MST1激酶在失重引起的骨骼肌萎缩中的作用及机制研究

During the pathologic process of skeletal muscle atrophy, the normal energy production and protein synthesis rate is suppressed and many of the proteolysis mechanisms are activated，which eventually leads to dramatic decrease in skeletal muscle mass and contractile functional loss. We have previously identified that multiple components of Hippo signaling pathway, including MST1 kinase and YAP co-activator, were dramatically up-regulated during skeletal muscle atrophy. We have further identified that through phosphorylation of FOXO3a transcription factors, MST1 kinase promotes the onset of myofiber atrophy. However, the molecular mechanisms that mediate the up-regulation of MST1 gene expression and whether the Hippo signaling pathway is also functionally involved in the pathogenesis of skeletal muscle still remain unknown. In this proposed project, based on our previous findings, we will deeply investigate the functional mechanism of MST1 kinase, as well as the Hippo signaling pathway, in mediating skeletal muscle atrophy, using molecular, biochemical, histological and tissue-specific transgenic mouse model. The ultimate goal of this proposed project is to provide new understanding of pathogenic mechanisms of skeletal muscle atrophy, as well as to provide novel therapeutic target for the clinical treatment of skeletal muscle atrophy.

在骨骼肌萎缩的病理过程中，参与骨骼肌正常能量代谢和收缩功能的一些蛋白质的降解过程被激活，最终表现为萎缩的骨骼肌组织质量和收缩力量的显著下降。我们前期的研究结果表明， Hippo信号通路中的多个关键蛋白， 如MST1激酶在骨骼肌萎缩过程中表达上升。进一步研究表明MST1激酶通过磷酸化激活转录因子FOXO3a促进了骨骼肌的萎缩过程。然而介导MST1基因表达升高的机制还不清楚，MST1激酶对FOXO3a转录因子的翻译后修饰作用是否参与介导各种病因引起的骨骼肌萎缩过程也有待进一步研究。因此，本项目将在我们前期工作的基础上， 利用分子生物学、生物化学、组织学以及组织特异性基因敲除小鼠模型等工具和方法， 进一步研究MST1激酶以及FOXO3a转录因子参与骨骼肌萎缩的分子机制，重点研究MST1-FOXO3a信号通路在失重引起的骨骼肌萎缩中的功能，以期为骨骼肌萎缩的预防与治疗提供新的治疗靶点。

在正常生理状态的骨骼肌纤维内，蛋白质的合成速率与降解速率处于一个精确的平衡状态。在骨骼肌萎缩的病理过程中，参与骨骼肌正常能量代谢和收缩功能的一些蛋白质的降解过程被激活，最终表现为萎缩的骨骼肌组织质量和收缩力量的显著下降。 .在萎缩的骨骼肌纤维中参与介导蛋白降解的分子机制主要有泛素-蛋白酶体（ubiquitin-proteasome）介导的蛋白质分子的降解和骨骼肌纤维内的自噬（autophagy）两类。有文献报道指出，在萎缩的骨骼肌纤维内，转录因子 Foxo3a同时调节泛素-蛋白酶体系统和自噬系统的活性。在萎缩的骨骼肌纤维中，Akt的激酶活性显著下降，失去了对 Foxo3a 的有效抑制，这导致了 Foxo3a 转录激活功能的上调。Foxo3a 的功能同时也受到 MST1/2 的磷酸化激活，并引起Foxo3a 的细胞核转位。人们对于 MST1/2 在骨骼肌纤维中的功能作用一直缺乏了解。在本论文的工作中，我利用 MST1 敲除小鼠结合小鼠骨骼肌萎缩模型，并通过一些常规的生物化学、分子生物学和组织学实验技术，对MST1及Foxo3a信号通路在生理状态和病理重塑过程中骨骼肌组织中的功能进行了系统研究。结果表明，MST1 及其下游两个转录因子 Foxo3a 和 YAP 广泛分布于心肌，呼吸肌，快收缩型以及慢收缩型的骨骼肌中。MST1 在出生后早期发育阶段的心肌和骨骼肌的表达量显著高于成年期，提示一些发育初期阶段的基因调控机制可能参与控制 MST1 的表达。在尾部悬吊和去神经引起的骨骼肌萎缩过程中，MST1mRNA 及蛋白水平均显著上升。在成年的小鼠骨骼肌纤维中表达外源GFPc2-MST1 足以引起肌纤维的部分萎缩，提示 MST1/2 可能具有促进骨骼肌萎缩的功能。在快收缩型肌纤维的萎缩过程早期，MST1 磷酸化并激活 Foxo3a，引起 Foxo3a 转位到骨骼肌纤维的细胞核内。MST1 敲除小鼠的快收缩型肌纤维表现出显著抵抗萎缩的表型，而其慢收缩型肌纤维表现出正常的的萎缩程度。Foxo3a 在调节萎缩相关基因 LC-3 和 Atrogin-1 时,其功能部分依赖于 MST1 激酶对其磷酸化激活作用。 综上所述，我们证明 MST1 可以通过磷酸化修饰并激活 Foxo3a 转录因子促进骨骼肌纤维的萎缩过程。