Myomesin基因家族及其相關疾病的研究進展

杭成文 崔鳴

(北京大學第三醫院心內科，北京 100191)

肌原纖維是肌肉細胞的基本收縮單位，而肌節是橫紋肌(心肌和骨骼肌)肌原纖維的基本結構單位。它是由位于兩端的Z盤和正中央的M帶將細肌絲(肌動蛋白、肌鈣蛋白和原肌球蛋白)和粗肌絲(肌球蛋白)有序地排列在一起所形成的明暗相間的橫紋結構，并通過粗細肌絲之間的相互滑行來實現肌肉收縮。其中M帶是由反向平行排列的肌球蛋白桿狀部交疊形成，而相鄰的肌球蛋白桿狀部則通過肌間蛋白(Myomesin)相互交聯，形成M線。目前在脊椎動物發現的Myomesin基因家族有MYOM1、MYOM2和MYOM3三個成員，分別編碼Myomesin/Myomesin-1、Myomesin-2/M-protein和Myomesin-3蛋白[1]。其中Myomesin-1幾乎在所有橫紋肌都表達，而其他兩個蛋白則會因為發育階段、肌肉種類不同而差異表達。Myomesin家族作為M帶主要的結構連接器，參與肌原纖維的組裝，它的異常往往與肌營養不良、肥厚型心肌病(hypertrophic cardiomyopathy，HCM)和擴張型心肌病(dilated cardiomyopathy，DCM)等疾病密切相關，并且在相關疾病的臨床患者或動物模型中都能檢測到Myomesin基因家族表達的異常。

1 Myomesin基因家族結構及表達

MYOM1基因由Grove等[1]發現，位于人18號染色體短臂(18p11.31)，由38個外顯子和37個內含子組成，編碼相對分子質量約為1.85×105的肌間蛋白1(Myomesin/Myomesin-1/Skelemin)。EH-Myomesin是該基因最為重要的一個變異剪接體，它是在MYOM1基因的第17號和第18號外顯子之間額外增加一個“外顯子17a”，由其編碼一段具有彈性的EH片段，插入到Myomesin-1的中央形成EH-Myomesin[2]。1974年發現了MYOM2基因[3]，位于人8號染色體短臂(8p23.3)，編碼相對分子質量約為1.65×105的肌間蛋白2(Myomesin-2/M-protein)。Myomesin-1與Myomesin-2共享50%的序列同一性，二者存在高度的相似性和同源性。MYOM3基因位于人1號染色體短臂(1p36.11)，編碼相對分子質量約為1.6×105的Myomesin-3[4]。該基因家族編碼的三個蛋白在結構上高度相似，都是由1個獨特的N端(NH2)，緊隨其后的2個Ig樣、5個Fn樣以及另外5個Ig樣結構域組成，但三者在肌肉組織中的表達存在著明顯差異[5](見表1)。Myomesin-1幾乎在所有橫紋肌細胞中都表達，但在胚胎期以其變異剪接體EH-Myomesin占優勢。Myomesin-2只在成熟的心肌細胞及快肌纖維(ⅡB)中表達，Myomesin-3在人成熟心肌和骨骼肌細胞中都表達，但是其在鼠的心臟中不表達，只在快肌纖維(ⅡA)中表達。

表1 Myomesin家族在鼠和人類不同橫紋肌中的表達

2 Myomesin基因生物學功能

2.1 MYOM1的生物學功能

2.1.1 肌原纖維組裝

Myomesin-1是把肌球蛋白(myosin)、肌聯蛋白(titin)、obscurin家族蛋白(obscurin、obscurin-like-1)靶向至M帶的交聯劑。Myomesin-1的NH2末端錨定在myosin上，而C端的第13號(My13)結構域相互間進行二聚體化，形成反向平行的二聚體[6-7]。同時位于第四號(My4)和第五號(My5)結構域之間的連接子會整合到titin、obscurin或obscurin-like-1上[8]，形成穩定的蛋白復合物。obscurin家族作為橋梁可以將肌節M線與肌質網進行連接，參與調控肌質網Ca2+釋放，影響肌肉收縮過程中的鈣穩態。使用siRNA抑制乳鼠心肌細胞MYOM1的表達，導致obscurin定位紊亂，M帶形成失敗，最終引起肌原纖維解體[9]。據此可以推測Myomesin-1之于M帶的作用非常類似于α-actinin之于Z盤，它們在肌原纖維的組裝和維護中都是至關重要的，但進一步的功能研究仍有待于基因敲除模型的建立。

2.1.2 分子彈簧

Schoenauer等[10]提出Myomesin是一種類似于titin的分子彈簧，其彈性成分主要是來自相互串聯的Fn/Ig結構域或變異剪接的EH片段。肌肉在松弛狀態下，Myomesin-1二聚體處于壓縮狀態，而當肌肉收縮時，M線處肌球蛋白發生微小錯位，觸發Fn/Ig結構域或EH片段的延伸。之后的研究也證明當Myomesin-1受到低分子力拉伸時，會可逆地伸展為其原始長度的2.5倍[11]。以上研究說明緊密折疊的Fn/Ig結構域可以作為“減震器”，保護M帶免受外力的震蕩損傷。

2.1.3 其他

研究表明新生幼犬的心肌細胞核中也存在MYOM1表達，并且導致其他基因的差異表達[12]，之后在新生大鼠心室肌細胞核中也檢測到MYOM1的表達[13]。研究顯示轉錄因子肌細胞增強因子2C能結合Myomesin-1，直接調控其轉錄翻譯[14]，以上研究提示作為胞質結構蛋白的Myomesin-1，在心臟發育過程中可能還具有潛在轉錄因子的功能。尤其近年來越來越多的胞質結構基因被發現可以進入胞核行使轉錄因子的功能，因此這一發現值得進一步的研究。Kravchenko等[15]發現，從受損肌肉中釋放的Myomesin-1、titin或其片段可以刺激胰島素樣生長因子1的表達，促進成肌細胞增殖并抑制細胞凋亡，啟動肌肉修復過程，而這一過程與鈣/鈣調蛋白依賴的蛋白激酶和腺苷酸環化酶-環磷腺苷-蛋白激酶A通路密切相關[16]，說明Myomesin-1很可能是肌肉損傷修復通路上的重要環節。由此可見，Myomesin-1除了最經典的參與肌節組裝和肌肉舒縮的功能外，尚有很多未被發現或深入研究的潛在功能。

2.2 MYOM2的生物學功能

Myomeisn-2同樣可以劑量依賴性地結合myosin和titin，但其與myosin的結合位點在2～3或9～13號結構域[17]，而且目前尚未發現Myomesin-2與obscurin家族存在結合位點。此外，Myomesin-2的C端(My13)結構域不能二聚體化[5]，這一點有別于其他兩個家族成員。目前研究認為MYOM2在肌原纖維形成時沒有像MYOM1那樣必不可少，但在肌肉需要承受更大應力時，Myomesin-2的表達有助于維持肌節的穩定性[9，18]。另有研究發現不成熟的人胚胎干細胞或誘導多潛能干細胞來源的心肌細胞，在電鏡下無明顯的M帶，且Myomesin-2表達量極低，而隨著心肌細胞的逐漸成熟，M帶出現并伴隨著Myomesin-2表達的明顯升高[19]，說明Myomesin-2可能是體外培養的心肌細胞成熟度的評價指標，但目前尚無更多關于MYOM2基因敲低或敲除的研究來闡釋其生物學功能。

2.3 MYOM3的生物學功能

Myomesin-3作為家族成員之一，是三者中研究相對較少的，它也可以與myosin和titin結合，協助Myoemsin-1將myosin和titin蛋白進行有序定位，同時它還能將細胞骨架的中間絲連接到M帶。研究表明在斑馬魚胚胎中特異性敲低Myomesin-3，對肌原纖維M帶、Z盤等結構無明顯影響，提示Myomesin-3對肌節組裝是非必須的[20]。但該模型只在基礎狀態下進行結構檢測，未進行功能學研究或應激干預，還需要進一步深入研究。

3 Myomesin基因家族與疾病關聯

3.1 Myomesin基因家族與肌營養不良

在肌肉疾病中，轉錄組學和蛋白組學分析表明MYOM1及其剪接體表達的改變是機體對外界壓力的反應[21]。Koebis等[22]對強直性肌營養不良1型的患者進行全外顯子微陣列分析，發現患者骨骼肌中存在EH-Myomesin的選擇性剪切與表達上調，而這將會進一步損害受損肌肉承受壓力和產生力量的能力。當在小鼠胚胎期全身敲除titin與Myomeisn-1結合部位的基因，小鼠在胚胎期就會死亡，而在心臟中的特異性敲除會導致肌原纖維的紊亂解體，心肌收縮力下降，進而出現心臟萎縮表型[23]，雖然小鼠可以存活，但在40 d左右也會全部死亡。Flix等[24]發現進行性肌營養不良癥的關鍵蛋白dysferlin能與Myomesin-2直接相互作用，參與維持肌膜的完整性，提示Myomesin-2參與肌營養不良疾病發生的可能性。Hathout等[25]檢測兩種肌營養不良蛋白缺陷小鼠血清中的生物學標志物，發現血清中Myomesin-3水平異常升高。隨后的研究也證實肢帶型肌營養不良2D型動物及患者血清中同樣可以檢測出高水平的Myomesin-3片段，并且隨著疾病好轉而恢復到正常水平[26]。由此可見，Myomesin基因家族參與肌營養不良疾病的發生發展，并可能成為該病檢測、評估和監測治療效果的潛在標志物。

3.2 Myomesin基因家族與DCM

Schoenauer等[27]對DCM小鼠和臨床患者的研究發現，EH-Myomesin在DCM疾病早期就開始上調，其表達水平與心室擴張程度成正相關，與心室射血功能成負相關，進而提出EH-Myomesin是DCM的生物標志物。Rbm20是DCM最常見的致病基因之一，研究者在攜帶Rbm20基因突變患者的誘導多潛能干細胞分化而來的心肌細胞中同樣檢測到EH-Myomesin的異常表達[28]。然而也有研究顯示在圍產期DCM的患者中并未檢測到EH-Myomesin的表達異常[29]，因而對其生物標志物的準確性仍然存在爭議，同時也并不清楚EH-Myomesin在DCM疾病中發揮的是正性或是負性作用。不過目前比較明確的一點是，當胚胎型EH-Myomesin出現在成年肌肉細胞時，往往意味著肌肉疾病的發生。Shakeel等[30]對數例DCM患者進行全外顯子測序，發現其中2例患者存在MYOM3基因的截短突變(rs143187236)或錯義突變(rs149105212)，并且雜合突變患者因單倍體劑量不足，導致蛋白表達水平降低，進而造成左心室功能不全，提示MYOM3是DCM的候選基因。此外，他們還發現其中截短突變的等位基因頻率在南亞人群中很高，可用于DCM患者的風險評估和精確治療。

3.3 Myomesin基因家族與HCM

Siegert等[31]在家族遺傳性HCM家系中篩查到MYOM1基因的錯義突變V1490I，該突變位于12號結構域(My12)，導致Myomesin-1蛋白13號(My13)結構域的二聚體化親和力和熱穩定性下降。雖然具體致病機制不明，但很可能是因為突變的Myomesin-1影響M線上相鄰肌球蛋白的交聯，從而導致HCM的發生。其后，研究表明在新生大鼠心肌細胞中，肌纖維形成調節因子1可以通過調控Myomesin-1的類泛素化修飾，導致肌節組織過度組裝，進而誘導心肌肥厚[13]。由此可見肌節組裝的異常不僅是HCM的重要病理表現，更可能是HCM發生的始動因素。

4 總結與展望

Myomesin家族成員是橫紋肌肌原纖維M線的主要成分，將myosin、titin和obscurin蛋白交聯在一起，共同參與肌原纖維的組裝和機械力量傳導，但是其參與肌節組裝的過程和傳導機械力量的方式都不明確。該家族三個成員都是由13個結構域組成，但它們在表達模式上存在很大差異，提示其生物學功能上的潛在差異，仍需進一步的研究來證明這種差異并且闡明造成差異的原因。此外研究表明Myomesin家族與DCM、HCM和肌營養不良等多種肌肉疾病相關聯，但尚無病因學和病理學的研究。相比于近年來研究火熱的M帶處另一個彈性蛋白titin，該家族的研究在很大程度上被忽視，甚至迄今為止無任何關于該基因家族的敲除研究。綜上，Myomesin基因家族在生物體內發揮著不可忽視的作用，具有很大的研究價值，應該引起研究者的重新重視。相信隨著基因編輯、重編程和下一代測序技術的發展，未來將會在該基因家族中識別出更多突變位點，開發出多種敲除、突變或過表達模型，用于生物學功能和基因型-表型關聯的研究。