肌生长抑制素; MSTN

生长/分化因子 8；GDF8

HGNC 批准的基因符号：MSTN

细胞遗传学位置：2q32.2 基因组坐标（GRCh38）：2:190,055,699-190,062,728（来自 NCBI）

▼ 描述

转化生长因子-β 超家族包含大量生长和分化因子，在调节成年动物的胚胎发育和维持组织稳态方面发挥着重要作用。肌肉生长抑制素（GDF8）是这个超家族的成员，在控制和维持骨骼肌质量中发挥作用（McPherron 等，1997）。

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使用简并 PCR 进行克隆和表达，McPherron 等人（1997）鉴定了一种新的小鼠 TGF-β 家族成员，称为生长/分化因子 8，它在发育中和成年骨骼肌中特异性表达。该基因编码 376 个氨基酸的多肽，包含 TGF-β 超家族（190180）的所有序列特征。在胚胎发生的早期阶段，Gdf8 表达仅限于发育体节的肌组区室。在后期阶段和成年动物中，Gdf8 在全身许多不同的肌肉中表达。

冈萨雷斯-卡达维德等人（1998）克隆了人类肌肉生长抑制素基因和cDNA。MSTN 被转录为 3.1 kb 的 mRNA 种类，编码 335 个氨基酸的前体蛋白。肌生长抑制素在人类骨骼肌中以 26 kD 成熟糖蛋白（肌生长抑制素免疫反应蛋白）的形式独特表达，并分泌到血浆中。在人类骨骼肌的 1 型和 2 型纤维中均可检测到肌生长抑制素免疫反应性。

▼ 基因功能

Gonzalez-Cadavid 等人（1998）检验了这样的假设：肌肉生长抑制素的表达与人类的去脂体重成反比，并且肌肉生长抑制素基因的表达增加与患有艾滋病消耗综合征的男性体重减轻相关。他们检查了健康男性和艾滋病毒感染者的骨骼肌和血清中肌肉生长抑制素的表达。与健康男性相比，体重减轻的 HIV 感染男性的血清和肌内肌生长抑制素免疫反应蛋白浓度升高，并且与无脂肪质量指数呈负相关。

齐默斯等人（2002）证明肌生长抑制素是作为由 2 次蛋白水解裂解激活的前蛋白合成的。去除信号序列后，在四碱基加工位点进行切割，产生 26-kD 氨基端前肽和 12.5-kD 羧基端肽，其二聚体是蛋白质的生物活性部分。齐默斯等人（2002）证明肌生长抑制素以潜在形式在成年小鼠的血液中循环，可以通过酸处理激活，类似于 TGF-β。研究发现，成年小鼠体内肌肉生长抑制素的全身性过度表达会导致肌肉和脂肪大幅减少，而不会减少营养摄入。这与人类恶病质综合征相似，表明肌生长抑制素可能是临床环境中有用的药理学靶点，例如恶病质、

▼ 基因结构

Gonzalez-Cadavid 等人（1998）确定 MSTN 基因包含 3 个外显子并具有 3 个假定的转录起始位点。

▼ 测绘

牛的 Mh 基因座与 COL3A1 基因（120180）位于同一区域，该基因对应到牛的 2q12-q22。这确定了人类图谱上 COL3A1 侧翼的区域，即 2q31-q33，可能是含有 MSTN 基因的直系同源人类染色体片段（Solinas-Toldo 等，1995）。

Hartz（2004）根据 GDF8 序列（GenBank AF019627）与基因组序列的比对，将 GDF8 基因定位到染色体 2q32.2。

▼ 分子遗传学

费雷尔等人（1999）测定了 40 个人体内的人类肌肉生长抑制素的核苷酸序列。不变启动子含有共有的肌原性分化抗原-1（MYOD; 159970）结合位点，编码序列在保守氨基酸残基中含有 5 个错义取代：A55T、K153R、E164K、P198A 和 I225T。外显子 1 中的 A55T 和外显子 2 中的 K153R 在一般人群中具有多态性，白种人和非洲裔美国人的等位基因频率存在显着差异（P 小于 0.001）。尽管等位基因频率的偏差阻止了检测到小的影响，但两种常见的多态性都没有对白种人或非裔美国人的肌肉质量对力量训练的反应产生显着影响。费雷尔等人。

肌肉生长抑制素是哺乳动物肌肉生长的负调节因子，功能丧失突变与小鼠、牛和人类骨骼肌质量的增加有关。桑德斯等人（2006）表明，积极的自然选择对 GDF8 的人类核苷酸变异起作用，因为观察到的人类非同义：同义变化的比率显着大于中性模型下的预期，并且与跨哺乳动物目的观察到的模式显着不同。此外，GDF8 周围的扩展单倍型表明有 2 个氨基酸变体最近受到了正选择的影响。这两种突变在非非洲人中很少见，但在撒哈拉以南非洲人中的频率高达 31%。这些分子水平上的选择特征表明，人类 GDF8 变异与功能差异相关。主要关注的 2 个核苷酸多态性是 G163A 和 A2246G，分别对应于单倍群 55 和 153。研究发现，非裔美国人中出现这些情况的频率分别为 12% 和 20%，但在欧洲样本中，这一频率分别仅为 1% 和 4%。先前仅在人类的少数其他基因中发现过多的非同义多态性，例如G6PD（305900）和主要组织相容性复合体（142800）（Verrelli 等人，2002；Hughes 和Nei，1989）。但在欧洲样本中，这一比例分别只有 1% 和 4%。先前仅在人类的少数其他基因中发现过多的非同义多态性，例如G6PD（305900）和主要组织相容性复合体（142800）（Verrelli 等人，2002；Hughes 和Nei，1989）。但在欧洲样本中，这一比例分别只有 1% 和 4%。先前仅在人类的少数其他基因中发现过多的非同义多态性，例如G6PD（305900）和主要组织相容性复合体（142800）（Verrelli 等人，2002；Hughes 和Nei，1989）。

Schuelke 等人在一名肌肉肥大且力量异常的健康儿童中（MSLHP；614160）（2004）鉴定了 MSTN 基因（601788.0001）中剪接供体位点突变的纯合性。他的母亲是一名前职业运动员，这种突变是杂合的。

普隆德拉等人（2010）报道了一名 42 岁的意大利男性，患有 Ehlers-Danlos 综合征（EDS; 130000）的复杂表型，该综合征是由染色体 2q23.3-q31.2 的 13.7-Mb 从头杂合性缺失引起的，导致 COL3A1（120180）、COL5A2（120190）和肌肉生长抑制素基因缺失。COL3A1 和 COL5A2 的功能丧失突变分别导致 IV 型（130050）和 I 型 EDS。MSTN 的单倍体不足会导致骨骼肌过度生长。由于 MSTN 的单体性，患者具有“特殊的体质肌肉质量”，没有肌肉无力、肌痛或容易疲劳。他也没有普遍的关节活动不足或复发性关节脱位；EDS 的症状仅限于复发性腹股沟疝和轻度二尖瓣脱垂。普隆德拉等人（2010）假设 MSTN 等位基因的单倍体不足对该患者的 EDS 临床表现再次发挥了保护作用。研究结果还表明，EDS 直接涉及肌肉损伤，对这些患者的肌肉功能进行护理可能是有益的。

▼ 动物模型

为了确定 Gdf8 的生物学功能，McPherron 等人（1997）通过基因靶向小鼠破坏了 Gdf8 基因。Gdf8缺失的动物明显比野生型动物大，并且骨骼肌质量显着且广泛地增加。突变动物的单块肌肉重量是野生型动物的 2 至 3 倍，质量的增加似乎是肌肉细胞增生和肥大共同作用的结果。麦克弗伦等人（1997）表明 Gdf8 专门作为骨骼肌生长的负调节因子发挥作用。林等人（2002）早在 4 周龄时就观察到，与野生型动物相比，无肌生长抑制素的小鼠模型的骨骼肌质量有所增加。此外，突变小鼠表现出瘦素（164160）的产生和分泌减少，这与脂肪沉积减少有关。基因敲除小鼠中脂肪生成的减少表明肌生长抑制素参与调节肥胖和肌肉发达。

据观察，一些牛品种表现出异常的肌肉发育，通常称为“双肌肉”。双肌动物的特征是由于一般骨骼肌增生，肌肉质量增加约20%，即肌纤维数量增加而不是其个体直径增加。格罗贝特等人（1997）指出，通过在实验杂交和远交群体中进行的分离分析表明常染色体隐性遗传。Charlier 等人证实了这一点。Grobet 等（1995）证明肌肉肥大（mh）基因座位于牛 2 号染色体的着丝粒末端（1997）使用位置候选方法证明了编码肌肉生长抑制素的牛 MSTN 基因（Mh 位点）中的突变，负责双肌表型。他们在导致肌肉肥大的蛋白质生物活性 C 端结构域的编码序列中发现了 11 bp 的缺失。

Marchitelli 等人在意大利中部的 Marchigiana 肉牛品种中（2003）证明双肌化与肌肉生长抑制素基因第三个外显子中的 G 到 T 颠换有关，从而引入了提前终止密码子。这增加了先前在双肌牛身上发现的一系列突变。

Szabo 等人发现了一种称为“紧凑型”（Cmpt）的常染色体隐性遗传性肌肉过度小鼠突变（1998）是由肌肉生长抑制素基因缺失引起的。当肌肉生长抑制素被定位到与人类 2q32-q35 同源的 1 号染色体区域以及 mh 基因定位的牛 2 号染色体着丝粒区域时，它成为 Cmpt 的强有力的候选基因。

McPherron 和 Lee（2002）表明，与野生型同窝小鼠相比，无肌生长抑制素的小鼠随着年龄的增长，脂肪积累显着减少，并且肌生长抑制素的缺失部分减弱了两种小鼠模型（刺豚鼠致死性黄色小鼠和肥胖小鼠）的肥胖和糖尿病表型。McPherron 和 Lee（2002）提出，阻断肌生长抑制素功能的药物不仅可用于增强肌肉生长，还可用于减缓或预防肥胖和 II 型糖尿病的发展。

博格丹诺维奇等人（2002）在杜氏肌营养不良（DMD; 310200）的 mdx 小鼠模型中测试了体内抑制肌生成抑制素改善营养不良表型的能力。他们通过腹腔注射阻断抗体 3 个月来阻断 mdx 小鼠的内源性肌生长抑制素，发现体重、肌肉质量、肌肉大小和绝对肌肉力量增加，同时肌肉退化和血清肌酸激酶浓度显着降低。博格丹诺维奇等人（2002）得出的结论是，肌肉生长抑制素阻断为治疗与肌肉萎缩相关的疾病（如 DMD）提供了一种新颖的药理学策略，并规避了与这些疾病的传统基因治疗相关的主要问题。

Wagner 等人在肌生长抑制素缺失小鼠（Mstn -/-）与 mdx 小鼠（Duchenne 和 Becker（300376）肌营养不良症模型）杂交中进行了实验（2002）发现与 Mstn +/+/mdx 小鼠相比，肌肉质量增加，体重增加，肌纤维尺寸增加，力量增加。肌肉纤维化的程度也有所减少。他们指出，尽管肌生长抑制素的丧失并不能纠正 mdx 小鼠的主要缺陷，但它可能会改善营养不良表型的一些特征。

特塞尔羊以其非凡的肉质而闻名。为了确定这一经济重要特征背后的基因，Clop 等人（2006）对 Romanov x Texel F2 群体进行了全基因组扫描。他们将对肌肉质量有重大影响的数量性状基因座对应到 2 号染色体上，随后将其精细对应到包含 GDF8 基因的染色体区间。他们证明，特塞尔羊的 GDF8 等位基因的特征是 3 素非翻译区（UTR）中的 G 到 A 转变，该转变为 mir1（609326）和 mir206（在骨骼肌中高表达的 microRNA（miRNA））创建了靶位点。该突变导致肌肉生长抑制素基因的翻译抑制，从而导致特塞尔羊肌肉肥大。

在 COS-7 细胞中，Ohsawa 等人（2006）发现肌生长抑制素信号传导受到 Caveolin-3（CAV3; 601253）的抑制，后者直接与 I 型肌生长抑制素受体 ALK4（601300）和 ALK5（190181）相互作用并被抑制。Cav3 缺陷的转基因小鼠是 1C 型肢带型肌营养不良症模型（参见 RMD2, 606072），表现出肌肉萎缩和无力。大泽等人（2006）发现，与单一 Cav3 缺陷小鼠相比，同时具有 Cav3 缺陷和肌生长抑制素抑制的双转基因小鼠显示出肌纤维数量和大小增加，有效逆转了由 Cav3 缺陷引起的肌肉萎缩。此外，腹腔注射肌生长抑制素抑制剂可改善 Cav3 缺陷小鼠的功能性肌肉无力。大泽等人。

莫舍尔等人（2007）发现犬 Mstn 基因外显子 3 中的 2-bp 缺失与惠比特赛犬品种的肌肉质量增加有关。该突变的纯合性与肌肉严重过度的双肌表型相关，通常被称为“恶霸”。杂合狗表现出中间表型，据报道是竞技比赛中跑得最快的狗之一。对包括灵缇犬在内的其他几种狗品种的分析并未发现这种突变。

门迪亚斯等人（2008）发现 Mstn 缺失小鼠的肌腱比野生型小鼠的肌腱更小。Mstn缺失肌腱的成纤维细胞密度降低，I型胶原蛋白表达降低（参见COL1A1；120150），硬化剂（SCXA；609067）和肌腱调节蛋白（TNMD；300459）表达降低，这两种基因促进肌腱成纤维细胞增殖。用 Mstn 激活的 p38 MAP 激酶（MAPK14; 600289）和 Smad2（601366）/Smad3（603109）信号级联处理野生型肌腱成纤维细胞，细胞增殖增加，I 型胶原、Scxa 和 Tnmd 表达增加。与野生型小鼠的肌腱相比，Mstn缺失小鼠的胫骨前肌腱的机械特性具有更大的峰值应力、更低的峰值应变和增加的刚度。门迪亚斯等人（2008）得出的结论是，

希尔等人（2010）在马肌肉生长抑制素基因中发现了一个 SNP，该 SNP 与纯种赛马的短跑能力和耐力密切相关。

▼ 等位基因变异体（1 个选定示例）：

.0001 肌肉肥大（1 名患者）
MSTN、IVS1、GA、+5
在一名肌肉肥大且力量异常的儿童中（614160），Schuelke 等人（2004）鉴定了内含子 1 剪接供体位点处 g.IVS1+5G-A 转变的纯合性，导致下游 108 bp 处出现隐秘剪接位点，并产生严重截短的蛋白质。他的母亲是一名前职业运动员，她的突变是杂合的，而在 200 条对照染色体中没有发现这种突变。其他家族成员据说实力都非常强，但是却无法学习。