MYH3 基因在主要模式動(dòng)物和畜禽中的研究進(jìn)展

楊博華，湯嘉玉，張心怡，汪志聰，宋貴兵，昝林森,2，王洪寶,2*

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院，陜西楊凌 712100；2 國(guó)家肉牛改良中心，陜西楊凌 712100）

肌球蛋白由2 個(gè)肌球蛋白重鏈（Myosin Heavy Chain）和4 個(gè)肌球蛋白輕鏈（Myosin Light Chain）組成，可以通過(guò)水解ATP 將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，與肌動(dòng)蛋白等協(xié)作完成肌肉的收縮過(guò)程[1]，是肌肉組織的重要組成部分。肌球蛋白重鏈由MYH基因家族進(jìn)行調(diào)控，其與肌肉收縮速度有關(guān)[2]。哺乳動(dòng)物至少有10 種肌球蛋白重鏈亞型[3]，不同亞型的肌球蛋白重鏈會(huì)對(duì)肌肉剪切力、肌內(nèi)脂肪含量造成不同的影響[4]。

20 世紀(jì)80 年代，科學(xué)家在研究中發(fā)現(xiàn)一種肌球蛋白重鏈基因主要在胚胎期肌肉發(fā)育過(guò)程中表達(dá)，并將其命名為胚胎期肌球蛋白重鏈基因[5-6]，即肌球蛋白重鏈3（Myosin Heavy Chain 3，MYH3）。隨后的研究均顯示MYH3對(duì)肌肉的分化和再生有不可忽視的作用，其在骨骼、脂肪發(fā)育中同樣發(fā)揮調(diào)控作用[7-10]。本文綜述了MYH3的發(fā)現(xiàn)過(guò)程、基因信息及其在模式動(dòng)物和主要畜禽中的研究進(jìn)展，旨在為相關(guān)研究工作提供思路。

1 MYH3 基因的基本信息

1985 年，Strehler 等[5]從大鼠的DNA 文庫(kù)中克隆出一些含有肌球蛋白重鏈序列的基因組片段，提取出一段長(zhǎng)度約為4 kb 的DNA，并將其稱為胚胎期肌球蛋白重鏈基因。隨后Karsch 等[6]在1989 年對(duì)胚胎期肌球蛋白重鏈基因進(jìn)行了更深入的研究，通過(guò)構(gòu)建不同發(fā)育階段的人肌細(xì)胞的cDNA 文庫(kù)，使用DNA 探針進(jìn)行分子雜交，結(jié)果顯示這種肌球蛋白重鏈基因主要在胚胎時(shí)期表達(dá)，在妊娠后期逐漸減少，出生后胚胎期肌球蛋白重鏈基因的表達(dá)標(biāo)志著肌肉的發(fā)育和再生。這些研究中所提及的胚胎期肌球蛋白重鏈基因即為MYH3。

MYH3基因是MYH基因家族的一員，以人為例，MYH3基因位于人的第17 號(hào)染色體上，mRNA 長(zhǎng)度為6 032 bp，CDS序列位于89～5 911 bp，共翻譯1 941個(gè)氨基酸。不同物種中，MYH3基因的位置及mRNA長(zhǎng)度均存在差異（表1）。

表1 不同物種MYH3 基因的信息

使用NCBI 的Blast 功能將人、小鼠、大鼠、牛、豬、狗、雙峰駝的MYH3的CDS 序列及其編碼的氨基酸序列以兩兩對(duì)比的方式進(jìn)行同源性分析發(fā)現(xiàn)，在CDS 序列上，大鼠和小鼠的同源性最高（95%），小鼠和狗的同源性最低（89%）。在蛋白質(zhì)水平上，各物種間的同源性都較高，均達(dá)到97%以上（圖1）?？梢?jiàn)，MYH3基因在不同物種間的氨基酸同源性較CDS 同源性的分散度較小，各物種間的同源性高且集中。這可能是由于密碼子的兼并性導(dǎo)致CDS 序列雖有一定差異，但表達(dá)的蛋白序列差異不大。正是由于各物種間MYH3基因的高度同源性，可以推測(cè)其在動(dòng)物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中起到不可或缺的作用。

圖1 各物種間MYH3 基因在CDS 序列及氨基酸序列的同源性比較

2 MYH3 基因在模式動(dòng)物上的研究

MYH3現(xiàn)已被用作檢測(cè)肌肉發(fā)育和肌細(xì)胞分化的重要標(biāo)志基因[7]，針對(duì)MYH3的研究也多集中于肌肉分化和再生的過(guò)程，當(dāng)MYH3表達(dá)量下調(diào)時(shí)，肌細(xì)胞內(nèi)肌管數(shù)量下降，肌管功能受到影響；當(dāng)肌肉分化再生時(shí)，MYH3表達(dá)量顯著上升[8-9]。也有研究證實(shí)MYH3參與骨骼發(fā)育，尤其在軟骨的成骨過(guò)程中發(fā)揮作用[10]。

2.1MYH3基因在斑馬魚上的研究MYH3在斑馬魚上的研究較少。Whittle 等[11]以斑馬魚為模型研究遠(yuǎn)端關(guān)節(jié)畸變的過(guò)程，發(fā)現(xiàn)攜帶MYH3錯(cuò)義突變的斑馬魚樣本肌細(xì)胞分化進(jìn)程減緩，成年后肌肉纖維顯著縮短，并且使肌肉長(zhǎng)期機(jī)械性收縮，表現(xiàn)出脊柱側(cè)彎和椎骨融合。

2.2MYH3基因在小鼠上的研究MYH3在小鼠上的研究較為全面，MYH3可以影響小鼠肌肉的分化和再生過(guò)程。Sala 等[8]在研究Stat3-Fam3a 軸影響線粒體呼吸作用進(jìn)而促進(jìn)肌肉分化的實(shí)驗(yàn)中，使用CRISPR/Cas9 基因編輯技術(shù)敲除了實(shí)驗(yàn)組小鼠的Fam3a基因，結(jié)果顯示與對(duì)照組相比，實(shí)驗(yàn)組小鼠的MYH3基因表達(dá)量降低，肌肉分化進(jìn)程變緩，后肢肌肉明顯減少。

Mari 等[7]在研究GGA1（Golgi Associated,Gamma Adaptin Ear Containing，ARF Binding Protein 1，γ-銜接蛋白相關(guān)蛋白1）對(duì)小鼠成肌細(xì)胞影響的實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)GGA1干擾組的MYH3表達(dá)量顯著下調(diào)，大型肌管數(shù)量減少，肌管生成數(shù)量減少。Li 等[9]對(duì)正常小鼠、mdx 小鼠以及使用心臟毒素（Cardiotoxin，CTX）處理的小鼠進(jìn)行研究，檢測(cè)mdx 小鼠和注射CTX 后3、7、10 d 相關(guān)基因的表達(dá)量，發(fā)現(xiàn)MYH3基因在mdx 小鼠和CTX 處理組小鼠的肌肉再生過(guò)程中表達(dá)量上調(diào)。

2.3MYH3在人上的研究MYH3在人方面的研究更加全面，MYH3不僅可以影響肌細(xì)胞增殖與分化，還可以改變肌肉組織功能進(jìn)而產(chǎn)生相關(guān)疾病，并且可以影響成骨過(guò)程。

MYH3基因表達(dá)的肌球蛋白是一種高度保守的蛋白質(zhì)。作為動(dòng)物體內(nèi)主要起收縮作用的蛋白，肌球蛋白可引起骨骼肌收縮[1]，并可與肌動(dòng)蛋白結(jié)合蛋白等維持細(xì)胞骨架的穩(wěn)定性[12]。肌球蛋白還能夠在胞質(zhì)流動(dòng)、物質(zhì)運(yùn)輸、肌肉收縮等多種生理活動(dòng)中發(fā)揮重要作用[13]。MYH3基因發(fā)生突變后，在大分子層面，可能影響MYH3基因表達(dá)出的蛋白結(jié)合水解ATP 的能力，進(jìn)而影響肌球蛋白向細(xì)胞骨架上施壓以及維持細(xì)胞骨架形態(tài)穩(wěn)定的能力；在小分子層面，將引起MYH3 蛋白在細(xì)胞內(nèi)的分布情況以及改變與胞內(nèi)其他蛋白的互作，并可能影響細(xì)胞的極性形成[10]。

MYH3基因突變會(huì)使肌肉的功能發(fā)生改變，進(jìn)而導(dǎo)致多種疾病產(chǎn)生[1]。Hundley 等[2]研究發(fā)現(xiàn)，MYH3表達(dá)量下降導(dǎo)致肌肉功能改變，進(jìn)而引發(fā)女性盆腔臟器脫落癥。Toydemir 等[1]在對(duì)兒童的Freeman-Sheldon綜合征和Sheldon-Hall 綜合征的研究發(fā)現(xiàn)，MYH3突變會(huì)導(dǎo)致蛋白錯(cuò)誤折疊，進(jìn)而影響肌球蛋白的結(jié)構(gòu)和功能；此外，MYH3表達(dá)量在出生后期會(huì)迅速下降，并逐漸被其他MYH 家族基因代替。

MYH3對(duì)骨骼的發(fā)育也具有一定作用。邵為[10]通過(guò)體外培養(yǎng)人臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞，誘導(dǎo)成骨/成軟骨分化，觀察MYH3基因在干細(xì)胞成骨/成軟骨分化過(guò)程的表達(dá)情況與規(guī)律，結(jié)果表明MYH3基因參與骨的生成，尤其是軟骨的成骨過(guò)程，推測(cè)其可能參與成骨相關(guān)基因的表達(dá)調(diào)控，進(jìn)而影響骨的生成。

3 MYH3 基因在主要畜禽中的研究

對(duì)于MYH3的研究主要集中在豬和牛上[14-16]，在羊、家禽等其他農(nóng)業(yè)動(dòng)物上的研究較少?，F(xiàn)有研究表明MYH3參與牛和豬細(xì)胞內(nèi)肌管及肌內(nèi)脂肪形成，且多個(gè)MYH3的多態(tài)位點(diǎn)可顯著影響牛和豬的生長(zhǎng)性狀和肉品質(zhì)性狀[15-17]。因此，MYH3基因可被視為改善農(nóng)業(yè)動(dòng)物肉品質(zhì)性狀的重要候選基因。

3.1MYH3基因在豬上的研究 秦一禾[16]進(jìn)行肌內(nèi)脂肪含量性狀相關(guān)的全基因組關(guān)聯(lián)分析，在篩選出的6 833 個(gè)與肌內(nèi)脂肪含量相關(guān)的SNP 位點(diǎn)中，一些位于豬12 號(hào)染色體的MYH3內(nèi)的SNP 位點(diǎn)與豬肉脂肪含量存在一定關(guān)聯(lián)，并在保證肌細(xì)胞正常工作中發(fā)揮重要作用。Xiong 等[17]對(duì)中國(guó)萊蕪豬進(jìn)行與肉品質(zhì)相關(guān)的全基因組關(guān)聯(lián)分析，發(fā)現(xiàn)MYH1、MYH2、MYH3、MYH13等多個(gè)連鎖的MYH基因家族與肌肉發(fā)育和豬肉品質(zhì)有關(guān)。Cho 等[18]檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，在最長(zhǎng)肌和股四頭肌區(qū)域，韓國(guó)本土黑豬和長(zhǎng)白豬之間的MYH3轉(zhuǎn)錄水平存在顯著差異，而這兩個(gè)區(qū)域的其他基因在轉(zhuǎn)錄水平上并不存在任何顯著差異。Luo 等[19]對(duì)與豬肉質(zhì)相關(guān)的關(guān)聯(lián)分析發(fā)現(xiàn)，位于12 號(hào)染色體上的MYH3基因內(nèi)的一些SNP 位點(diǎn)與豬肉肉質(zhì)顯著相關(guān)，因此MYH3是可作為改善豬肉肉質(zhì)的重要候選基因。

最新研究表明，MYH3在肌內(nèi)脂肪形成的過(guò)程中也發(fā)揮著重要作用[18,20]。Cho 等[18]對(duì)韓國(guó)本土黑豬和長(zhǎng)白豬的雜交后代進(jìn)行QTL 分析發(fā)現(xiàn)，MYH3存在于豬的12 號(hào)染色體上一段488.1 kb 與肌內(nèi)脂肪和肉色相關(guān)的區(qū)域內(nèi)。Cho 等[18]對(duì)韓國(guó)本土黑豬和長(zhǎng)白豬MYH3基因的5'側(cè)翼序列進(jìn)行Sanger 測(cè)序，發(fā)現(xiàn)韓國(guó)本土黑豬MYH3的側(cè)翼序列與長(zhǎng)白豬相比存在6 bp 的缺失；通過(guò)共轉(zhuǎn)染實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)這一區(qū)域可以與4 種成肌調(diào)節(jié)因子（MYOD、MYOG、MYF5 和MRF4）結(jié)合進(jìn)而抑制MYH3表達(dá)，這6 bp 的缺失會(huì)影響4 種成肌調(diào)節(jié)因子的結(jié)合效率，進(jìn)而促進(jìn)MYH3的表達(dá)，分析發(fā)現(xiàn)存在6 bp 缺失的MYH3變異體可被視為影響豬肉肌內(nèi)脂肪含量和肉品質(zhì)的多效變異體。同時(shí)MYH3在股四頭肌骨骼肌中過(guò)表達(dá)，肌細(xì)胞內(nèi)三酰甘油（TAG）和游離脂肪酸（FFAs）的含量隨之增加，這可能是因?yàn)楦嗦偌±w維的形成導(dǎo)致肌內(nèi)脂肪含量增加[18]。Cho 等[18]的研究證實(shí)MYH3是影響豬肌纖維類型及IMF 生成的關(guān)鍵基因。

3.2MYH3基因在牛上的研究 Wang 等[15]采用PCRRFLP 技術(shù)對(duì)MYH3基因上檢測(cè)到的8 個(gè)SNPs 位點(diǎn)進(jìn)行分型統(tǒng)計(jì)，然后與表型性狀關(guān)聯(lián)分析，發(fā)現(xiàn)這些位點(diǎn)能夠顯著影響中國(guó)秦川牛的生長(zhǎng)和屠宰性狀，其中T2010C 位點(diǎn)的基因型對(duì)體高和胴體重量有顯著影響，C7315T 位點(diǎn)的基因型對(duì)屠宰體重有顯著影響。Zhang 等[21]研究表明，去勢(shì)與不去勢(shì)秦川牛 2 組樣本MYH3基因表達(dá)量存在差異，可能是造成去勢(shì)牛和正常牛之間肌纖維特性差異的主要基因之一。覃海等[22]利用熒光定量PCR 對(duì)關(guān)嶺牛不同發(fā)育階段的部分組織的MYH3的表達(dá)規(guī)律進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)MYH3表達(dá)量隨著胎兒出生的時(shí)間表現(xiàn)出上升趨勢(shì)，推測(cè)其與肌肉的生長(zhǎng)發(fā)育存在一定關(guān)系。Zhao 等[23]研究發(fā)現(xiàn)MYH3基因與牛肉嫩度呈正相關(guān)，MYH3基因在肌肉重塑的過(guò)程中表達(dá)，從而推測(cè)肌球蛋白重鏈在死后仍有水解活性，可將肌肉重塑，進(jìn)而改變肌肉的嫩度。

MYH3在羊方面的研究很少，在家禽方面的研究也十分欠缺，目前只有一些MYH基因家族在羊和家禽方面的初步研究。MYH基因家族與幼齡山羊的肌肉組成、抗氧化、抗寒能力及肌纖維的發(fā)育性變化規(guī)律相關(guān)，可以影響骨骼肌的彈性和力量，進(jìn)而對(duì)外界環(huán)境的改變進(jìn)行適應(yīng)[24]。MYH家族在不同羊品種之間存在表達(dá)差異，有望成為影響肉品質(zhì)的重要分子標(biāo)記[25-26]。MYH基因在家禽的胚胎期15～19 d 持續(xù)表達(dá)，且隨著肌肉的生長(zhǎng)發(fā)育，表達(dá)的蛋白亞型有所不同[27-28]。MYH家族對(duì)家禽肌肉發(fā)育具有重要的調(diào)控作用，其表達(dá)的肌球蛋白重鏈與胸肌的生長(zhǎng)速度顯著相關(guān)[29]，有望成為改良家禽肉品質(zhì)的重要基因之一。

4 總結(jié)與展望

綜上，MYH3基因主要控制肌肉的分化過(guò)程，并在肌細(xì)胞的發(fā)育與再生過(guò)程中起重要作用。除此之外，對(duì)MYH3基因在肌內(nèi)脂肪形成、骨骼發(fā)育、疾病產(chǎn)生過(guò)程中所起作用的研究也在逐步開(kāi)展。但對(duì)MYH3的研究不夠深入，對(duì)其調(diào)控通路、作用途徑等方面的研究明顯不足，仍需進(jìn)一步全面探索。

隨著生活水平的逐年提高，人們對(duì)農(nóng)業(yè)動(dòng)物產(chǎn)品質(zhì)量提出了更高的要求。肉質(zhì)性狀受遺傳調(diào)控的影響較大，若能通過(guò)遺傳育種手段，加快動(dòng)物的肌肉生長(zhǎng)速度，提高脂肪沉積效率對(duì)于生產(chǎn)有很大的意義。MYH3已被證實(shí)對(duì)嫩度和肌內(nèi)脂肪含量等肉質(zhì)性狀有調(diào)控作用，因此MYH3基因可作為研究加快動(dòng)物生長(zhǎng)速度和改善動(dòng)物肉質(zhì)品質(zhì)的一個(gè)重要候選基因。