杭成文 崔鸣

(北京大学第三医院心内科，北京 100191)

肌原纤维是肌肉细胞的基本收缩单位，而肌节是横纹肌(心肌和骨骼肌)肌原纤维的基本结构单位。它是由位于两端的Z盘和正中央的M带将细肌丝(肌动蛋白、肌钙蛋白和原肌球蛋白)和粗肌丝(肌球蛋白)有序地排列在一起所形成的明暗相间的横纹结构，并通过粗细肌丝之间的相互滑行来实现肌肉收缩。其中M带是由反向平行排列的肌球蛋白杆状部交叠形成，而相邻的肌球蛋白杆状部则通过肌间蛋白(Myomesin)相互交联，形成M线。目前在脊椎动物发现的Myomesin基因家族有MYOM1、MYOM2和MYOM3三个成员，分别编码Myomesin/Myomesin-1、Myomesin-2/M-protein和Myomesin-3蛋白[1]。其中Myomesin-1几乎在所有横纹肌都表达，而其他两个蛋白则会因为发育阶段、肌肉种类不同而差异表达。Myomesin家族作为M带主要的结构连接器，参与肌原纤维的组装，它的异常往往与肌营养不良、肥厚型心肌病(hypertrophic cardiomyopathy，HCM)和扩张型心肌病(dilated cardiomyopathy，DCM)等疾病密切相关，并且在相关疾病的临床患者或动物模型中都能检测到Myomesin基因家族表达的异常。

1 Myomesin基因家族结构及表达

MYOM1基因由Grove等[1]发现，位于人18号染色体短臂(18p11.31)，由38个外显子和37个内含子组成，编码相对分子质量约为1.85×105的肌间蛋白1(Myomesin/Myomesin-1/Skelemin)。EH-Myomesin是该基因最为重要的一个变异剪接体，它是在MYOM1基因的第17号和第18号外显子之间额外增加一个“外显子17a”，由其编码一段具有弹性的EH片段，插入到Myomesin-1的中央形成EH-Myomesin[2]。1974年发现了MYOM2基因[3]，位于人8号染色体短臂(8p23.3)，编码相对分子质量约为1.65×105的肌间蛋白2(Myomesin-2/M-protein)。Myomesin-1与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号染色体短臂(1p36.11)，编码相对分子质量约为1.6×105的Myomesin-3[4]。该基因家族编码的三个蛋白在结构上高度相似，都是由1个独特的N端(NH2)，紧随其后的2个Ig样、5个Fn样以及另外5个Ig样结构域组成，但三者在肌肉组织中的表达存在着明显差异[5](见表1)。Myomesin-1几乎在所有横纹肌细胞中都表达，但在胚胎期以其变异剪接体EH-Myomesin占优势。Myomesin-2只在成熟的心肌细胞及快肌纤维(ⅡB)中表达，Myomesin-3在人成熟心肌和骨骼肌细胞中都表达，但是其在鼠的心脏中不表达，只在快肌纤维(ⅡA)中表达。

表1 Myomesin家族在鼠和人类不同横纹肌中的表达

2 Myomesin基因生物学功能

2.1 MYOM1的生物学功能

2.1.1 肌原纤维组装

Myomesin-1是把肌球蛋白(myosin)、肌联蛋白(titin)、obscurin家族蛋白(obscurin、obscurin-like-1)靶向至M带的交联剂。Myomesin-1的NH2末端锚定在myosin上，而C端的第13号(My13)结构域相互间进行二聚体化，形成反向平行的二聚体[6-7]。同时位于第四号(My4)和第五号(My5)结构域之间的连接子会整合到titin、obscurin或obscurin-like-1上[8]，形成稳定的蛋白复合物。obscurin家族作为桥梁可以将肌节M线与肌质网进行连接，参与调控肌质网Ca2+释放，影响肌肉收缩过程中的钙稳态。使用siRNA抑制乳鼠心肌细胞MYOM1的表达，导致obscurin定位紊乱，M带形成失败，最终引起肌原纤维解体[9]。据此可以推测Myomesin-1之于M带的作用非常类似于α-actinin之于Z盘，它们在肌原纤维的组装和维护中都是至关重要的，但进一步的功能研究仍有待于基因敲除模型的建立。

2.1.2 分子弹簧

Schoenauer等[10]提出Myomesin是一种类似于titin的分子弹簧，其弹性成分主要是来自相互串联的Fn/Ig结构域或变异剪接的EH片段。肌肉在松弛状态下，Myomesin-1二聚体处于压缩状态，而当肌肉收缩时，M线处肌球蛋白发生微小错位，触发Fn/Ig结构域或EH片段的延伸。之后的研究也证明当Myomesin-1受到低分子力拉伸时，会可逆地伸展为其原始长度的2.5倍[11]。以上研究说明紧密折叠的Fn/Ig结构域可以作为“减震器”，保护M带免受外力的震荡损伤。

2.1.3 其他

研究表明新生幼犬的心肌细胞核中也存在MYOM1表达，并且导致其他基因的差异表达[12]，之后在新生大鼠心室肌细胞核中也检测到MYOM1的表达[13]。研究显示转录因子肌细胞增强因子2C能结合Myomesin-1，直接调控其转录翻译[14]，以上研究提示作为胞质结构蛋白的Myomesin-1，在心脏发育过程中可能还具有潜在转录因子的功能。尤其近年来越来越多的胞质结构基因被发现可以进入胞核行使转录因子的功能，因此这一发现值得进一步的研究。Kravchenko等[15]发现，从受损肌肉中释放的Myomesin-1、titin或其片段可以刺激胰岛素样生长因子1的表达，促进成肌细胞增殖并抑制细胞凋亡，启动肌肉修复过程，而这一过程与钙/钙调蛋白依赖的蛋白激酶和腺苷酸环化酶-环磷腺苷-蛋白激酶A通路密切相关[16]，说明Myomesin-1很可能是肌肉损伤修复通路上的重要环节。由此可见，Myomesin-1除了最经典的参与肌节组装和肌肉舒缩的功能外，尚有很多未被发现或深入研究的潜在功能。

2.2 MYOM2的生物学功能

Myomeisn-2同样可以剂量依赖性地结合myosin和titin，但其与myosin的结合位点在2～3或9～13号结构域[17]，而且目前尚未发现Myomesin-2与obscurin家族存在结合位点。此外，Myomesin-2的C端(My13)结构域不能二聚体化[5]，这一点有别于其他两个家族成员。目前研究认为MYOM2在肌原纤维形成时没有像MYOM1那样必不可少，但在肌肉需要承受更大应力时，Myomesin-2的表达有助于维持肌节的稳定性[9，18]。另有研究发现不成熟的人胚胎干细胞或诱导多潜能干细胞来源的心肌细胞，在电镜下无明显的M带，且Myomesin-2表达量极低，而随着心肌细胞的逐渐成熟，M带出现并伴随着Myomesin-2表达的明显升高[19]，说明Myomesin-2可能是体外培养的心肌细胞成熟度的评价指标，但目前尚无更多关于MYOM2基因敲低或敲除的研究来阐释其生物学功能。

2.3 MYOM3的生物学功能

Myomesin-3作为家族成员之一，是三者中研究相对较少的，它也可以与myosin和titin结合，协助Myoemsin-1将myosin和titin蛋白进行有序定位，同时它还能将细胞骨架的中间丝连接到M带。研究表明在斑马鱼胚胎中特异性敲低Myomesin-3，对肌原纤维M带、Z盘等结构无明显影响，提示Myomesin-3对肌节组装是非必须的[20]。但该模型只在基础状态下进行结构检测，未进行功能学研究或应激干预，还需要进一步深入研究。

3 Myomesin基因家族与疾病关联

3.1 Myomesin基因家族与肌营养不良

在肌肉疾病中，转录组学和蛋白组学分析表明MYOM1及其剪接体表达的改变是机体对外界压力的反应[21]。Koebis等[22]对强直性肌营养不良1型的患者进行全外显子微阵列分析，发现患者骨骼肌中存在EH-Myomesin的选择性剪切与表达上调，而这将会进一步损害受损肌肉承受压力和产生力量的能力。当在小鼠胚胎期全身敲除titin与Myomeisn-1结合部位的基因，小鼠在胚胎期就会死亡，而在心脏中的特异性敲除会导致肌原纤维的紊乱解体，心肌收缩力下降，进而出现心脏萎缩表型[23]，虽然小鼠可以存活，但在40 d左右也会全部死亡。Flix等[24]发现进行性肌营养不良症的关键蛋白dysferlin能与Myomesin-2直接相互作用，参与维持肌膜的完整性，提示Myomesin-2参与肌营养不良疾病发生的可能性。Hathout等[25]检测两种肌营养不良蛋白缺陷小鼠血清中的生物学标志物，发现血清中Myomesin-3水平异常升高。随后的研究也证实肢带型肌营养不良2D型动物及患者血清中同样可以检测出高水平的Myomesin-3片段，并且随着疾病好转而恢复到正常水平[26]。由此可见，Myomesin基因家族参与肌营养不良疾病的发生发展，并可能成为该病检测、评估和监测治疗效果的潜在标志物。

3.2 Myomesin基因家族与DCM

Schoenauer等[27]对DCM小鼠和临床患者的研究发现，EH-Myomesin在DCM疾病早期就开始上调，其表达水平与心室扩张程度成正相关，与心室射血功能成负相关，进而提出EH-Myomesin是DCM的生物标志物。Rbm20是DCM最常见的致病基因之一，研究者在携带Rbm20基因突变患者的诱导多潜能干细胞分化而来的心肌细胞中同样检测到EH-Myomesin的异常表达[28]。然而也有研究显示在围产期DCM的患者中并未检测到EH-Myomesin的表达异常[29]，因而对其生物标志物的准确性仍然存在争议，同时也并不清楚EH-Myomesin在DCM疾病中发挥的是正性或是负性作用。不过目前比较明确的一点是，当胚胎型EH-Myomesin出现在成年肌肉细胞时，往往意味着肌肉疾病的发生。Shakeel等[30]对数例DCM患者进行全外显子测序，发现其中2例患者存在MYOM3基因的截短突变(rs143187236)或错义突变(rs149105212)，并且杂合突变患者因单倍体剂量不足，导致蛋白表达水平降低，进而造成左心室功能不全，提示MYOM3是DCM的候选基因。此外，他们还发现其中截短突变的等位基因频率在南亚人群中很高，可用于DCM患者的风险评估和精确治疗。

3.3 Myomesin基因家族与HCM

Siegert等[31]在家族遗传性HCM家系中筛查到MYOM1基因的错义突变V1490I，该突变位于12号结构域(My12)，导致Myomesin-1蛋白13号(My13)结构域的二聚体化亲和力和热稳定性下降。虽然具体致病机制不明，但很可能是因为突变的Myomesin-1影响M线上相邻肌球蛋白的交联，从而导致HCM的发生。其后，研究表明在新生大鼠心肌细胞中，肌纤维形成调节因子1可以通过调控Myomesin-1的类泛素化修饰，导致肌节组织过度组装，进而诱导心肌肥厚[13]。由此可见肌节组装的异常不仅是HCM的重要病理表现，更可能是HCM发生的始动因素。

4 总结与展望

Myomesin家族成员是横纹肌肌原纤维M线的主要成分，将myosin、titin和obscurin蛋白交联在一起，共同参与肌原纤维的组装和机械力量传导，但是其参与肌节组装的过程和传导机械力量的方式都不明确。该家族三个成员都是由13个结构域组成，但它们在表达模式上存在很大差异，提示其生物学功能上的潜在差异，仍需进一步的研究来证明这种差异并且阐明造成差异的原因。此外研究表明Myomesin家族与DCM、HCM和肌营养不良等多种肌肉疾病相关联，但尚无病因学和病理学的研究。相比于近年来研究火热的M带处另一个弹性蛋白titin，该家族的研究在很大程度上被忽视，甚至迄今为止无任何关于该基因家族的敲除研究。综上，Myomesin基因家族在生物体内发挥着不可忽视的作用，具有很大的研究价值，应该引起研究者的重新重视。相信随着基因编辑、重编程和下一代测序技术的发展，未来将会在该基因家族中识别出更多突变位点，开发出多种敲除、突变或过表达模型，用于生物学功能和基因型-表型关联的研究。