乙酰化_甲基化修饰与肌肉发育及分化研究进展

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2008年第6期新疆农垦科技

乙酰化、甲基化修饰与肌肉发育及分化研究进展

倪健宏，杨永林，白丁平

（新疆农垦科学院畜牧兽医研究所，新疆石河子832000）

摘要：肌细胞分化未开始时，细胞受到某些未知因子的调节，对染色体结构进行重塑，使部分区域成为转录活性区，相应的组蛋白修饰也变成具有激活转录的修饰形式，最终才使MRFs家族、MEF2家族发挥转录活性，启动肌肉特异基因表达，调控肌细胞分化、融合过程，说明这种表观修饰是早于生肌因子家族参与肌细胞分化的，是MRFs家族、MEF2家族发挥作用的重要前提。本文就目前关于乙酰化、甲基化参与肌细胞分化调控的研究做一总结。

关键词：肌细胞分化；组蛋白修饰；乙酰化甲基化修饰

中图分类号：S78文献标识码：A

文章编号：1001－361X（2008）06－0054－02

成肌细胞分化、融合为多核的肌纤维对最终形成具有生理、生化功能的肌肉组织具有重要的作用，此过程在体内发育和体外细胞水平都受到染色质重塑、组蛋白修饰和基因表达多个层次的严格调控来保证肌纤维的正常形成。以前的研究表明，MyoD可以调控肌细胞发育，能够启动一系列成肌细胞分化基因表达，进而促进与分化过程直接相关的Myogenin基因的转录而发挥作用，使成肌细胞融合成肌纤维这一过程顺利完成[1]。然而进一步研究发现，MyoD基因并不是在肌细胞启动分化时才开始表达，在此之前MyoD蛋白就一直存在于细胞中，并结合在肌肉特异基因的启动子区，但并不表现启动分化的作用，这种现象与以前所证实的MyoD调控细胞分化不相符合，提示可能有其它机制共同参与肌肉分化调控。在成纤维细胞和脂肪细胞过表达MyoD能使之激活并转化为成肌细胞，并向肌形成方向分化促使肌管的形成，说明MyoD可以调控细胞从一种状态转变到另一种状态，但这只是在体外环境下，强制性过表达某一基因引起的表型变化，并不能代表体内细胞正常发育分化过程，实际上在体内和细胞发生的改变可能十分复杂[2]。1染色质水平重塑调控肌细胞分化

肌肉细胞要完成分化过程，需要在全基因组水平上重新编程启动、维持新的基因表达模式，这种表达模式既需要抑制非肌肉基因的表达，也要选择性的激活能够促使肌肉分化进行的基因表达。

肌细胞分化之前，由于共抑制复合物结合于肌肉特异性基因启动子或增强子区抑制转录活性，在得到分化信号之后，要启动肌细胞分化过程，至少需经历2个关键的步骤。第1步必须去掉结合在该区域的负调控因子，如HDACs、赖氨酸甲基化转移酶，移去组蛋白上抑制修饰集团，如赖氨酸上的甲基；第2步必须募集到转录共激活因子，这2个过程是同时进行还是先后发生目前还不清楚。

2乙酰化与肌细胞分化

在肌肉细胞系的研究中发现，HATs和HDACs 对调控细胞特异性基因表达和细胞分化来说都是必需的，使细胞保持增殖和未分化状态，在没有细胞分裂素的情况下诱导细胞退出细胞周期，使成肌细胞分化融合成多核的肌纤维。基因序列预测发现，在人上至少有17种HDACs，依据其同源性和蛋白三维结构可以分为3类：HDACⅠ、HDACⅡ、HDACⅢ。HDACⅠ与MyoD因子结合可以抑制其活性，但不与MEF2结合。HDACⅡ中的（HDAC4、5、7和9）通过一段18-氨基酸的基序与所有的MEF2家族因子结合。HDACⅠ和HDACⅡ在成肌细胞中表达，可通过抑制MyoD和MEF2的活性阻止在未分化的细胞中激活它们的靶基因，只有在胞内信号的作用下才能使HDACⅠ、HDACⅡ失去与MyoD和MEF2的结合活性，这2种转录因子可以与HATs相互作用激活特异基因的表达，促进肌肉发育的继续进行[3]。

3甲基化与肌细胞分化

3.1Prmt4、Prmt5与肌细胞分化

PRMTs可以调控肌细胞分化，具有组蛋白精氨酸甲基化修饰活性的酶类，其中的Prmt4（Carm1）能

收稿日期：2008—10—06生物技术

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够调控肌细胞分化，ChIP实验分析，Prmt4和MEF2C 因子在细胞分化时共同结合于肌肉肌激激酶的启动子区，在Prmt4的表达被抑制进而该基因也不表达。Prmt4可以进行H3K4甲基化修饰调控雌激素介导的转录激活，Prmt4与包括SWI/SNF重塑复合物的复合体结合于雌激素诱导的启动子区进行作用。

Prmt5被证明在MyoD诱导的肌肉分化过程中是必需的，肌肉胞分化时，Prmt5和自身底H3R8都同时出现在分化细胞Myogenin的启动子区，降低Prmt5的表达水平，会导致Brg1ATPase－SWI/SNF 不能够与Myogenin的启动子区结合，使该区域的染质不能形成开放的结构，MyoD也不能结合在上面。Prmt5通过Brg1依赖的方式进行染色质重塑，激活特异基因的表达参与肌肉分化调节[4]。

3.2PcG、TrxG与肌细胞分化

PcG和TrxG之间以拮抗的方式建立和维持组织特异性基因的表达，PcG抑制基因的表达，而TrxG激活基因的表达，部分依赖于它们能够进行H3K9me3、H3K27me3修饰来起到抑制作用，进行H3K4me3修饰激活基因表达。对PcG（Ze）和TrxG （Ash1）都进行突变实验，检测到Hox基因的异位表达，说明TrxG可以做为抗抑制表达的蛋白复合物，使发育过程中的重要基因在特殊组织中的表达不被PcG抑制。

对TrxG复合中Ash2L基因研究时发现，在细胞分化早期MEF2结合于Myogenin的启动子区，而在分化晚期p38活性上调后，Ash2L才被募集到该区域，MEF2d和p38MAPK信号通路相互作用可以在肌肉特异基因的启动子区进行H3K4me3修饰。这种组蛋白修饰和p38依赖的ATPase－SWI/SNF启动子区核小体重塑共同使调节发育的基因大量表达[5]。

3.3Ezh2与肌细胞分化

Ezh2蛋白赋予PRC2和PRC3复合物HKMT 活性，从而可以抑制基因转录，Ezh2、YY1和HDAC1同时出现在沉默的肌肉特异基因组区，这与此区域H3K27的出现相一致。转录沉默时，Ezh2和H3K27同时存在2个肌肉特异基因的调控区，而当转录激活时Ezh2和H3K27减少，Ezh2在维持成肌细胞的增殖和未分化状态方面起作用。肌肉特异基因的激活可能分两步进行，YY1募集包含Ezh2、HDAC1复合物，通过H3K27、去乙酰化修饰使基因处于抑制状态，当基因被激活时，Ezh2、YY1和HDAC1与该区域脱离，相应的H3K27的修饰也减少，MyoD、SRF 被募集到该区域[6]。

4总结与展望

肌肉发育、分化一直被做为经典的发育模型被人们研究，大量与之相关的基因、信号通路逐渐被发现，揭示了基因调控发育的许多原理，但到目前为止仍不能在分子水平上给出清晰的解释，不仅因为肌肉发育是由多基因、多途径共同调控的，还包括表观修饰的作用，在调节肌肉发育也具有很重要的作用。

关于表观修饰调控个体、组织以及细胞发生的研究目前正在火热进行，与之相应的技术方法，如染色质免疫共沉淀、免疫共沉淀与基因芯片技术结合等，均以最快的速度得到更新和应用。表观修饰相关的酶、靶基因不断被发现，如最近发现的组蛋白去甲基化酶，它的发现改变了过去人们认为组蛋白的甲基化是长期存在的观点，但具体如何参与表观修饰还没有相关报道。值得一提的是表观修饰在医学领域的应用是人们最关注的热点，可以发明合适的药物定点改变特定基因表观修饰状态，激活或抑制基因的表达起到疾病冶疗的目的。总之，肌肉发育、分化的表观修饰过程涉及众多蛋白因子，多个步骤共同作用，表观修饰的研究有助于人们进一步认识肌肉发育和基因之间相互作用的复杂性，为最终揭示肌肉发育、分化的分子机理提供一种有效途径。

参考文献

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[2]Iain W.McKinnell,Jeff Ishibashi,Fabien Le Grand,et al.Pax7 activates myogenic genes by recruitment of a histone methyltransferasecomplex[J].NatureCellBiology,2008,10（1）:77-84。

[3]Timothy A McKinsey,Chun Li Zhang,Eric N Olson.Control of muscle development by dueling HATs and HDACs[J].Current Opinion in Genetics and Development,2001,11（5）:497-504. [4]Dacwag,C.S.,Ohkawa,Y.,Pal,S,et al.The protein arginine methyltransferase Prmt5is required for myogenesis because it facilitates ATP-dependent chromatin remodeling[J].Molecular and Cellular Biology,2007,27（1）:384-394.

[5]Rampalli,S.,Li,L.,Mak,E,et al.p38MAPK signaling regulates recruitment of Ash2L-containing methyltransferase complexes to specific genes during differentiation[J].Nature Structural and Molecular Biology,2007,14（12）:1150-1156. [6]Caretti,G.,Di Padova,M.,Micales,et al.methyltransferase regulates muscle gene expression and skeletal muscle differentiation.Genes and Development[J].2004,18（21）:2627-2638.

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