铁调素调节蛋白在失重性肌萎缩形成中的作用及机制

Weightlessness muscle atrophy will seriously affect astronauts in orbit dwell time and work performance. How to understand weightlessness muscular atrophy mechanism and develop effective prevention measures is the key to decide success or failure of future long-term manned flight. In previous study, we found the novel mechanism of hemojuvelin (HJV) directly combined with TβRII to regulate TGF-β1/Smad3 signal pathway activation, but whether HJV was involved in weightlessness muscle atrophy keeps unclear. In this study, we will employ skeletal muscle conditional knockout HJV, pCMV-HJV, pCMV-HJV&shTβRII plasmid-transfected mice as well as their controls to develop the models of tail suspension-induced weightlessness muscle atrophy to further investigate that the effects of HJV on the selective atrophy and transition into fast-twitch myofibers of slow-twitch myofibers during muscle atrophy; the influence of HJV expression level on TGF-β1/Smad3 signaling pathway activation; Furthermore, we will reveal the novel mechanism of HJV in regulating TGF-β1/Smad3 signaling pathway and its molecular mechanism which regulates the transcription and expression of muscle atrophy-specific genes and myofiber type-specific gene during muscle atrophy. The study may provide potential drug targets and drug candidates for the development of effective protection and countermeasures for the muscle atrophy during space flight.

失重性肌萎缩将严重影响航天员在轨驻留时间和工作绩效，深入认识失重性肌萎缩发生机制，研制有效防治措施，是决定未来长期载人飞行成败的关键。我们首次发现小鼠骨骼肌铁调素调节蛋白（HJV）与TβRII直接结合抑制TGF-β1/Smad3通路的新机制，但HJV是否参与失重性肌萎缩形成及其机制尚不清楚。本研究将采用骨骼肌条件性敲除HJV、比目鱼肌转染pCMV-HJV、pCMV-HJV+shTβRII及其对照小鼠尾悬吊的失重性肌萎缩模型，深入探讨在失重性肌萎缩形成过程中，HJV的动态变化规律及其对慢肌选择性萎缩、慢肌向快肌纤维表型转化的影响；HJV表达水平对失重性肌萎缩关键信号通路TGF-β1/Smad3的影响；并进一步揭示HJV调控失重性肌萎缩TGF-β1/Smad3信号通路的新机制及其调控肌萎缩特异基因和慢肌特异基因转录表达的分子机制。为进一步研发航天肌萎缩的有效防治药物提供潜在药物靶点和候选药物。

航天失重性肌萎缩将严重影响航天员在轨驻留时间和工作绩效，但现有的综合物理对抗措施不能有效防护。因此，深入认识失重性肌萎缩发生机制，研制针对性有效防治措施，是决定未来长期载人飞行成败的关键，也是国际航天医学研究领域中亟待解决的难题。本项目聚焦骨骼肌膜蛋白HJV对去负荷失重的响应性变化及其在失重性肌萎缩中的关键作用和机制这一拟解决的关键科学问题，以骨骼肌条件性基因敲除和信号转导关键基因干预等的小鼠为实验对象，采用国际公认的尾悬吊模拟失重方法制备失重性肌萎缩模型。通过研究失重性肌萎缩发生过程中，不同模式动物在比目鱼肌萎缩、慢肌纤维向快肌纤维类型转化的特征变化差异性，揭示了骨骼肌条件性敲除HJV和比目鱼肌敲低HJV对失重性肌萎缩特征性变化的重要调控作用，明确了HJV在失重性肌萎缩中的关键作用；揭示了TGF-β1/Smad3是HJV调控失重性肌萎缩的关键信号通路，而与BMP/Smad1/5/8信号通路无显著相关；揭示了HJV与TβRII受体直接作用激活TGF-β1/Smad3信号转导通路，增加pSmad3入核，诱导肌萎缩特异基因Atrogin-1和快肌纤维特异基因MHC-IIb转录表达的分子调控机制，并在蛋白水平证明了HJV/TβRII-TGF-β1/pSmad3信号转导通路对肌萎缩特异因子Atrogin-1/MuRF-1和快肌/慢肌纤维特异因子Troponin-I FS/Troponin-I SS表达水平的调控作用。综上所述，本项目明确了骨骼肌膜蛋白HJV在小鼠尾悬吊模拟失重过程中表达降低在失重性肌萎缩形成中的关键作用及其与TβRII直接作用激活TGF-β1/pSmad3信号转导通路的失重性肌萎缩的信号转导机制；明确了HJV及其TGF-β1/pSmad3信号转导通路对失重性肌萎缩形成中肌萎缩基因Atrogin-1和快肌纤维基因MHC-IIb等的下游效应关键基因转录调控的分子机制。可为进一步研发基于失重性肌萎缩发生机制的针对性有效防护药物提供潜在筛选靶点和候选药物，并可为长期空间飞行失重性肌萎缩的监测以及干预防护效果的评估等提供新思路。