FoxO1调控猪骨骼肌纤维类型分化的作用及分子机理

【摘要】：动物体重的40%~60%为骨骼肌,骨骼肌由大量功能不同的肌纤维组成。我国猪肉生产和消费在世界名列前茅,随着生活水平的不断提高,人们对猪肉品质的要求也愈来愈高。猪肉肌纤维的组成比例和数量直接影响着肉品质。国内外相关研究结果表明I型肌纤维含量高的猪肉,肉质优良,鲜嫩多汁,口味极佳。肌肉纤维有可塑性,各类型之间可以转化,这就为通过分子生物学技术提高猪肉中I型肌纤维的比例,改善猪肉品质提供了可能性。目前,国内外关于猪肌纤维类型的研究主要是比较不同品种猪肌纤维类型分布的差异或者通过营养调节、运动等改变其不同肌纤维的组成比例。调控肌纤维类型的分子机理局限于以斑马鱼、大鼠和小鼠的胚胎期研究。以猪为模式动物,骨骼肌卫星细胞为材料探讨关键基因调控肌纤维类型分化的分子机制还很少看到。另外研究发现FoxO1基因转基因小鼠肌肉发白,这提示FoxO1可能与肌纤维类型有关。因此,本研究选用1~3日健康大白猪和180日龄大白猪,采用免疫组织化学、免疫荧光、real-time RT-PCR、Western blotting和sh RNA干扰等方法,研究了FoxO1在猪骨骼肌卫星细胞向不同类型肌纤维分化中的作用及分子机理。获得了以下主要创新性结果: 1、FoxO1磷酸化蛋白与MyHC I正相关,MyHC IIx和MyHC IIb负相关。与趾长伸肌相比,猪比目鱼肌颜色红,MyHC I和MyHC IIa mRNAs表达量高,而MyHC IIx and MyHC IIb表达量低,FoxO1mRNA水平高,而FoxO1磷酸化水平低。相关性分析结果显示,FoxO1磷酸化蛋白与MyHCI正相关而与MyHC IIx和MyHC IIb负相关。 2、激活FoxO1抑制猪骨骼肌卫星分化,同时降低了I型肌纤维的比例。渥曼青霉素(wortmannin,WM)能使FoxO1去磷酸化,抑制猪骨骼肌卫星细胞分化标志基因MyoD、MyoG和MyHC的表达,同时降低MyHCI和MyHCIIa占总MyHC的量,提高MyHCIIb在MyHC中的比例,而MyHCIIx的表达量未受影响。另外氧化肌纤维相关基因活化T细胞核因子(nuclear factor of activated T cells,NFAT)mRNA水平也没有发生变化。但是另一个氧化肌纤维相关基因肌细胞增强因子-2(myocyte enhancer factor-2,MEF2)mRNA表达量显著降低。这说明WM对肌纤维类型组成的影响可能是通过MEF2而不是NFAT来实现的。 3、干扰FoxO1促进猪骨骼肌卫星细胞分化及氧化肌纤维的形成。成功构建了慢病毒介导的shRNA干扰FoxO1载体,并有效抑制了FoxO1在猪骨骼肌卫星细胞中的表达。干扰FoxO1后,成肌分化标志基因MyoD、MyoG和MyHC的表达显著升高,MyHCI和MyHCIIa占总MyHC的量增加,MyHCIIb在MyHC中的比例降低,而MyHCIIx的表达量也未受影响。另外氧化肌纤维相关基因NFATmRNA水平没有变化,而MEF2C显著升高。这同样说明FoxO1对肌纤维类型组成的影响可能是通过MEF2而不是NFAT来实现的。 4、FoxO1通过调控神经钙蛋白(Calicineurinm, CaN)/NFAT信号通路影响猪骨骼肌卫星细胞分化及肌纤维类型的组成。CsA能有效阻断CaN的酶活性,抑制猪骨骼肌卫星细胞的分化,降低MyHCI、MyHCIIa mRNA的表达水平,同时提高了MyHCIIb mRNA的表达水平;干扰FoxO1削弱了阻断CaN对肌纤维类型的影响;干扰FoxO1激活了CaN的活性,增加了NFAT直接靶点MCIP1.4的表达。这些结果表明,FoxO1通过抑制CaN/NFAT信号通路抑制氧化型肌纤维的形成。 以上研究结果表明,FoxO1抑制猪骨骼肌卫星细胞分化及I型肌纤维的比例;FoxO1通过抑制CaN/NFAT或者CaN/MEF2信号通路负调控I型肌纤维的表达。