胚胎发育时期骨骼肌纤维类型的分化.doc

华中农业大学本科毕业论文（或设计）外文翻译胚胎发育时期骨骼肌纤维类型的分化原文来源：Te, K.G. and C. Reggiani, Skeletal muscle fibre type specification during embryonic development. J Muscle Res Cell Motil, 2002. 23(1): p. 65-9. 摘 要：在过去十年里越来越多关于胚胎发育时期肌形成和肌纤维类型分化的信号机制的研究：这篇文章主要回顾最近的相关发现。脊椎动物中MyoD家族在肌肉分化中发挥着重要作用，该家族是一系列的转录因子，可激活肌肉分化基因的转录。反过来，MyoD家族会应答体节周边组织尤其是脊索和神经管的诱导信号。Hedgehog和Wnt是其中的诱导信号之一，在未来的成肌细胞中发现其应答通路包括Ptc, Smu 和 Gli。该信号机制已在小鼠、鸡、斑马鱼和果蝇等模式生物中做过分析。有些转录因子的同源物在不同物种中可完成类似的功能，但其他的转录因子在不同物种中则存在重要的不同之处：例如在果蝇中twist编码一种促进肌形成的转录因子，但是他的同源物在小鼠中则抑制或阻止肌形成。相反的，nautilus是果蝇中MyoD的同源物，他在小鼠的肌肉分化中没有普遍作用，只是在特定类型的肌纤维的分化中发挥功能。介绍不同肌纤维类型的生化、结构和功能特征的异质性是近十年来许多人的研究对象。其中肌形成的预决定和神经支配、激素及调节肌纤维表型机制的作用研究的最为详细。而关于信号因子、转导途径和调控基因在肌形成和最终在肌纤维分化中的研究近几年才刚刚开始。在不同模式生物中的相关研究揭示了几种影响肌肉发育的普遍因素，同时也发现了物种发育的种属性特征。肌形成和MyoD家族理解胚胎发育时期肌纤维类型的分化过程，首先必须了解肌形成的调控机制。在脊椎动物中，MyoD家族的转录因子是决定肌形成的最上游因子。bHLH转录因子类型的MyoD家族成员有MyoD，Myf-5, myogenin 和MRF4。在高等脊椎动物胚胎发育时期，这四种肌肉生长调控因子（MRF）由多种诱导通路激活并以一种特定的时空顺序表达。神经管和脊索的诱导信号hedgehog和Wnt1可激活体节中Myf5在背内侧区域的表达，该基因又能诱导MRFs在哺乳动物和鸟类的发育中的体节表达。起始表达Myf5的细胞成为轴上肌肉系，将来发育成背肌。相反的，发育中体节的侧面细胞中MyoD的起始表达依赖于背外胚层的诱导信号Wnt7。起始表达MyoD的细胞将来发育成为轴下肌肉。侧中胚层合成的TGF-家族成员BMP4会阻止MyoD的表达及体节侧面区域的早期分化。BMP4的活性则被Noggin，Chordin 和 follistatin抑制。因此，流动型信号因子的竞争浓度参与激活肌形成和成熟肌节的特定类型细胞。肌节形成过程中表达myogenin的细胞比表达Myf5和MyoD的细胞出现的晚的多，但是MRF4可持续表达。第一阶段体节中的myogenin激活表达，第二阶段二型肌纤维便形成。Hedgehog信号通路在鸡胚中超表达和抑制表达信号因子的研究表明Sonic hedgehog(Shh)足以且对于激活体节中MyoD的表达是必要的，Shh信号通路中的基因如Ptc 和Gli在体节形成过程中被激活。脊索和神经管不仅促进肌发生，而且决定着早期慢型肌纤维的形成，而鸡胚中Shh蛋白即可完成该过程。将新形成的体节进行器官培养，他们倾向于应答Shh信号表达慢型肌球蛋白而形成初级肌纤维，这个效应可通过增加体节中PKA的活性抑制Shh信号通路而被阻断。研究究竟Shh信号因子是否参与肢芽形成过程中来源于体节的肢体成肌细胞的形成及其向周边的迁移将会非常有趣。起源于生皮肌节腹外侧部分的体轴下肌肉的这些Pax3前体细胞到达肢芽处才会表达Myf5和MyoD基因。然而，鸡胚体内手术移植实验表明肢体肌原细胞的多样性主要来自肌原细胞进入肢体。在迁移早期，通过移植肢芽组织到受体胚胎的体腔从而阻断肌原细胞迁移后，形成的肌肉主要包含慢型肌管。作为对照，在稍微晚些阶段进行肢体移植，仅仅失去正常情况下包含最高数量快型肌管的肌肉。在肌原细胞迁移的不同时期，将鹌鹑的肢芽移植到宿主鸡上形成的嵌合肢体也可得到类似的结果。这些结果说明在肌原细胞最早迁移主要产生慢型肌管，而后期迁移则主要形成快型肌管。将幼年肢芽组织移植到较为成熟个体后，在其慢型肌肉的慢型肌球蛋白中发现了一个重要缺失，这说明迁移的肌原细胞的命运并不是由早期肢芽的环境决定的。因此，肢体快型和慢型肌肉细胞系的肌原细胞的多样性取决于体节或迁移早期阶段。另一方面，生长中的肢体肌肉发育过程局限于肢体间充质而不是体节的肌原性始祖细胞自身，并且Shh可调节前期肌肉的发育模式。在翅膀前期边界细胞异位表达特异性的Shh可以将前期前臂肌肉转变为下肢肌肉形态并在新形成的肌肉中诱导产生与正常下肢肌纤维镜像对称的纤维类型。鸡中Gli家族的两个成员Gli和Gli3在发育中鸡的肢芽里以不同的方式被Shh调控。Shh上调Gli的表达，下调Gli3的表达。肌原性细胞系和纤维类型分化Stockdale与他的同事在发育中的鸟类胚胎中已经成功建立不同快、慢型肌原细胞系。他们的实验主要证明培养的肌肉细胞克隆体究竟是同时表达快型和慢型肌球蛋白重链（MyHC）还是仅表达快型MyHC是由早期鸡胚胎决定的。胚胎发育晚期阶段的肌肉细胞主要表达快型MyHC。运动神经最初在快慢型肌纤维分化中并无作用，尽管神经支配在接下来的肌肉生长和生存中至关重要。运动神经支配也在胎儿发育过程中的肌纤维类型分化中发挥作用。胎儿慢型肌肉的细胞仅在与神经管共同培养的条件下才表达慢型肌球蛋白，而胎儿快型肌肉的细胞即使与神经管共同培养也不表达慢型肌球蛋白，这说明慢型肌纤维类型的形成依赖于肌原细胞系和神经支配。成年鸡和鹌鹑肌肉中的卫星细胞群也不一样。分离自快肌的初级卫星细胞在培养条件下仅形成快型肌纤维，而最多25%的分离自慢肌的卫星细胞会形成同时表达快型和慢型MyHC的纤维类型。MyoD家族和纤维类型分化在成年小鼠中，快肌选择性积累MyoD的转录本而慢肌中选择性积累myogenin的转录本，这表明不同的MRF的比例可以影响肌纤维的特点。实验证明小鼠胚胎中肌原性始祖细胞的不同群体表达不同类型的转录因子Myf-5 and MyoD，但却没有证据证明这些细胞应答不同的肌原细胞系或者他们与慢肌或快肌细胞的始祖细胞有关。来自早期和晚期胚胎发育阶段的哺乳动物肌原细胞在培养过程中表现不同的特征，包括表达不同的慢型肌球蛋白。慢型肌球蛋白仅在培养的胚胎肌原细胞中发现。在E11.5大鼠胚胎的体节生肌节中检测不同肌原性始祖细胞发现其表达慢型MyHC的量不同。究竟来自哺乳动物肌肉的卫星细胞是否表达不同的慢型肌球蛋白仍然存在争议。肌原细胞克隆体的逆转录病毒标签表明啮鼠动物的肌原细胞在胚胎发育的早期阶段（E15）被标记，他们仅发育成初级纤维。大多数的初级纤维表达慢型肌球蛋白。作为对照，胎儿时期或者刚出生后标记的肌原细胞与快型和慢型纤维都融合在一起。在缺少神经系统的大鼠胚胎中肌纤维类型也可以分化，支持了不同肌原性始祖细胞存在内在差异的观点。斑马鱼中纤维类型的分化；近轴细胞在低等脊椎动物中前面提到的每一个MRFs至少有一个同源物。在青蛙和鳟鱼中，由于拟四倍体的原因，发现了两种不同的MyoD编码基因。在斑马鱼中只有一个拷贝的MyoD基因。斑马鱼胚胎有三种不同类型的肌纤维：肌肉前祖慢肌纤维，非前祖慢肌纤维和快肌纤维。来自近轴细胞的慢肌纤维在体节板中与脊索相邻。这些细胞首先表达MyoD和特定MyHC。体节边界形成后，近轴细胞开始伸长，然后以辐射状迁移到体节表面，在那里他们形成胚胎慢肌纤维层。这些纤维的亚型表达Engrailed蛋白，因此被命名为前祖肌肉细胞，就像果蝇中的前祖细胞一样。当近轴细胞迁移到生肌节表面后，最初位于体节板近轴细胞侧面的细胞发育成为快肌纤维。Sonic hedgehog信号通路是早期近轴细胞形成及其分化成慢肌纤维和前祖慢肌纤维的必要条件之一。缺少Shh表达的斑马鱼突变体不能形成慢肌但是可以形成快肌，超表达Shh足以在轴旁中胚层中诱导慢肌细胞，而异位表达Shh导致快肌转化成慢肌。用体外培养系统证实Shh的功能是在斑马鱼胚胎肌原细胞中诱导慢型表型纤维。果蝇中，Hedgehog信号转导与Ptc基因（一种多次跨膜蛋白）的产物以及cAMP依赖的蛋白激酶A（PKA）紧密相关。在斑马鱼中也同样如此。误表达Shh导致Ptc-1的转录本异位激活，而Ptc-1的表达受PKA活性的调节，这说明Hedgehog家族蛋白信号通路的机制在进化过程中非常保守。最近发现一种缺少慢肌的突变体（Smu）似乎也作用于Hedgehog下游。斑马鱼的突变Smu基因编码一种类似Ptc基因的多次跨膜蛋白，他会打断Hedgehog信号通路：Smu (-/-)胚胎失去了99%的慢肌纤维并完全失去表达Engrailed蛋白的前祖细胞。现在的看法是Ptc 和Smu是Hh受体复合物的亚类，Smu是转导过程的亚单位，其活性受到与其直接相互作用的结合配基亚单位Ptc的抑制。当Hh结合到Ptc上后，Smu就会从Ptc介导的抑制中释放出来并激活细胞内的信号通路，该信号通路受PKA的负调控。在野生型胚胎中超表达显性负相PKA（dnPKA）导致所有体节细胞发育成为慢型肌纤维。超表达Shh不能代偿Smu (-/-)胚胎中慢肌纤维的生长，而超表达dnPKA则可以。Gli家族的锌指类转录因子（Gli1, Gli2 和Gli3）是脊椎动物Shh信号通路中主要的最终效应物：yot突变体影响斑马鱼Gli2基因，会干扰其胚胎发育时期体节的形成和发育。分离Shh信号通路中的因子非常复杂，原因是与其他脊椎类动物一样，斑马鱼的Hedgehog信号通路中的大多数基因都有几个同源物，如三个Shh基因和两个Ptc基因，他们会形成重叠表达效应，不同同源物之间会产生冗余。因此一个信号因子如Shh活性的缺失，其功能可以被Hedgehog家族其他蛋白质补偿。鳟鱼MyoD1和2的复合表达形式说明斑马鱼中的MyoD是独特的。这表明每一个鳟鱼的MyoD重复单位在进化后完成一部分的功能，这些功能最初由鱼类祖先的MyoD基因完成。tMyoD1最初在体节内侧靠近脊索的细胞中的表达可能源于轴向hedgehog信号分子的肌原性诱导。相反，tMyoD2在体节后半部分的表达暗示后者的表达不依赖于轴向结构。斑马鱼外侧肌节表达MyoD的第二阶段不受hedgehog活性的影响，斑马鱼突变体you too在抑制hedgehog信号的情况下仍然有MyoD第二阶段的表达。在高等脊椎动物中MyoD仅在体节形成后表达而在低等脊椎动物中MyoD在靠近脊索的前体节近轴面细胞中表达。目前在四脚动物中还没有发现类似的表达MyoD的近轴面细胞。果蝇中的Twist和肌形成幼虫和成虫的肌肉的生长贯穿着果蝇的整个生活周期。在变态阶段，几乎所有幼虫的肌肉都会退化，而被一类成虫特有的肌肉替换。在胚胎中，两类肌肉的前体都来自中胚层高表达twist的区域。Twist是一种基本的HLH蛋白，他抑制表皮和神经系统分化同时在这些细胞中激活全身肌肉程序。在高水平表达twist的细胞中，肌肉始祖细胞被区分不同的类别。这些细胞是肌原细胞的基础。每一个基础细胞表达独有的一组转录因子如Kruppel, Even-skipped 和S59，从而使一种特定的胚胎肌肉类别包含所有需要的信息：位置，大小，附着位点以及神经支配节律。Hedgehog，wingless和dpp在基础细胞中诱导表达基因如S59，kruppel，even-skipped 和nautilus。Nautilus是果蝇中唯一的MyoD家族成员。点突变消除Nautilus功能分析加上种系克隆nautilus被敲除的母本和合子，表明nautilus对于部分亚类肌肉类型的分化是必要的。显然，果蝇的MyoD即nautilus在肌发生过程中并没有一个普遍的功能。基础细胞是单核细胞，他与周围的肌原细胞融合后形成多细胞核的肌纤维补充给胚胎，平均每腹节30种体肌。并不是所有种类的肌肉始祖细胞都会发育成肌肉基础细胞。Ruiz Gomez 和Bate的研究表明部分始祖细胞的两个子细胞将发育成为一个成虫肌肉始祖细胞和一个幼虫肌肉基础细胞。只有后者可以融合形成胚胎的肌纤维。成虫肌肉始祖细胞在胚胎发育过程中作为单细胞核细胞促进形态发生时成虫肌肉形成。成虫肌肉始祖细胞的特点是持续表达twist。最近证实成虫肌肉始祖细胞的形成依赖于包含同源异型盒的基因ladybird (Lb)。在中胚层中超表达Lb导致横向和成虫肌肉始祖细胞的数量增加，而lb突变体胚胎的这些细胞的数量则减少。Twist 在小鼠中阻止肌发生尽管twist在果蝇中促进肌发生，但是twist在脊椎动物肌发生中似乎扮演相反的角色。小鼠的twist是第一个在早期体节中普遍表达的基因。随着新形成的体节分化形成隔室，mtwist便不在生肌节中表达，而是上调表达肌原性因