骨骼肌特异性钙蛋白酶与蛋白质降解

1、动物营养学报 2011, 23(4:542-545Ch i nese Journa l o f Ani m a l Nu tr iti ondo:i 10. 3969/.j issn . 1006-267x . 2011. 04. 003骨骼肌特异性钙蛋白酶与蛋白质降解张 勇 1邓 科2(1. 沈阳农业 大学畜牧兽 医学院 , 沈阳 110866; 2. 沈阳农业 大学生物科 学技术学 院 , 沈 阳 110866摘 要 :骨骼肌特异性钙蛋白酶 ca l p ain -3是钙蛋白酶系统的一员 , 与肌细胞生成和细胞凋亡密 切相关 , 同时也被认为参与了蛋白质降解过程 。 本文主要从骨骼肌特异性

2、钙蛋白酶的结构功能 和生理活性 , 并结合近年来国际上的研究成果来分析骨骼肌特异性钙蛋白酶在骨骼肌蛋白质降 解中的作用 。关键词 :骨骼肌特异性钙蛋白酶 ; 肌联蛋白 ; 蛋白质降解 中图分类号 :S811. 2 文献标识码 :A 文章编号 :1006-267X (2011 04-0542-04收稿 日期 :2010-11-11基金 项目 :国家自 然科学基金 /钙蛋 白酶调控猪体蛋 白降解的信号途 径研究 0(30972112作者 简介 :张 勇 (1972 , 男 , 甘肃武 威人 , 教授 , 博士 , 硕士生 导师 , 主要从 事分 子营 养学 与饲料 资源 开发 利用 研究。 E-m

3、 ai:l s yndzhy . 骨骼肌特异 性钙蛋 白酶 ca lap i n -3(又名 p94、 CAP N 3 是 钙 蛋 白 酶 (calpain 的 一 种。 calpain -3并不是肌肉生 长所必 需的蛋 白酶 , 却在 维护 肌肉 完整性中发挥了至关重要的作用。钙蛋 白酶在骨 骼肌中主要存在于 Z 线处 , calpa i n -3在骨骼肌中与 肌联蛋白 (titi n 紧 密结合 在一起。肌 联蛋白 有将 粗肌丝与 Z 线相连 , 维持肌原纤维 (m yofibril 的完 整性和稳定性 的功能 , 同 时肌联 蛋白和 伴肌 动蛋 白 (nebu lin 是 N 2线的 组

4、分。肌原 纤维 蛋白 质降 解的第 1步必须 是肌 原纤维 分解成 肌丝 , 超 微结 构研究表明 N 2线 是宰后 钙蛋 白酶最 先降解 的结 构之一。因此本文依据近年来国际上的 研究来讨 论 ca l p ain -3在骨骼肌中的功能和作用。1 骨骼肌特异性钙蛋白酶的结构钙蛋白酶主要由 2种广泛存在的钙蛋白酶 (u -b i q u itous ca l p ains L -钙蛋 白酶 (L -calpai n 或 ca-l pain -1 、 m -钙 蛋 白酶 (m-calpa i n 或 calpain -2 和 ca l p a i n -3组成。前二者都由 2个亚基组成 , 分子

5、量 相近 , 但二者表 现最高 活性所 需的钙 离子 浓度 不同 , 前者为微摩尔级 (112L m o l/L, 后者为 毫摩 尔级 (250750L m oL /L,calpa i n -3与前二者结构 相似。通过不同来源的钙 蛋白酶 c DNA 序列可 以 发现 , calpa i n -1和 ca lpa i n -3大亚 基均 由 4个 结 构 域组成 (图 1, 二者均包含域 Ñ、 Ò、 Ó和 Ô, 域 Ñ是 N -末端域 , 域 Ò是蛋 白质水解的区 域 , 域 Ó的 功能未知 , 域 Ô是由 4个含

6、 E 、 F 的螺 旋 -环 -螺 旋结构 (EF -hand 组成的主要钙离子结合域。 C a-l pain -3有 3个额外 的插入区域 , 即 NS 区、 前肽 IS1区和结合肌联蛋白的 I S2区。图 1 calpain -1和 calpain -3的结构示 意图F ig . 1Schem a tic d i ag ram o f t he structure s o f ca l pain -1and ca l pa i n -3p ro te i ns4期 张 勇 等 :骨 骼肌特异 性钙蛋白酶 与蛋白质降 解2骨骼肌特异性钙蛋白酶的活性研究表明 , 全长度的 calpain -3

7、是没有活性 的 , 它必须自溶 (即水解自身 删除前肽 I S1区以获得 活性 (图 1 1。该 自 溶 过 程 需 要 钙 离 子 的 参 与 2。自溶后 , 获得 1个可以 与底 物和 抑制 剂结 合的酶活性位点 3。通过蛋白质 电泳与免疫印迹 试验 4, 可以观察到自溶后全长度为 94ku 的蛋白 质 , 依据钙离子浓度和 时间不同 , 可进一 步分解成 60、 58和 /或 55ku 的产物 (用抗 体定 向到 IS1区 C 端 。 calpain -3在 体 内 最 初 是 以 它 的 降 解 形 式 (即有活性形式 被 发现的 , 它 在转录 后会立 刻自 溶 , 因此难 以提取

8、5, 目前有 研究显 示 , 在一 段时 间内 , 与 ca l p ain -1相比 , calpain -3在骨骼肌细胞中 低钙离子浓度下 (2. 5L m ol/L更稳 定 4-6。与广 泛存在的钙蛋 白酶不 同的是 , 内 源性钙 蛋白 酶抑 制蛋白 (ca lpastain 及 其他的 外源性 抑制 剂 , 如亮 肽酶素和钙蛋白酶抑制剂 Ñ和 Ò等对 ca l p a i n -3的 I S1区裂解是没有抑制效果的 3。另外 , 除了通过分子内和分 子间方法自溶 外 , calpa i n -3还没有其 他明确 的内 源性底 物 3-7。通 过确定 calpa i

9、 n -3的生理学 底物来说明它在骨骼肌 中的 生理 作 用 是很 重 要 的。 应该 指 出 的是 , ca-l pa i n -3水解的目的可能不是参与一个降解过程 , 而 可能是一个根据底物的功能不同在一定 程度上进 行的不可逆的调 节过程 7。如 在 2A 型肢带 肌营 养不良症 (LG M D2A 中 , 肌 肉营 养不 良的 症 状可 能是因为肌节重塑失调 , 这也可以归结于缺乏 ca-l pa i n -3的蛋白质水解 底物 8。很多 蛋白质在 体外 试验中被证 明可能 是 calpain -3的底 物 , 但在 体内 还没有 被证 明。这些 底物 包括 肌 原纤 维 /Z线 蛋

10、 白、 肌联蛋白 (在 PEVK 区 , 与 N 2A 线相邻 、 肌动 蛋白 C 和肌球 蛋白轻链 1等 , 支持 calpa i n -3在肌 节重塑中发 挥作用 9。但有研 究发 现 , 钙蛋 白酶 抑制蛋白也可以在体外裂解 calpa i n -3, 而在体内却 暂未发现这种 现象 , 所以 那些经 过体外 验证 的底 物在体内是否也会有相同的作用仍有待验证 10。 最新研 究 指出 , calpain -3的 mRNA 丰 度与 蛋 白质表达量间可能是没有相关性的 , 因此 , 研究在 体内全长度表达的 ca lpa i n -3, 必须通过更多的蛋白 质水平上的试 验 , 获 得与

11、 生理功 能相关 的数 据后 才能准确进行 11-12。 3骨骼肌特异性钙蛋白酶的功能和作用 ca l p ain -3可 能 在 肌 肉 修 复 和 维 护 中 起 作 用 13, 同时它也被指出参与了肌细胞生成 14和细 胞凋亡 15-16。 ca l p ain -3是肌 肉成熟 的关键 , 生 理 学研究显示 , 如果它不存在或不起作用 , 那么人 会 在 2040岁时患上 LGMD2A 17。因此 , 假定与此 病相关的钙蛋白酶都 被降解和破坏 , 而人在 10岁 前不会 患上 LGM D2A, 那 么 ca l p a i n -3就不 可能 是 正常肌肉生长所必需 的蛋白质 ,

12、确切来 说 , 它在 维 护肌肉完整性中有至关重要的作用 13。有试验证 明 , 在肌肉细胞培养中 , 只有在成肌细胞增殖和 融 合后 , 全长 度 的 ca l p a i n -3才 开始 表 达 18。另 外 , 在转基 因小 鼠的 ca l p ain -3过 量表 达 19和 小鼠 骨 骼肌中缺乏 calpa i n -320这 2个试验中均不出 现明 显疾病症状 , 而人类疾病胫骨肌萎缩症 (LGMD2J 在实验小鼠上表现的症状 为肌营养不良症与肌 炎 (MDM 21, 由 calpain -3与 N2A 在肌 联 蛋白 上 的 结合位点相 邻域的 基因 突变造 成。在 MDM 小

13、 鼠 中 , 降低 calpa i n -3表达浓 度 21和使 calpa i n -3表 达 过量 22却会导致更严重的肌肉营养不良症状。根 据这些研究结果 , 有人猜测 , calpa i n -3的活性可 能 通过它 与肌 联蛋 白在 N 2A 线的 连接 位 点而 被 调 控 22, 这也许可以合理 解释 calpain -3转基因动 物 的健康状况。此外 , calpain -3已被证明通过调节核 因子 I J B A 参与了细胞凋亡 16-23。4骨骼肌特异性钙蛋白酶与蛋白质降解 蛋白质降 解 的 主要 调 节 途 径有 钙 蛋 白 酶 系 统、 溶酶体途径、 线 粒体蛋 白酶系

14、 统、 泛素 -蛋 白 酶体途径、 胞液蛋白酶水解途径 , 但钙蛋白酶参 与 肌原纤维蛋白质降解却是 蛋白质降解过程中的 限 速步骤 , 也是家 畜屠宰 后早期 发生肌 肉嫩 化的 主 要特征。肌原纤维蛋白质降解 的第 1步必须是 肌 原纤维分解成肌丝。肌联蛋白 是一 个大 型的 肌节 蛋白 , 主 要存 在 于心肌细胞和骨骼肌细胞中 24-25。肌联蛋白的 N 端锚定在 Z 线 , C 端绑定 粗肌丝 , 因此具有维持 肌 原纤维的 完整性 和稳 定性的 功能。同 时 , 肌联 蛋 白和伴肌动蛋白是 N 2线的组 分 , 超微结构研究 表 明 , N 2线 是 宰 后 钙 蛋 白 酶 最 先

15、 降 解 的 结 构 25-26543动 物 营 养 学 报 23卷calpa i n -3与肌联蛋白紧密结合在一起 , 且其与 N 2A 线的 连接 位点 有可 能调节 它的 活性。同 时 , 虽然尚未被体内试验证明 , 然而在体外试验中 , 肌 原纤维 /Z线蛋 白、 肌联 蛋白等均 是 calpai n -3的底 物。根据这 些可以 猜测 , 在钙 蛋白 酶参 与的 肌原 纤维蛋白质 降解过 程中 , 全长 度的 ca l p a i n -3受到 钙离子浓度和 它与肌 联蛋白 结合位 点的 调控 , 降 解成 94ku 的活性形 态 , 并 参与肌动 蛋白质降 解 , 促进粗肌丝的释放

16、 , 从 而加速蛋白质降解过程 , 与 此同时 , 钙蛋 白酶的 其他 成员也 会降解 肌原 纤维 的肌节 , 释放肌丝并降 解为小片段 , 然后 被溶酶体 所捕获而进一步降解。但肌原纤维在体 内是否仍 为 ca l p ain -3的底物及 calpa i n -3与肌联蛋白结合位 点的调控机制 不明 , 因此 具体情 况仍需 要再 通过 试验来进行验证。5小 结骨骼肌生长速度最终 取决于骨骼肌 细胞的数 量、 肌肉蛋白质合成和降解速度。激素注射、 饲料 添加剂的使用、 营养 状况 和饲养 管理等 都能 通过 调节以上 3个基本因素而影响整体蛋白质的沉积速 度 , 从而影响肌肉生长速度。至今

17、为止 , ca l p ai n -3已 被发现有 20余年 , 仍没有对其生理功能 的明确阐 述 , 而国际上 对其研 究主 要集中 于它本 身的 生理 结构及其与肌 肉运动 和营养 相关的 功能 , 很 少有 针对其在肌肉蛋白质降解方面的 研究。曾有试验 研究通过调整饲料中的蛋白质水平和改 变饲养方 法来 影 响 钙 蛋 白 酶 的 表 达 量 , 从 而 提 高 肉 品 质 27-28, 但主要集中于广 泛存在的钙蛋 白酶和其 内源性抑制剂 , 对 calpa i n -3的 研究却不多。因 此 , 若能明确 ca l p a i n -3在蛋白 质降解过程中所起的作 用并对其调控 ,

18、从而提 高肉品质 , 必定能 够提高畜 牧业的生产效 益 , 也 会为 钙蛋白 酶系统 的研 究提 供大量的科学数据。参考文献 :1REY M A, DAV IES P L. T he pro tease core o f the m usc le -spec ific ca lpa i n , p94, undergo es Ca 2+-de -pendent intra m o lecu l a r auto lysis J .F ebs L etters , 2002, 532:401-406.2GAR CI A D B E , GAUTH IER S , D av ies P L .

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