FoxO基因转录活性调控及其对肉品质的影响
2015-04-01郭月英程海星
王 乐,郭月英,程海星,张 静,任 霆,靳 烨
(内蒙古农业大学食品科学与工程学院,内蒙古呼和浩特 010018)
FoxO基因转录活性调控及其对肉品质的影响
王 乐,郭月英,程海星,张 静,任 霆,靳 烨*
(内蒙古农业大学食品科学与工程学院,内蒙古呼和浩特 010018)
FoxO是Fox(Forkhead Box)转录因子家族的一个亚族,是INS/IGF-1通路中关键的信号分子。FoxO1、FoxO3、FoxO4作为FoxO家族主要成员,通过多种方式调节骨骼肌的生长发育。FoxO转录因子调控靶基因的表达、细胞周期进程及程序化死亡,因此FoxO在成肌细胞增殖分化、肌纤维类型转化及脂肪沉积过程中发挥重要作用。本文综述了FoxO基因转录活性调节与骨骼肌发育的相关性,着重介绍FoxO与肉质相关基因的相互联系,以期为提高畜肉肉品质提供理论依据。
FoxO,转录活性,肉质
肉类是人类饮食中最重要的一类食物。肉类营养丰赡,味美,主要的营养价值是提供蛋白质、脂肪及一些矿物质和维生素。羊肉作为全世界普遍的肉品之一,肉质细嫩且具有多种营养价值。随着生活水平的逐渐提高,人们对于羊肉的要求也从量上升为质的追求。饲养方式、营养水、宰前、宰后处理均会对肉质产生不同程度的影响。同时,遗传因素的基因调控对肉质起着关键作用,肉质性状的变异和肉类产品的质量一定程度上是由动物的遗传物质决定的。所以,在控制其他肉质影响因素的基础上,从分子生物水平探究相关基因调控肉质的机理,将为改善肉质提供新的思路。
FoxO家族转录调节因子,作为INS/IGF-1(insulin/insulin-like growth factor 1)信号通路中的关键分子,FoxO家族的四个成员FoxO1、FoxO3、FoxO4和FoxO6,广泛存在于哺乳动物细胞中。现在已证明FoxO参与蛋白质的降解和合成,参与调节骨骼肌的生长发育,通过与 AMEK、mTORC1和NF-κB之间的相互作用来调节骨骼肌蛋白质含量的稳定[1]。同时,FoxO基因家族在成肌细胞增殖分化及肌纤维类型转化中发挥重要作用。因此,认定FoxO转录因子的表达调控对肉品质的提高有重要作用。
针对FoxO转录因子与骨骼肌生长及肉品质的相关性,已有大量研究,但是研究对象集中于猪、牛及鼠。因此,FoxO基因调控羊肉肉质机理有待进一步研究探讨。
1 FoxO家族基因简介
1989年,Weigel等在果蝇中发现了第1个Forkhead基因[2]。FoxO转录因子是Forkhead家族中研究最深入的O亚家族,现已确定FoxO蛋白及其各种结合物之间存在着物理的交互作用[1]。FoxO1、FoxO3、FoxO4和FoxO6是FoxO基因家族的四个成员,其中FoxO1、FoxO3和FoxO4参与调控骨骼肌的生长发育,FoxO6相关研究甚少。FoxO家族成员功能都与Insulin/PI3K/AKT信号通路有关。FoxO转录因子调控的下游靶基因功能广泛,涉及细胞凋亡、细胞周期、糖代谢、细胞分化、肌萎缩、氧化应激反应、稳态、抗衰老、肿瘤抑制等[3]。
1.1 FoxO基因的结构特点
Fox蛋白都有高度保守的DNA结合结构域,这些Fox DNA结合结构域的三维结构高度保守,十分像蝴蝶的形状,含有螺旋-环-螺旋(helix-loop-helix)结构,与两侧的环共同形成“翼状螺旋(winged-helix)”结构域[4]。FoxO与Fox其他家族的不同之处在于FoxO蛋白在第2和第3个α-螺旋之间有5个氨基酸的插入(SNSSA),所以FoxO基因高度保守。FoxO的氨基酸序列中具有3个高度保守区,包含PKB磷酸化基序。第一个磷酸化基序位于起始密码子之后,第2个磷酸化基序位于Fox区,第3个紧随Forkhead区[5]。
1.2 FoxO转录活性对骨骼肌发育的调控
大量研究证实,FoxO蛋白的表达直接影响骨骼肌的生长发育,还间接调控其它肌肉发育相关基因的表达,从而调节骨骼肌的正常发育模式。在禁食期间骨骼肌中FoxO1调节碳水化合物分解来提供能量,导致骨骼肌的萎缩和胰岛素抵抗[6]。敲除小鼠FoxO3和FoxO4基因,发现小鼠表现出严重的肌肉再生缺陷[7]。Kamei Y等人研究发现,骨骼肌FoxO1转基因小鼠表现为肌肉萎缩,质量减轻,体重减轻,骨骼肌体积与对照组比较缩小,肌肉颜色苍白、干燥[8]。肌肉发生萎缩基本上都涉及到上调肌肉特定的 atrogin-1和MuRF1基因,野生型且成型活化的FoxO3过度表达能提高 atrogin-1和MuRF1启动子的活性及mRNA的表达[9]。哺乳动物雷帕霉素靶蛋白复合物1(mTORC1)信号活化能够引起骨骼肌肥大,FoxO可以下调 mTORC1信号,调节骨骼肌蛋白质含量[1]。在哺乳动物的非肌细胞中,FoxO1活化间接激活AMPK,研究发现AMPK活性与肌糖原、己糖激酶、乳酸、肉的色泽、剪切力和熟肉率具有相关性,进而影响肉羊宰后肌肉品质[10-11]。转录因子FoxO与NF-κB在骨骼肌发生损耗时被激活,并且足以引起因肌肉停用而产生的肌萎缩。通过联合抑制FoxO与NF-κB的转录活性会对肌肉萎缩基因表达产生影响[12]。在小鼠成肌细胞中,Foxo3在核质移位过程中抑制SAPKS酶,并且通过激活泛素连接酶Atrogin-1的表达在肌肉萎缩过程中发挥重要作用[13]。同时,FoxO在调控细胞周期进程及细胞凋亡过程中发挥重要作用。FoxO转录因子阻止细胞进入细胞周期,这一过程是通过调控整个细胞周期介质进行的。cyclinG2能阻止细胞周期的进程,有活性的FoxO会直接结合cyclinG2启动子增加其表达,可以推断FoxO与cyclin G2在细胞周期的G0期有着密切的联系[14]。FoxO对细胞凋亡的调控,主要通过FasL和Bim途径。在细胞核内FoxO转录因子可介导促凋亡蛋白Bim、Fas配体及死亡受体配体的表达,进而导致细胞凋亡[15]。
FoxO的转录活性调控还包括翻译后修饰调控,如磷酸化、乙酰化和泛素化修饰等。这一系列的翻译后修饰会影响FoxO转录因子在细胞内的定位、稳定性及DNA结合能力,从而影响FoxO蛋白的功能。
FoxO被证实有多个苏氨酸和丝氨酸磷酸化位点[16]。生长因子失活时,FoxO位于核内,处于去磷酸化状态;生长因子被激活时,FoxO被磷酸化,由细胞核转出到细胞质中而失活。哺乳动物在禁食、饥饿、胰岛素缺乏或胰岛素抵抗时,体内FoxO脱磷酸化,由细胞质转运至核内[5]。骨骼肌 FoxO核定位和转录活性受到 IGF-1/PI3K/PKB信号和应激活化蛋白激酶的抑制[17]。在骨骼肌中,FoxO参与肌细胞融合及能量代谢调节等细胞进程[18]。
反应原件结合蛋白(CBP)和p300蛋白(CBP300)是组蛋白乙酰转移酶,在叉形头DNA结合域区能直接绑定和乙酰化FoxO,减小它与靶基因相互作用的能力[1]。Chamberlaince用地塞米松处理培养肌管,结果细胞水平的乙酰化 FoxO1和FoxO3大量增长[19],表明FoxO的可逆乙酰化调节细胞的新陈代谢。
此外,FoxO可依赖于Akt信号通路的泛素化修饰。在稳定表达Akt的前B淋巴细胞中,FoxO1和FoxO3的泛素化水平升高,并导致FoxO1和FoxO3的蛋白水平降低[20]。FoxO3可能通过多种方式激活泛素连接酶MuRF-1,敲除MuRF-1基因导致FoxO3失去激活作用[21]。
因此,FoxO可通过多种信号途径调控细胞周期及凋亡。伴随FoxO的磷酸化去磷酸化、可逆乙酰化及泛素化,与DNA的解离与结合,可以关闭或启动某些基因的表达。在不同条件下,FoxO可以诱导产生不同的生理反应。
2 FoxO与肉品质相关性的研究进展
FoxO转录因子在肌肉干细胞分化过程中起重要的调控作用。FoxO1是FoxO所有的亚型中最主要的调控因子,它在骨骼肌、肝脏、胰腺、白色脂肪和棕色脂肪以及下丘脑中表达极其显著,并参与这些组织调控进而影响能量代谢[1]。同时,FoxO1是决定肌纤维类型的重要调控因子,它与FoxO3、FoxO4共同作用,能负调控骨骼肌的生成并对肌纤维类型基因的表达有调控作用,而肌纤维类型则直接影响肌肉色泽、嫩度和肌内脂肪含量。因此,FoxO家族可作为优秀的肉质候选基因。
近年来,国内外有大量关于FoxO1对猪、鼠和牛骨骼肌生长调控的研究,为我们后续研究FoxO1如何调控肉羊骨骼肌生长发育提供大量依据。研究显示,FoxO基因调控与MyHC(肌球蛋白重链基因)、MRFs(生肌调节因子)及MSTN(肌肉抑制生长素)存在密切联系,但调控机理尚未明确。
2.1 FoxO调控MyHC影响肉品质
肌球蛋白重链(MyHC)是肌肉收缩的主要功能蛋白,它的基因表达是肌肉纤维类型划分的主要分子标记。肌球蛋白重链基因(MyHC)四种异构体由MyHCⅠ、MyHCⅡa、MyHCⅡb和 MyHCⅡx组成,分别控制四种对应类型的肌纤维。纤维直径、纤维数目与纤维类型是反映肌肉纤维特性的三个指标,前两者是决定肌肉产量的主要因素,纤维类型与肉质性状的品种差异、劣质肉品形成密切相关不同类型肌纤维的生长具有特异性,对肉品质有重要的影响[22]。王玲等对牛进行基因表达量与性状相关性分析表明:FoxO1基因与肌纤维面积呈显著负相关;FoxO3基因表达量与肌纤维密度、肌纤维面积、肌纤维直径显著相关;FoxO4基因表达量与肌纤维直径和肌纤维面积呈显著负相关[23],由此推断FoxO1、FoxO3和FoxO4通过调控肌纤维性状对肉品质产生影响。MyHCⅠ基因控制表达的慢速氧化型肌纤维有助于增加肌肉的嫩度和多汁性,史新娥等成功构建了猪FoxO1基因shRNA干扰慢病毒载体,结果显示沉默 FoxO1促进猪成肌细胞中MyHCⅠmRNA的表达,即FoxO1负调控骨骼肌的量和Ⅰ型肌纤维基因的表达[24]。
2.2 FoxO调控MRFs影响肉品质
肌肉调节因子(MRFs)基因是控制骨骼肌生成的关键调节因子,编码4种肌肉特异性转录因子,分别是MyoD、MyoG、Myf5和Myf6。FoxO主要对MyoD和MyoG有调控作用。生肌决定因子(MyoD)对骨骼肌的形成和分化起主要作用,MyoD缺失可导致成肌细胞的增殖和分化无法进行。MyoG是唯一在所有骨骼肌细胞系中均可表达的基因,它正调控着骨骼肌卫星细胞向成熟肌细胞分化的过程,是唯一不可代替的生肌调节因子[25]。研究表明,FoxO3通过直接调控MyoD的表达参与肌肉干细胞的命运决定[26]。Allen等研究了FoxO1在大鼠、小鼠和C2C12细胞系(成肌细胞细胞系)中的表达变化,揭示FoxO1可能通过抑制MyoD表达来负调控骨骼肌的形成和发育,结果显示,FoxO1负调控骨骼肌的量,阻碍骨骼肌生理功能的发挥[27]。杨燕军等研究显示,在不同经济类型猪品种肌肉组织中,FoxO1和MyoD基因mRNA的表达在肌肉发育中存在负相关,推测FoxO1在肌肉组织中的上调作用是造成MyoD基因mRNA表达降低的原因之一,进而抑制肌肉的发育和骨骼肌的量[28]。史新娥等研究显示,FoxO1可能通过下调MyoD和MefZC抑制猪成肌细胞增殖与分化,通过NFAT和MefZC调控肌纤维类型[29]。之后,史新娥等用渥曼青霉素(wortmannin,WM)阻断PI3K信号通路,结果显示,去磷酸化的FoxO1抑制了猪骨骼肌卫星细胞的分化,使肌管形成延迟,并导致分化标志基因 MyoD、MyoG的表达下降[30]。Kitamura T等人的研究也发现,在骨骼肌中敲除FoxO1基因后,MyoD基因的表达会增加,并且肌纤维组成发生变化[31]。
2.3 FoxO调控MSTN影响肉品质
肌肉生长抑制素(MSTN)是一类重要的肌细胞分化负调控因子,它通过抑制MyoD家族成员转录活性负调控肌细胞的生长发育和分化。抑制MSTN基因的表达,使动物的肌肉量增加,获得胴体瘦肉率高的动物。在鼠MSTN启动子上也发现了一些FoxO盒,如FoxO3和FoxO4在骨骼肌内均表达,表明FoxO可激活MSTN启动子的活性[32]。FoxO1通过增强MSTN的表达而抑制肌肉生成,导致肌肉萎缩。用C2C12成肌细胞研究表明,在MSTN基因的启动子区含有FoxO1的结合位点,FoxO1诱导MSTN基因表达是通过与FoxO1结合位点相作用,活化MSTN启动子。而将启动子的FoxO1结合位点进行突变,则MSTN的转录活性明显降低,从而降低MSTN对成肌细胞增殖的抑制作用[27-28]。
此外,在对猪的研究中发现FoxO1在成脂细胞分化过程中发挥重要作用,FoxO1的表达水平与脂肪沉积速率存在显著正相关[33]。高脂喂养诱导的肥胖小鼠,FoxO1的表达与活性均显著升高[34]。表明FoxO1可能是成脂细胞分化过程的重要调控因子。小鼠在进食状态下肝脏中的FoxO6活性维持在一个较低的基础水平,而禁食可以显著诱导产生FoxO6。喂养的肥胖或者2型糖尿病(T2D)小鼠肝脏中的FoxO6活性异常升高[35]。表明FoxO6可能是动物体内参与肝脏胰岛素及葡萄糖代谢过程中的一个重要调节因素,推断其可能与动物肥胖有关,但相关研究还甚少。 因此,FoxO是调控肌肉生长发育和肉品质的潜在调节因子。
3 展望与小结
转录因子FoxO在动物的生长发育、细胞周期调节等方面都有重要的作用。FoxO基因不仅参与骨骼肌和脂肪组织的代谢调控,而且抑制成肌细胞和前脂肪细胞的分化。羊肉因其肉质细嫩、味道鲜美、低胆固醇、高蛋白、人体必需的氨基酸丰富而深受广大消费者的青睐。在现代肉羊生产中,肉羊肌肉和脂肪的生长直接关系到肉的产量与质量。目前,针对羊FoxO基因的研究极少,所以,研究羊肉品质与FoxO基因的相关性具有重要意义。
FoxO转录因子存在多种调控方式,与MyHC、MRFs及MSTN等肉质性状基因及其蛋白的表达密切相关,随着国内外对其相互作用机制的深入研究,几类基因如何共同影响肉品质的机理也将明确。因此,对FoxO基因表达量、蛋白表达量及基因的多态性进行系统研究,并建立与嫩度、肌内脂肪含量、熟肉率、pH、色泽等肉质性状的相关性,进一步在分子水平探讨FoxO的转录调节机制,将为肉质性状的改善提供更科学的依据和更为广阔的思路。
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Regulation of the FoxO transcriptional activityand the affection to meat quality
WANG Le,GUO Yue-ying,CHENG Hai-xing,ZHANG Jing,REN Ting,JIN Ye*
(College of Food Science of Engineering,Inner Mongolia Agricultural University,Hohhot 010018,China)
FoxO is a subfamily of the Fox(Forkhead Box)family of transcription factors,which is a key signal molecule in INS/IGF-1 pathway. The main members of FoxO subfamily are FoxO1,FoxO3 and FoxO4,which regulate skeletal muscle development through various pathways. FoxO is a crucial regulatory factor during target gene expression,process of cell cycle and apoptosis,so FoxO plays an important role in myoblast proliferation and differentiation,the transformation of muscle fiber type,and fat deposition. In this paper,latest advances in correlation of skeletal muscle development and FoxO transcriptional activity were reviewed. The interrelation between FoxO and genes related to meat quality was highlighted,with the purpose of offering theoretic reference for improvement of meat quality.
FoxO;transcriptional activity;meat quality
2014-10-23
王乐(1990-),女,研究生在读,研究方向:肉品科学。
*通讯作者:靳烨(1964-),男,博士,教授,研究方向:畜产品安全生产。
国家自然基金项目(31160330、31360393)。
TS201.1
A
1002-0306(2015)13-0393-04
10.13386/j.issn1002-0306.2015.13.075