综述：骨骼肌中转座子的表达与抑制

《Mobile DNA》：Transposon expression and repression in skeletal muscle

这篇综述聚焦于转座子（TEs）在骨骼肌中的作用。它探讨了 TEs 在骨骼肌再生、疾病（如肌肉萎缩症、免疫性肌病）和衰老中的表达、调控及影响，还研究了其相关调控通路（如 KRAB - ZFP/KAP1/SETDB1 复合物），对理解肌肉生理和疾病机制意义重大。

　　### 转座子简介
转座子（Transposable elements，TEs）是可在基因组中复制并重新插入的 DNA 序列，在哺乳动物基因组中占比达 45.6%，对物种进化意义重大。例如，MER41 转座子参与先天免疫信号通路，为相关基因提供 STAT1 转录因子结合位点，实现基因同步上调。

根据转座机制，TEs 分为两类。I 类转座子（Class I TEs）即逆转录转座子，占人类基因组约 44%，依赖 RNA 的 “复制 - 粘贴” 机制转座，包括长末端重复（Long terminal repeat，LTR）逆转录转座子（如人类内源性逆转录病毒 HERVs 及其亚型）和非 LTR 逆转录转座子（长散在核元件 LINE、短散在核元件 SINE 和 SINE - R/VNTR/Alu 元件 SVA）。II 类转座子（Class II TEs）是 DNA 转座子，采用 “切割 - 粘贴” 策略转座。随着测序技术发展，发现 TEs 活动影响包括骨骼肌在内的所有组织，其插入会改变附近基因表达、破坏开放阅读框或修改剪接模式，这些改变对肌肉健康可能有益、有害或中性。

骨骼肌与再生

健康骨骼肌由收缩性多核肌纤维、干细胞、内皮细胞、成纤维细胞和免疫细胞组成。损伤后，卫星细胞（肌肉干细胞）被激活，启动肌生成程序，巨噬细胞和成纤维细胞也参与其中。卫星细胞在再生过程中经历显著的表观遗传和转录变化，修复完成后重新建立干细胞池。再生过程分为炎症、再生和重塑三个阶段，受损肌纤维被巨噬细胞吸收，卫星细胞激活、增殖、分化形成新的肌细胞并融合成多核肌纤维，部分卫星细胞自我更新。虽然对骨骼肌再生过程中 TEs 表达状态研究较少，但已有研究表明 TEs 激活与抑制的平衡在其他组织再生中对炎症调节、干细胞潜能维持及炎症状态平衡十分关键。

转座子在骨骼肌中的表达

早期通过对表达序列标签（ESTs）的生物信息学分析发现，人类骨骼肌中 0.82% 的 ESTs 含有内源性逆转录病毒序列，HERV - H 的 env 基因在骨骼肌、胎盘、脾脏和胸腺等组织及多种细胞系中特异性表达。后续研究借助生物信息学分析，在肌肉基因外显子中发现特定逆转录转座子和灵长类特异性 Alu 元件，还鉴定出含转座子的人类基因，如 SEPN1 基因。此外，研究人员利用抗体检测到 ERV3 TEs 在人类肌肉中翻译。不同物种组织的研究结果存在差异，大鼠肌肉中特异性表达的 TEs 相对较少，而小鼠组织的 Cap Analysis Gene Expression（CAGE）数据显示肌肉中存在不同逆转录转座子的组织特异性表达模式。此前研究多针对整块肌肉，由于肌肉由多种细胞组成，后续需借助单细胞 / 细胞核 RNA 测序及相关算法（如 SoloTE）确定表达特定 TEs 的细胞类型。目前尚不清楚这些 TEs 的表达对肌肉生理的影响，以及它们是因附近基因转录而表达，还是有其自身调控机制。

肌肉中转座子的抑制

多数 TEs 通过 DNA 和组蛋白 3 赖氨酸 9（H3K9）甲基化实现表观遗传沉默，其中 Krüppel 相关盒锌指蛋白（KRAB - ZFP）家族转录因子发挥重要作用。KRAB - ZFP 家族成员通过其 N 端的 KRAB 结构域和 C 端的 C2H2 锌指阵列，招募共抑制因子 KRAB 相关蛋白 1（KAP1，也称为 Tripartite motif containing 28，TRIM28）以及 H3K9 甲基转移酶 Su (var) 3 - 9、Enhancer of Zeste 和 Trithorax 结构域分叉组蛋白赖氨酸甲基转移酶 1（SETDB1），促使 TE 序列甲基化和表观遗传沉默，形成低组蛋白乙酰化和高 H3K9 三甲基化（H3K9me3）的异染色质。

KRAB - ZFPs 具有细胞类型特异性表达模式，在 C2C12 小鼠成肌细胞系中，敲低 KAP1 会使 MERVK10C - int 上调，敲低 SETDB1 则使 MERVK10C、IAP - d 和 IAPEz TEs 上调，这些均属于 ERVKs 亚类。在该细胞系中，KAP1 还通过调控成肌决定蛋白 1（Myod）和肌细胞特异性增强因子 2d（Mef2d）协调肌生成，在增殖阶段，KAP1 作为支架招募染色质抑制剂和激活剂，维持沉默效应，分化信号诱导 KAP1 的 Ser473 磷酸化后，促进细胞分化。此外，KAP1 可能通过抑制 miR - 133a 调节成肌细胞分化，但 KAP1 与 KZFPs 及 TE 调控的联系尚待研究。

在小鼠体内研究发现，KAP1 参与调节肌肉纤维大小，高强度收缩实验中 KAP1 的 Ser473 发生磷酸化，KAP1 肌肉特异性敲除小鼠的肥大反应减弱。卫星细胞中 KAP1 缺失虽不影响其数量，但会导致损伤后肌肉再生障碍，原因是再生肌管融合缺陷和过度纤维化，且该缺陷与 Ser473 磷酸化无关，可能与 Myomixer 基因调节有关。Setdb1 在卫星细胞中对 ERV 位点的主动抑制对骨骼肌再生至关重要，卫星细胞中 Setdb1 基因缺失会导致多种 HERVs 和细胞因子上调，激活 cGAS 信号，干扰免疫细胞动态，使卫星细胞上调细胞周期抑制剂基因并发生凋亡，进而严重损害肌肉再生。这些研究表明转座子调控在肌肉再生中意义重大，但在肌肉中招募 KAP1 和 SETDB1 抑制 TEs 的具体 KRAB - ZFP 蛋白尚未明确。

转座子与肌肉表型变异

转座子插入基因内部或附近会改变基因表达，可能产生有益影响。例如，马的 Myostatin 基因启动子插入马重复元件 1（ERE - 1）SINE，与纯种赛马的最佳比赛距离相关，插入导致 Myostatin 表达降低，使马的肌肉纤维类型发生改变，增加 2B 型糖酵解肌纤维，减少 1 型氧化肌纤维。非转座子突变也会影响 Myostatin 表达，进而影响肌肉质量。

源自内源性逆转录病毒 env 基因的 syncytin 基因对小鼠胎盘形成至关重要，在肌肉发育和再生中也有重要作用。敲除 syncytin - B 会损害雄性小鼠的肌肉发育和再生，体外实验中敲低 syncytin 基因会减少人、羊和狗原代成肌细胞的融合，表明该基因对哺乳动物肌肉组织和胎盘形成影响重大。

转座子与肌肉萎缩症

转座子插入对骨骼肌形成重要的蛋白质编码基因，可能导致肌肉发育异常或肌肉萎缩症。1993 年发现的首例逆转录转座子导致人类疾病的案例中，两名患有杜氏肌营养不良（Duchenne muscular dystrophy）的兄弟，其 Duchenne 肌营养不良（Dmd）基因的第 44 外显子插入了长散在核元件 1（LINE - 1/L1），导致外显子 44 跳跃、移码突变和提前终止密码子。在另一个家庭中，Dmd 基因第 48 外显子插入 LINE - 1，导致外显子 48 跳跃，产生不同程度的肌营养不良表型。LINE - 1 插入 Dmd 基因还导致狗患肌肉萎缩症，小鼠因 IAP 元件 5’ LTR 和 F 型 LINE - 1 序列插入 laminin alpha 2 基因，引发肌肉疾病。

此外，SINE 及其相关重复序列插入 Fukutin 基因，在日本人群中与福山型先天性肌营养不良（Fukuyama - type congenital muscular dystrophy）相关，该插入影响 mRNA 稳定性。在拉布拉多犬中，SINE 插入 Ptpla（现称为 3 - hydroxyacyl - CoA dehydratase 1，Hacd1）基因导致中央核肌病，使 mRNA 变体增多，总转录本减少。可见，多种肌肉萎缩症与转座子插入密切相关。

转座子在肌炎中的表达

特发性免疫性肌病（Idiopathic Immune Myopathies，IIM），又称自身免疫性肌炎（Autoimmune Myositis，AIM），是一组以肌肉炎症和多种肌肉及肌肉外表现为特征的自身免疫性疾病，包括皮肌炎（Dermatomyositis，DM）、免疫介导坏死性肌病（Immune Mediated Necrotizing Myopathy，IMNM）、抗合成酶综合征（Antisynthetase Syndrome，ASS）和包涵体肌炎（Inclusion Body Myositis，IBM）。干扰素（Interferon，IFN）系统在这些疾病的病理生理过程中起重要作用，I 型干扰素（IFN - I）主要与 DM 相关，II 型干扰素（IFN - II）在 ASS 和 IBM 中更为突出。

研究发现，许多自身免疫性疾病与 LINE - 1 元件上调有关，在 DM 患者中，LINE - 1 表达与 IFN - 1B 水平正相关，且 LINE - 1、HERVK14C 和 SVA 元件上调，DNMT3A 表达降低，导致 LINE - 1 启动子低甲基化。此外，LINE - 1 调控与 IFN - 1 通路受 HUSH 复合物调节，LINE - 1 上调可激活 IFN - 1 信号。肌炎还可能是药物副作用，如他汀类药物诱导的肌炎，在人成肌细胞中，辛伐他汀处理会使许多 TEs 差异表达，且与他汀类肌病通路相关。

面肩肱型肌营养不良（FSHD）

面肩肱型肌营养不良（Facioscapulohumeral muscular dystrophy，FSHD）是一种人类肌肉疾病，与特定基因上调导致转座子表达有关。该疾病影响面部、肩部和上臂肌肉，导致肌肉无力和萎缩。FSHD 与 4 号染色体上的重复元件 D4Z4 相关，D4Z4 编码同源框转录因子 DUX4。在人类胚胎发育的 4 细胞阶段，DUX4 短暂表达，激活许多胚胎早期表达基因和特定 TEs（如 HERVL）。小鼠中 DUX4 的同源物 DUX 在 2 细胞阶段表达，对胚胎发育至关重要。

在人类和小鼠胚胎干细胞中，DUX4 和 DUX 表达在细胞分裂后消失。FSHD 最常见的形式是 4 号染色体上 D4Z4 重复序列减少到 10 个或更少，且伴有特定的 polyA 信号时，最后一个 D4Z4 重复序列可在肌肉细胞中产生 DUX4 蛋白。虽然在正常人和 FSHD 患者肌肉中 DUX4 表达几乎检测不到，但在约 1/1000 的 FSHD 肌核中可检测到。在人成肌细胞中过表达 DUX4 会诱导许多 4 细胞阶段正常表达的基因，ChIP - seq 分析发现 DUX4 在 Mammalian apparent LTR retrotransposon（MaLR）家族元件富集，RT - PCR 证实转导的成肌细胞中 MaLR 转录本上调。研究认为，逆转录转座子的重新激活可能导致 DUX4 表达诱导的细胞凋亡，进而导致 FSHD 的营养不良表型。此外，DUX4 还能激活部分 TEs 转录，其中一些可作为人类基因的替代启动子，如 Hey1 基因，它抑制肌生成，在 FSHD 肌肉中高度上调，这为转座子上调导致疾病的机制提供了一种解释。

转座子在肌肉衰老和运动中的作用

在衰老的小鼠和大鼠肌肉中，LINE 元件上调，虽然未发现与生理变化相关，但研究人员推测其可能导致基因组不稳定和细胞功能障碍。在小鼠肌肉衰老过程中，逆转录元件 DNA 整体甲基化水平发生变化，部分元件甲基化程度随年龄增加，部分则降低。在人类中，LINE - 1 元件随年龄增长去甲基化且表达增加，但特定运动可减少这种与年龄相关的去抑制。在年轻患者中，运动可降低 LINE - 1 mRNA 含量和相关蛋白翻译，增加卫星细胞数量。由于 AKT 通路是肌肉肥大和卫星细胞增殖的重要调节通路，且 L1 抑制可增强 AKT 信号，因此运动对 LINE - 1 的影响可能与这些因素有关。此外，力量训练后患者血液中 HERV - W 转座子表达增加，但尚不清楚肌肉是否是其表达来源。转座子表达有望成为肌肉衰老的生物标志物和潜在治疗靶点，但该领域仍需更多研究。

结论

转座子在基因组进化中作用显著，但在肌肉生理中的作用仍需深入研究。小鼠遗传学数据表明，肌肉干细胞中 TEs 的沉默对肌肉再生至关重要，但在其他肌肉细胞类型中的调控机制有待探索。转座子插入可能有益，也可能导致严重肌肉疾病，甚至其转录也可能引发肌肉疾病。FSHD 中 DUX4 表达可导致肌肉疾病，可能与转座子上调有关。肌肉衰老过程中转座子可能重新激活，其影响需进一步研究。随着测序技术发展，关于转座子在肌肉生物学中的研究将取得更多成果，但也会带来新的问题和挑战。