营养不良鼠进行3 个月的MSTN 阻断剂腹腔注射后发现［35］，阻断MSTN 可以迅速大幅提高肌肉质量、力量和体积。目前研究较多及效果较为显著的阻断剂是可溶性ActRⅡB［36］。MSTN 前肽也能抑制C 端二聚体与ActRⅡB 结合。Lee等使用克隆技术让小鼠过量表达前肽，结果发现转基因小鼠的肌肉质量、肌纤维数量、单束肌纤维直径分别较对照组提高了20%—110%，40%和21%［37］。

图2 MSTN 基因敲除小鼠（Mstn－／－F66）和野生小鼠（wild type）注射Follistatin后的骨骼肌变化

一些物质能与C 端形成复合物，使MSTN 丧失活性，拮抗MSTN 的功能。在这些MSTN 拮抗剂中，Follistatin、FLRG、生长分化因子关联血清蛋白－1的效果较为突出，尤其以Follistatin的增肌效果最为显著［38］。Follistatin是多数TGFβ 超家族成员的拮抗剂［39］。Lee 将Follistatin 导入MSTN 基因缺失的小鼠中，发现小鼠的肌肉质量是正常野生小鼠的四倍（图2），大大超过了MSTN 本身缺失造成的肌肉增长效应。这说明Follistatin除了通过MSTN 之外，还有其他途径控制肌肉增长或TGFβ信号传递还有其他不为人知的途径［40］。

MSTN 基因疫苗开发对治疗一些与肌萎缩相关的疾病有重要意义。Whittemore等对小鼠注射MSTN 单克隆抗体疫苗，发现小鼠股四头肌和腓肠肌质量分别增加了30%和23%［41］。国内唐量等给小鼠注射MSTN 自体疫苗，诱导小鼠产生特异性抗体，发现与对照组相比，免疫组小鼠平均体重增加了3.6%，其中股四头肌、腓肠肌和胸大肌重量分别增加了11.2%、3.2%和15.8%，而每束肌纤维平均细胞数无明显差别［42］。近年来，美国惠氏公司研制的MSTN 抗体新药MYO－029首次被应用于人体研究，其受试对象是122例多种类型的肌萎缩症患者［43－44］。结果表明，MYO－029虽然具有良好的安全性和耐受性，但不能让患者肌肉质量和力量产生显著变化。

3 小结

骨骼肌是人体的最大器官，约占总体重的40%。除运动外，骨骼肌还具有内分泌、免疫等功能，骨骼肌增减与诸多健康问题息息相关。MSTN 是体内重要的骨骼肌抑制剂，同时可以抑制脂肪堆积和血糖升高；MSTN 的信号传导途径主要有3条。现有研究表明，除了在胚胎期的MSTN 基因敲除和变异之外，还有两项因素对MSTN 有重要的抑制调控作用，一项是力量训练，不同形式的力量训练均能抑制MSTN 及其受体的表达，但效果有所差别；另一项则是化学试剂如MSTN 阻断剂、MSTN 拮抗剂、MSTN 抗体等。总体看来，多种类型的MSTN 抑制剂在动物实验中取得了明显的增肌效果，但对人类肌萎缩患者的首次MSTN 抗体实验并未取得理想效果。下一步研究应该继续完善对MSTN 信号传导途径的认识，并尝试使用不同剂量的其他抑制剂，或将不同的力量训练与化学试剂治疗相结合。

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