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华南农业大学家禽遗传育种研究团队发现影响肉鸡成脂成肌的关键基因

对于家禽育种而言,肌肉和脂肪是肉鸡生产和销售中最为关注的两个组织。华南农业大学动物科学学院家禽遗传育种团队近日发现,TMEM182基因在肌肉生成和脂肪沉积上均发挥关键作用,这为培育低脂肉鸡提供了一个重要的候选靶点。

 

这篇题为“TMEM182 interacts with integrin beta 1 and regulates myoblast differentiation and muscle regeneration”的文章发表在Journal of Cachexia, Sarcopenia and Muscle杂志上。广东特支计划科技创新青年拔尖人才罗文副教授为本文第一作者,国家特支计划科技创新领军人才聂庆华教授和团队负责人张细权教授为共同通讯作者。

众所周知,膜蛋白约占蛋白质组的30%,在许多生物过程中发挥关键作用。其中许多过程都涉及到肌肉生成,表明膜蛋白在肌肉生成中扮演重要角色。跨膜(TMEM)蛋白家族包含多个成员,不过仅有少数TMEM蛋白在骨骼肌发育过程中发挥作用。以往的研究发现,TMEM182的表达在肌肉生成的过程中显著上调,但其具体功能仍不清楚。

 

在这项研究中,研究人员以鸡和小鼠作为动物模型来鉴定骨骼肌中的TMEM182。他们发现TMEM182在肌肉和脂肪组织中特异性表达,并受MyoD1直接调控。体外和体内实验的结果均表明,TMEM182在骨骼肌发育、生长和再生中发挥抑制作用。

 

TMEM182在肌肉和脂肪组织中特异性表达

研究人员首先通过体外分析发现,TMEM182的表达在鸡成肌细胞分化和小鼠成肌细胞分化期间逐渐上调。此外,TMEM182在鸡的肌肉和脂肪组织中特异性表达,哺乳动物亦是如此。之前的RNA-seq结果也表明,TMEM182在体重较低的小鸡骨骼肌中表达量更高。通过这些结果,他们推断TMEM182可能参与了肌肉生成的调控。

 

利用双荧光素酶报告基因检测,他们接着探索了TMEM182转录的调控因子。他们发现,调控多个肌肉相关基因表达的转录因子MyoD1能够直接与TMEM182启动子上的E-box结合,并在成肌细胞分化过程中诱导其转录。

 

TMEM182抑制肌纤维的形成和再生

为了确定TMEM182在骨骼肌细胞中的功能,研究人员对TMEM182进行了上调和下调。他们发现,TMEM182过表达抑制了肌管形成,而TMEM182的敲低则具有相反的效果,促进了肌管形成。这些结果表明TMEM182抑制成肌细胞分化和融合。他们接着在鸡腓肠肌中过表达TMEM182,发现这会导致肌肉萎缩,并延迟肌肉再生。

 

考虑到TMEM182是所有脊椎动物共有的保守基因,研究人员接着以小鼠为模型开展研究,以便更好地了解TMEM182在肌肉发育中的作用。他们委托赛业生物构建了TMEM182基因敲除(TMEM182-KO)小鼠。结果显示,TMEM182-KO小鼠不仅健康,而且体重超过野生型小鼠。更重要的是,敲除小鼠的肌肉重量、肌纤维数量和肌纤维直径显著增加(图1)。

图1. TMEM182敲除显著增加了肌肉量、肌纤维数量和肌纤维直径。

 

小鼠原代成肌细胞的分析也表明,TMEM182的敲除显著促进了成肌标志物基因的表达,如MyoG、MyHC和Myomaker。此外,敲除显著增加了肌管的数量和成肌细胞融合率,说明TMEM182的敲除促进成肌细胞分化。在肌肉损伤后,TMEM182的敲除也加速了肌肉再生。与野生型小鼠相比,TMEM182-KO小鼠的肌肉再生和修复更早完成。

 

TMEM182抑制肌肉生成的机制

为了进一步了解TMEM182抑制肌肉生成的机制,他们通过免疫共沉淀和质谱分析来筛选与TMEM182结合的蛋白质。分析结果显示,TMEM182与integrin β1(ITGB1)之间存在直接的相互作用。integrin β1是一种保守的细胞表面受体,参与细胞粘附和肌肉发育,具有多个结构域。他们发现,这种相互作用需要integrin β1的细胞外杂化结构域(aa 387-470)和TMEM182细胞外大环内的保守区域(aa 52-62)。

 

层粘连蛋白(laminin)作为细胞外基质中的重要成分,影响细胞分化、迁移和粘附。integrin β1是骨骼肌中的层粘连蛋白受体,它与层粘连蛋白相互作用来调控成肌细胞的分化、迁移和粘附。研究人员发现,TMEM182影响了integrin β1与层粘连蛋白的相互作用,并抑制了integrin β1介导的下游信号通路(图2)。

图2. TMEM182调控肌肉生成和肌肉再生的示意图。

 

这些结果表明,TMEM182在肌肉生成过程中作为负向调控因子,而抑制TMEM182可加速肌肉生长和再生。有意思的是,研究人员在比较TMEM182-KO小鼠和野生型小鼠的RNA-seq数据时还发现多条富集通路涉及到脂质代谢,考虑到TMEM182也在脂肪中特异性表达,那么它也可能在脂肪生成或脂肪沉积中发挥重要作用。

 

总结

这项研究成果为了解TMEM182在骨骼肌中的表达和调控提供了一个框架,为培育低脂肉鸡提供了一个重要的候选靶点。

 

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原文检索:

Luo, W., Lin, Z., Chen, J., Chen, G., Zhang, S., Liu, M., Li, H., He, D., Liang, S., Luo, Q., Zhang, D., Nie, Q., and Zhang, X. (2021) TMEM182 interacts with integrin beta 1 and regulates myoblast differentiation and muscle regeneration, Journal of Cachexia, Sarcopenia and Muscle, XXX, doi: https://doi.org/10.1002/jcsm.12767

 

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