第34卷第8期 生命科学 Vol.34,No.8 2022年8月 Chinese Bulletin of Life Sciences Aug,2022 D0L:10.13376j.cbls/2022117 文章编号：1004-0374(2022)08-1054-10 心脏与骨骼肌Smyd1及其运动干预研究进展 唐杰，蔡梦听*，田振军 (陕西师范大学体育学院暨运动生物学研究所，西安710119) 摘要：组蛋白甲基转移酶1(SET and MYND domain containing I,Smydl)是组蛋白赖氨酸甲基转移酶 SMYD家族成员，其表达具有肌组织特异性，可通过甲基化组蛋白和非组蛋白，在转录水平调控靶基因表达， 参与细胞结构组成和生理活动。研究发现，Smyd1是调节心脏和骨骼肌发有的关键因子之一，在肌节组装， 肌细胞生长和线粒体能量代谢等过程中发挥重要生物学作用，其表达异常与多种心脏和骨骼肌疾病的发生 发展密切相关。运动可促进心脏和骨骼肌生长发育和功能改善，同时调节正常生理和病理条件下Sydl表 达。Smyd1是否可作为运动作用的靶点，通过调控其下游分子和表观遗传改变，参与运动效应值得研究 本文对近年来Smyd1的生物学表征及其在心脏和骨骼肌发育和成体功能维持中的作用进行梳理，对其运动 干预效应进行总结和展望，以期为临床心脏和骨骼肌疾病的治疗靶点及运动训练和康复干预的作用靶点筛 选研究提供理论依据。 关键词：组蛋白甲基转移酶1：心脏：骨骼肌：运动 中图分类号：G804.7:Q445 文献标志码：A The role of histone methyltransferase Smyd1 in heart and skeletal muscle and impact of exercise intervention TANG Jie,CAI Meng-Xin*,TIAN Zhen-Jun (Institute of Sports and Exercise Biology,Shaanxi Normal University,Xi'an 710119,China) Abstract:Smydl(SET and MYND domain containing 1),a member of the histone lysine methyltransferase SMYD family,is a muscle-specific protein.Through methylating histone and non-histone proteins at the transcriptional level,SmydI plays an important role in maintaining cell structure and function.It has been reported that Smydl is a key factor in the development of heart and skeletal muscle by regulating sarcomere assembly,muscle fiber growth and mitochondrial energy metabolism.The abnormal expression of Smydl is closely related to the occurrence and development of a variety of heart or skeletal muscle diseases.Exercise can improve the development and growth of heart and skeletal muscle and regulate Smydl expression under physiological and pathological conditions.In this article,we review the biological characterization and function of Smydl,summarize and prospect the effect of exercise intervention,thus trying to provide a theoretical basis for exploring the therapeutic targets of heart and skeletal muscle diseases and the mechanism of exercise intervention. Key words:Smydl;heart;skeletal muscle;exercise training SMYD (SET and MYND domain-containing 酸甲基转移酶，主要通过调节组蛋白或非组蛋白的 proteins)家族(Smyd1~-)是一组重要的组蛋白赖氨 甲基化修饰，调控其下游靶基因表达，在胚胎发育、 收稿日期：2022-04-18：修回日期：2022-06-06 基金项目：国家自然科学基金项目(32171128)：国家自然科学基金青年科学基金项目(31701039)：中央高校基本科研业 务费专项基金项目(GK202103121) *通信作者：E-mail:warmxin1223@126.conm (C)1994-2022 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
第34卷 第8期 2022年8月 生命科学 Chinese Bulletin of Life Sciences Vol. 34, No. 8 Aug., 2022 文章编号：1004-0374(2022)08-1054-10 DOI: 10.13376/j.cbls/2022117 收稿日期：2022-04-18；修回日期：2022-06-06 基金项目：国家自然科学基金项目(32171128)；国家自然科学基金青年科学基金项目(31701039)；中央高校基本科研业 务费专项基金项目(GK202103121) *通信作者：E-mail: warmxin123@126.com 心脏与骨骼肌Smyd1及其运动干预研究进展 唐 杰，蔡梦昕*，田振军 (陕西师范大学体育学院暨运动生物学研究所，西安 710119) 摘 要 ：组蛋白甲基转移酶 1 (SET and MYND domain containing 1, Smyd1) 是组蛋白赖氨酸甲基转移酶 SMYD 家族成员，其表达具有肌组织特异性，可通过甲基化组蛋白和非组蛋白，在转录水平调控靶基因表达， 参与细胞结构组成和生理活动。研究发现，Smyd1 是调节心脏和骨骼肌发育的关键因子之一，在肌节组装、 肌细胞生长和线粒体能量代谢等过程中发挥重要生物学作用，其表达异常与多种心脏和骨骼肌疾病的发生 发展密切相关。运动可促进心脏和骨骼肌生长发育和功能改善，同时调节正常生理和病理条件下 Smyd1 表 达。Smyd1 是否可作为运动作用的靶点，通过调控其下游分子和表观遗传改变，参与运动效应值得研究。 本文对近年来 Smyd1 的生物学表征及其在心脏和骨骼肌发育和成体功能维持中的作用进行梳理，对其运动 干预效应进行总结和展望，以期为临床心脏和骨骼肌疾病的治疗靶点及运动训练和康复干预的作用靶点筛 选研究提供理论依据。 关键词 ：组蛋白甲基转移酶 1 ；心脏 ；骨骼肌 ；运动 中图分类号 ：G804.7 ；Q445 文献标志码 ：A The role of histone methyltransferase Smyd1 in heart and skeletal muscle and impact of exercise intervention TANG Jie, CAI Meng-Xin*, TIAN Zhen-Jun (Institute of Sports and Exercise Biology, Shaanxi Normal University, Xi’an 710119, China) Abstract: Smyd1 (SET and MYND domain containing 1), a member of the histone lysine methyltransferase SMYD family, is a muscle-specific protein. Through methylating histone and non-histone proteins at the transcriptional level, Smyd1 plays an important role in maintaining cell structure and function. It has been reported that Smyd1 is a key factor in the development of heart and skeletal muscle by regulating sarcomere assembly, muscle fiber growth and mitochondrial energy metabolism. The abnormal expression of Smyd1 is closely related to the occurrence and development of a variety of heart or skeletal muscle diseases. Exercise can improve the development and growth of heart and skeletal muscle and regulate Smyd1 expression under physiological and pathological conditions. In this article, we review the biological characterization and function of Smyd1, summarize and prospect the effect of exercise intervention, thus trying to provide a theoretical basis for exploring the therapeutic targets of heart and skeletal muscle diseases and the mechanism of exercise intervention. Key words: Smyd1; heart; skeletal muscle; exercise training SMYD (SET and MYND domain-containing proteins) 家族 (Smyd1~5) 是一组重要的组蛋白赖氨 酸甲基转移酶，主要通过调节组蛋白或非组蛋白的 甲基化修饰，调控其下游靶基因表达，在胚胎发育
第8期 由本，等：心，脏与骨路肌Smvd1及其运动王预研究讲后 1055 炎扉调节、染鱼体完整性维持等方面发挥重要作 hof时，表达于心原基：48hpf时，胸转肌出现 用。Smd基因最早由Hwang和Gottlieb发现 若表达：72hf时，表达于头肌，是显蓉的肌组) 于小鼠细胞毒性T淋巴细胞(cytotoxic lymphocyte. 特异性。Smyd1主要定位于肌节M线处和细 CTL)和胸腺细胞中，因其转录方向与CTL细胞表 核中，分别通过与肌球蛋白(nyosin)结合控制肌节 面特异性抗原CD8b基因相反，又称B0D基因。多 组转，或通过其MYND结构域与组蛋白或非组蛋 种模式动物研究证实，缺失Smd基因可导致胚 白结合，调控基因转录 发育异常而死亡。Smydl在肌节组装、肌细胞生长 此外，Ye等I和Becker等在人脐静脉内 和分化以及线粒体能量代谢等方面发挥重要作用 (human umbilical vein endothelial cells huvecy 是心脏和骨骼肌发有及成体功能维持的重要调控因 中同样检测到Smyd1表达，并发现其参与内皮细 子。前期研究发现 ,Smydl表达受运动调节，并参 胞的迁移与血管的生成。Mayfield等在大脑皮 与运动心脏保护效应，提示其是运动作用的潜在分 层和C2C12细胞诱导转化的神经样细胞中检测到 子靶点。本文对近年来Smyd1的生物学表征、在 Smydl表达，通过KEGG通路分析发现，Smydl 心脏和骨肌发有以及成体功能维持中的作用及相 和新生多肽相关复合物α亚基的骨酪肌和心肌特异 关分子调控机制进行梳理，对运动干预的作用及可 性变体(skeletal and heart muscle specific variant of nascent 能机制进行总结和展望，以期为探索临床相关疾病 polypeptide-.associated complex a,skNAC)缺失可以 的发生机理， 筛选可能的治疗靶点及研究运动效应 导致退行性神经疾病相关因子表达异常】 的作用靶点提供思路和依据。 2 Smyd1与心脏和骨骼肌发育 1 Smyd1的生物学表征 2.1 Smyd1与心脏发育 SMYD家族成员均含有SET(suppressor of varie 心脏是机体发育过程中最早形成和行使功能的 gation,enhancer of zeste,trithorax)MYND (myeloid 器官 前期研究发现，Smd1a突变型斑马鱼 nervy-.DEAFI)两个保守的结构域.。其中，SET 心率和心，时形态与野生型无显著差异，但单种被除 结构域由约130个氨基酸组成，主要负责甲基转移 Smydlb以及联合敲除Smydla和Smydlb可导致心 酶的酶促活性，催化赖氨酸甲基化，网。MYND结 脏水肿、室壁变薄 肌细胞肌节组装紊乱以及心 构域是由7个半胱氨酸残基和1个组氨酸残基构成 脏结构异常且无辆动B,说明Sda缺失并 的锌指结构，主要参与蛋白质互作心叫。与家族 未影响心脏发有.而Sdb在心胖发时程中占 其他成员相比， 除了SET和MYND结构域以外 主导作用，是心肌细胞结构形成的关键因子。基于 Smydl~3还含有一个TPR(tetratrico peptide repeat) 小鼠的研究发现，胚胎期7.75天(E7.75)时，Sd 序列的C末墙结构域(C-terminal domain.CTD, 基因特异性表达于胚胎前心区，随后沿心管表达 调控甲基转移酶的活性。Smydl可甲基化组蛋白 最终表达于心房和心室的心肌层， 并持续整个发有 H3和H4的赖氨酸残基，调节转录激活和抑制，其 过程：出生后，在心肌细胞中表达丰 。全身能 中，H3发生于K4、K9、K27、K36和K79位，H4 除或条件性敲除小鼠心脏Smdl基因可影响小鼠心 则发生于K20位。 肌细胞分化，降低心肌细胞增殖水平和内质网功能 Smd基因在多物种间表达保守，且具有肌纸 导致心肌细胞结构紊乱，心脏发有缺陷，胚胎有 织特异性。研究发现，斑马鱼Sd1基因可选择性 E10.5期死亡m2,且相对于左心室，右心室发有 前切为Sd/a与SdIh两种变构休 分别编码 不良和畸形现象更为严重。结合Smyd1表达的 含有486个和473个氨基酸的蛋白质m。 时空特性及基因敲除后的表型， 说明Smyd1在心 又可选择性剪切产生Smmd1b-W/和Snydlb-v2两 肌细胞分化、肌节组装和心肌细胞功能维特中发挥 种功能异构体。度马鱼胚胎受结后6h(hours pos 重要作用，是调控心脏发有的关键因子之一 ,hp Smydla开始转录表达，且其表 研究发现， 多种心脏转录因子参与Smyd1调 水平在体节形成过程中显著升高：而Sdb表达 控的心脏发育过程。其中，肌细胞增强因子20 较Smydla延后5h。原位杂交实验发现，Smydla (nvocvte enhancer factor2 C Mepc)日机用朐长 和SmydIb首先表达于脊索两侧的两行近轴细胞（发 分化的关键，其编码的含有MADS框结构的转录 有为慢肌)和肌节的外侧区域（发有为快肌）：22 因子，可调控心肌细胞特异基因的表达和转录。 C)1994-2022 China academic journal electronic publishing hous All rights reserved.http://www cnkinet
第8期 唐 杰，等：心脏与骨骼肌Smyd1及其运动干预研究进展 1055 炎症调节、染色体完整性维持等方面发挥重要作 用 [1-4]。Smyd1 基因最早由 Hwang 和 Gottlieb[5] 发现 于小鼠细胞毒性 T 淋巴细胞 (cytotoxic lymphocyte, CTL) 和胸腺细胞中，因其转录方向与 CTL 细胞表 面特异性抗原 CD8b 基因相反，又称 Bop 基因。多 种模式动物研究证实，缺失 Smyd1 基因可导致胚胎 发育异常而死亡。Smyd1 在肌节组装、肌细胞生长 和分化以及线粒体能量代谢等方面发挥重要作用， 是心脏和骨骼肌发育及成体功能维持的重要调控因 子。前期研究发现，Smyd1 表达受运动调节，并参 与运动心脏保护效应，提示其是运动作用的潜在分 子靶点。本文对近年来 Smyd1 的生物学表征、在 心脏和骨骼肌发育以及成体功能维持中的作用及相 关分子调控机制进行梳理，对运动干预的作用及可 能机制进行总结和展望，以期为探索临床相关疾病 的发生机理，筛选可能的治疗靶点及研究运动效应 的作用靶点提供思路和依据。 1 Smyd1的生物学表征 SMYD 家族成员均含有 SET (suppressor of variegation, enhancer of zeste, trithorax)和MYND (myeloidnervy-DEAF1) 两个保守的结构域 [1, 6]。其中，SET 结构域由约 130 个氨基酸组成，主要负责甲基转移 酶的酶促活性，催化赖氨酸甲基化 [1, 7-9]。MYND 结 构域是由 7 个半胱氨酸残基和 1 个组氨酸残基构成 的锌指结构，主要参与蛋白质互作 [1, 10-11]。与家族 其他成员相比，除了 SET 和 MYND 结构域以外， Smyd1~3 还含有一个 TPR (tetratrico peptide repeat) 序列的 C 末端结构域 (C-terminal domain, CTD) [1]， 调控甲基转移酶的活性。Smyd1 可甲基化组蛋白 H3 和 H4 的赖氨酸残基，调节转录激活和抑制，其 中，H3 发生于 K4、K9、K27、K36 和 K79 位，H4 则发生于 K20 位。 Smyd1 基因在多物种间表达保守，且具有肌组 织特异性。研究发现，斑马鱼 Smyd1 基因可选择性 剪切为 Smyd1a 与 Smyd1b 两种变构体，分别编码 含有 486 个和 473 个氨基酸的蛋白质 [12-13]。而 Smyd1b 又可选择性剪切产生 Smyd1b-tv1 和 Smyd1b-tv2 两 种功能异构体。斑马鱼胚胎受精后 6 h (hours post fertilization, hpf) Smyd1a 开始转录表达，且其表达 水平在体节形成过程中显著升高 ；而 Smyd1b 表达 较 Smyd1a 延后 5 h。原位杂交实验发现，Smyd1a 和 Smyd1b 首先表达于脊索两侧的两行近轴细胞 ( 发 育为慢肌 ) 和肌节的外侧区域 ( 发育为快肌 ) ；22 hpf 时，表达于心原基 ；48 hpf 时，胸鳍肌出现二 者表达 ；72 hpf 时，表达于头肌，呈显著的肌组织 特异性 [12]。Smyd1 主要定位于肌节 M 线处和细胞 核中，分别通过与肌球蛋白 (myosin) 结合控制肌节 组装，或通过其 MYND 结构域与组蛋白或非组蛋 白结合，调控基因转录 [14]。 此外，Ye 等 [15] 和 Becker 等 [16] 在人脐静脉内 皮细胞(human umbilical vein endothelial cells, HUVEC) 中同样检测到 Smyd1 表达，并发现其参与内皮细 胞的迁移与血管的生成。Mayfield 等 [17] 在大脑皮 层和 C2C12 细胞诱导转化的神经样细胞中检测到 Smyd1 表达，通过 KEGG 通路分析发现，Smyd1 和新生多肽相关复合物 α 亚基的骨骼肌和心肌特异 性变体 (skeletal and heart muscle specific variant of nascent polypeptide-associated complex α, skNAC) 缺失可以 导致退行性神经疾病相关因子表达异常。 2 Smyd1与心脏和骨骼肌发育 2.1 Smyd1与心脏发育 心脏是机体发育过程中最早形成和行使功能的 器官之一。前期研究发现，Smyd1a 突变型斑马鱼 心率和心脏形态与野生型无显著差异，但单独敲除 Smyd1b 以及联合敲除 Smyd1a 和 Smyd1b 可导致心 脏水肿、室壁变薄、心肌细胞肌节组装紊乱以及心 脏结构异常且无搏动 [12, 18-19]，说明 Smyd1a 缺失并 未影响心脏发育，而 Smyd1b 在心脏发育过程中占 主导作用，是心肌细胞结构形成的关键因子。基于 小鼠的研究发现，胚胎期 7.75 天 (E7.75) 时，Smyd1 基因特异性表达于胚胎前心区，随后沿心管表达， 最终表达于心房和心室的心肌层，并持续整个发育 过程 ；出生后，在心肌细胞中表达丰富 [20]。全身敲 除或条件性敲除小鼠心脏 Smyd1 基因可影响小鼠心 肌细胞分化，降低心肌细胞增殖水平和内质网功能， 导致心肌细胞结构紊乱，心脏发育缺陷，胚胎在 E10.5 期死亡 [20-21]，且相对于左心室，右心室发育 不良和畸形现象更为严重 [20]。结合 Smyd1 表达的 时空特性及基因敲除后的表型，说明 Smyd1 在心 肌细胞分化、肌节组装和心肌细胞功能维持中发挥 重要作用，是调控心脏发育的关键因子之一。 研究发现，多种心脏转录因子参与 Smyd1 调 控的心脏发育过程。其中，肌细胞增强因子 2C (myocyte enhancer factor 2C, Mef2c) 是肌细胞生长 分化的关键，其编码的含有 MADS 框结构的转录 因子，可调控心肌细胞特异基因的表达和转录
1056 生命科学 第34卷 Me2c基因突变可导致Smyd1表达下降。Me2c可 斑马鱼，2428hpf时即出现慢肌纤维的结构和功 与Smyd1启动子上的Me2反应元件直接结合进而 调控Smd在前心区表达，而除md基因 能异常：而Just等构建了斑马鱼Smydlb突变模 型并发现，48hpf时，慢肌纤维结构基本正常，但 可降低心脏LM.同源结构域转录因子1(LIM 快肌纤维的肌原纤维组装存在缺陷。敲除Smydla homeobox 1,lsll,心脏神经嵴表达转录因子2(heart 对骨骼肌形态结构和功能无影响，但同时敲除 and neural crest derivatives expressed 2,Hand2)T Smydla和Smdb可导致肌节素乱程度较单独敲 转录因子5(T-box transcription factor5,Tbx5)、Tbxl Smydla基因更为严重，且48hpf时同样出现慢肌 矮小身材同源框2(short stature homeobox2,Shox2)、 结构异常，推测早期胚胎Smydla基因的表达可能 Eyl(EYA transcriptional coactivator and phosphatas 参与改善SmydIb突变诱导的慢肌纤维发育缺陷P网 1)和l4(iroquois homeobox4)基因的表达m-2 特异性敲除小鼠胚胎成肌细胞中Sd1基因，可导 上调心房利钠因子(atrial natriuretic factor,.ANF)水 致肌肉质量显著减少、肌细胞分化受损、肌纤维数 平，且Smydl可与伴侣分子ASH2L((absent smal 量减少，以及肌肉特异性基因表达降低。爪蟾体 homeotic-2-like protein)相互作用，通过促使H3K4 内敲低Smydl同样导致胚胎的肌肉缺损网，而小 三甲基化激活Isl1启动。综上提示，Smyd1与多 鼠和斑马鱼Smdl基因的异位表达能够拯救斑马鱼 心脏转录因子共同作用，调节心脏发有 (图1) 胚胎中Smdl敲低或敲除诱导的缺陷4，说明 22 Smyd1与骨骼肌发育 Smyd1在骨骼肌发育过程中发挥重要调控作用，并 缺失Smdl基因的小鼠于胚胎期肌发生之前 具有一定的进化保守性。 死亡2，而斑马鱼胚胎具有透氧性，可在心脏无 研究Smydl调控骨骼肌发育的机制发现 收缩情况下继续存活和发有45天，因此，前期多 Smyd1是肌细胞生成素(myogenin,MyoG/Myf4) 采用斑马鱼模型探索Svd】在骨路肌发有中的作 生肌分化因子(myogenic differentiation,MyoD/Myf3)、 用。研究发现，敲除斑马鱼Smd/b基因可可完全阳 血清反应因子(serum nse factor Sre)和Mef2 断骨骼肌肌原纤维组装， 导致肌丝结构紊乱和肌 的直接下游靶基因4河。其中， MyoD和MyoG等 节结构异常，胚胎无运动能力，但未影响发育过 肌生成调节因子可与Smd1基因启动子上的E-bo以 程中肌源性基因的表达和成肌细胞的形成，提示 位点相结合，而SRF可结合CAG位点，进而调控 Smyd1表达。Smyd1与MyoD可协同激活肌肉 肌衡(muscle creatine kinase,MCK),而SRF可 正常心脏发 心脏发育异常 心肌跑增 正常骨骼肌发有 骨路肌发有异常 爪：肌肉发有 图1Smyd参与心脏和骨骼肌发育 (C)1994-2022 China Academic lou All rights reserved. http://www.cnki.ne
1056 生命科学 第34卷 Mef2c 基因突变可导致 Smyd1 表达下降。Mef2c 可 与 Smyd1 启动子上的 Mef2 反应元件直接结合进而 调控 Smyd1 在前心区表达 [22]。而敲除 Smyd1 基因 可降低心脏 LIM- 同源结构域转录因子 1 (LIM homeobox 1, Isl1)、心脏神经嵴表达转录因子 2 (heart and neural crest derivatives expressed 2, Hand2)、T 框 转录因子 5 (T-box transcription factor 5, Tbx5)、Tbx1、 矮小身材同源框2 (short stature homeobox 2, Shox2)、 Eya1 (EYA transcriptional coactivator and phosphatase 1) 和 Irx4 (iroquois homeobox 4) 基因的表达 [20-21]， 上调心房利钠因子 (atrial natriuretic factor, ANF) 水 平，且 Smyd1 可与伴侣分子 ASH2L (absent small homeotic-2-like protein) 相互作用，通过促使 H3K4 三甲基化激活 Isl1 启动 [23]。综上提示，Smyd1 与多 种心脏转录因子共同作用，调节心脏发育 ( 图 1)。 2.2 Smyd1与骨骼肌发育 缺失 Smyd1 基因的小鼠于胚胎期肌发生之前 死亡 [20-21]，而斑马鱼胚胎具有透氧性，可在心脏无 收缩情况下继续存活和发育 4~5 天，因此，前期多 采用斑马鱼模型探索 Smyd1 在骨骼肌发育中的作 用。研究发现，敲除斑马鱼 Smyd1b 基因可完全阻 断骨骼肌肌原纤维组装，导致肌丝结构紊乱和肌 节结构异常，胚胎无运动能力，但未影响发育过 程中肌源性基因的表达和成肌细胞的形成，提示 Smyd1 可能在肌管分化和肌纤维成熟后期发挥作 用 [12, 18, 24-25]。Tan 等 [12] 发现，敲低 Smyd1b 基因的 斑马鱼，24~28 hpf 时即出现慢肌纤维的结构和功 能异常 ；而 Just 等 [14] 构建了斑马鱼 Smyd1b 突变模 型并发现，48 hpf 时，慢肌纤维结构基本正常，但 快肌纤维的肌原纤维组装存在缺陷。敲除 Smyd1a 对骨骼肌形态结构和功能无影响，但同时敲除 Smyd1a 和 Smyd1b 可导致肌节紊乱程度较单独敲除 Smyd1a 基因更为严重，且 48 hpf 时同样出现慢肌 结构异常，推测早期胚胎 Smyd1a 基因的表达可能 参与改善 Smyd1b 突变诱导的慢肌纤维发育缺陷 [24]。 特异性敲除小鼠胚胎成肌细胞中 Smyd1 基因，可导 致肌肉质量显著减少、肌细胞分化受损、肌纤维数 量减少，以及肌肉特异性基因表达降低 [26]。爪蟾体 内敲低 Smyd1 同样导致胚胎的肌肉缺损 [27]，而小 鼠和斑马鱼 Smyd1 基因的异位表达能够拯救斑马鱼 胚胎中 Smyd1 敲低或敲除诱导的缺陷 [24, 28]，说明 Smyd1 在骨骼肌发育过程中发挥重要调控作用，并 具有一定的进化保守性。 研 究 Smyd1 调 控 骨 骼 肌 发 育 的 机 制 发 现， Smyd1 是肌细胞生成素 (myogenin, MyoG/Myf4)、 生肌分化因子 (myogenic differentiation, MyoD/Myf3)、 血清反应因子 (serum response factor, SRF) 和 Mef2c 的直接下游靶基因 [14, 29]。其中，MyoD 和 MyoG 等 肌生成调节因子可与 Smyd1 基因启动子上的 E-box 位点相结合，而 SRF 可结合 CArG 位点，进而调控 Smyd1 表达 [29-32]。Smyd1 与 MyoD 可协同激活肌肉 肌酸激酶 (muscle creatine kinase, MCK)，而 SRF 可 图1 Smyd1参与心脏和骨骼肌发育
第8期 由本，等：心，脏与骨路肌Smvd1及其运动干预研究讲园 1057 与M小voD增强子上的CArG位点相互作用，实现对 小鼠摸型发现，Sd1缺失可导致心肌细胞中线粒 woD的围控。上述研穷提示，Smvd1可可通过与 体生物发生和能量代谢的重要调控因子，如过氧化 肌生成因子的相互作用参与骨骼肌细胞的分化和肌 物酶体增殖物激活受体Y共激活因子1a(peroxisom。 纤维的形成过程（图1）。 proliferator-activated receptor y coactivator la.PGC 除肌生成调节因子外，Smvd1可与多种伴侣分 1a)、过氧化物酶体增殖物激活受体a(peroxisom 子共同作用，调节骨骼肌发有。其中， 热休克蛋 视黄素X 90 heat shock protein90,Hsp9O)是热休克蛋白家族 受体a(retinoid X receptor,RXRa)表达显著下调，线 成员，肌球蛋白分子伴侣UNC45属于UCS(UNC45/ 粒体能量代谢功能严重受损1。细胞实验同样证 Crol/Shc4)蛋白成员， 二者作为伴侣分子，在肌纤 实，抑制心肌细胞Smd基因表达可诱导线粒体呼 维的组装和肌肉功能维持中发挥重要作用。研究 吸功能降低，而Smdl基因过表达可逆转这一现象 显示，缺失Smdl基因可显著上调Uc45b和Hp90al 荧光素酶报告分析显示Smyd1可激活PGC-la转录 基因表达，推测缺失Smd!后，肌节组装受损 进而调控线粒体能量代谢回，提示Smyd1在出生 引发细胞应激反应 扰乱肌纤维结构和功能 后心肌细胞线粒体能量代谢和功能调控过程中发挥 Unc45b和Hsp90al表达代偿性上调，激活细胞应 重要作用。 微反应411明。在斑马角发有时程中，Sdb可可上 敲除小鼠心肌Sd!基因导致名种氧化成 Hsp90al和Umc45b协同作用，共同控制肌节组装 激和内质网应激(stres,ERS 和肌原纤维的形成 skNAC是肌组织特异表达 相关基因表达异常，如肌浆/内质网Ca-ATP酶2 因子，其基因缺失可导致心肌和骨骼肌发有异常 (sarcoplasmic reticulum Ca-ATPase 2,serca2).Bcl-2 而在肌纤维损伤后的修复过程中其基因表达显著升 腺病毒E1B19kD相互作用蛋白3(Bcl-2-adenoviru 。skNAC可作用于MYND结构域 与myd EIB 19-kDa interacting protein 3,bnip3). 肾上腺 蛋白紧密结合，参与心脏发有和骨酪肌生长与再生 质激素(adrenomedullin.adm)、CEbp-同源蛋白质(C/ 过程%。以上提示，Smydl可与Hsp90、UNC4 Ebp-homologous proten chop) 、Jun二聚蛋白2(dun 和skNAC等调控因子协同调节肌组织生长与修复 dimerization protein2,jdp2假激酶同源蛋白 (图1)。 ribbles pseudokinase3.TRB3)、eg-9家族缺i盛导 此外，肝高衍生生长因子 atoma-derivec 因子(egl-9 family hy oxia inducible factor,egln)1 growth factor,HDGF)是一种具有促有丝分裂和血管 等。根据以往研究推测 ,Smyd1表达异常诱号 生成活性的核蛋白，可作为转录抑制因子，抑 心肌细胞中结构蛋白组装受阻，线粒体能量代谢和 Sd!基因表达。在G-7成肌细胞中，HDGF过表 功能活性异常，可能是触发ERS的关键。Smvd 达与转录共抑制因子C末端结合蛋白(C-termina 通过MYND结构域与TRB3结合 并通过SET结 binding protein,.CtBP)相互作用，特异性下调Smdl 构域甲基化TRB3,抑制其表达，而TRB3可调 mRNA表达和启动子的活性B网，但Smydl在HDGH 控ERS诱导细胞凋亡的关键因子CHOP表达列 对心脏和骨骼肌的调控功能中的作用尚无报道。 正实Smyd1通过TRB3介导对ERS的调控，但其 3 Smyd1与出生后心脏生长和病理变化 具体机制仍需进一步研究探讨 3.2Smyd1参与心脏病理变化 3.1Smyd1与心脏生长 成体心脏是终末分化器官 ，多种病理或生理性 目前关于Smyd1与出生后心脏生长的研究多 刺激可诱导心脏肥大 临床病例报告发现 集中在控制心脏大小和维持心肌细胞内环境稳态等 SYD1基因突变的患者可出现原发性扩张型心肌 方面。有研究发现，胎生血洁可激新生大鼠心肌 病，人类SYD/基因突变与心力衰竭和厚性心 细胞肥大和Smydl mRNA水平升高o。而条件性 肌病的发生显著相关啊。动物实验表明 心肌梗 敲除成年小鼠心脏Smd1基因可导致心肌细胞那 (myocardial infarction.M)、异丙肾上腺素(isoprenaline 大，心脏发生病理性重塑，并逐步演变为心力衰 ISO)干预和主动脉缩空(transverse aortic constriction 竭o。这表明Smyd1在维持心肌细胞正常形态 )等模型均可诱导小鼠Smyd1表达代偿性升高 限制成年心脏生长过程中发挥重要作用四 和病理性心班把大 :而激活Smyd可阻止形 有研究通过成体心脏特异性Smdl基因敲除 理性细胞的肥大生长，提示Smyd1可能是调控 (C)1994-2022 China academic journal electronic publishing house all rights reserved http://www.cnkinet
第8期 唐 杰，等：心脏与骨骼肌Smyd1及其运动干预研究进展 1057 与 MyoD 增强子上的 CArG 位点相互作用，实现对 MyoD 的调控 [33]。上述研究提示，Smyd1 可通过与 肌生成因子的相互作用参与骨骼肌细胞的分化和肌 纤维的形成过程 ( 图 1)。 除肌生成调节因子外，Smyd1 可与多种伴侣分 子共同作用，调节骨骼肌发育。其中，热休克蛋白 90 (heat shock protein 90, Hsp90) 是热休克蛋白家族 成员，肌球蛋白分子伴侣 UNC45 属于 UCS (UNC45/ Cro1/She4) 蛋白成员，二者作为伴侣分子，在肌纤 维的组装和肌肉功能维持中发挥重要作用 [34]。研究 显示，缺失 Smyd1 基因可显著上调 Unc45b 和 Hsp90α1 基因表达，推测缺失 Smyd1 后，肌节组装受损， 引发细胞应激反应，扰乱肌纤维结构和功能， Unc45b 和 Hsp90α1 表达代偿性上调，激活细胞应 激反应 [14, 18-19]。在斑马鱼发育过程中，Smyd1b 可与 Hsp90a1 和 Unc45b 协同作用，共同控制肌节组装 和肌原纤维的形成 [25]。skNAC 是肌组织特异表达 因子，其基因缺失可导致心肌和骨骼肌发育异常， 而在肌纤维损伤后的修复过程中其基因表达显著升 高 [35-36]。skNAC 可作用于 MYND 结构域，与 Smyd1 蛋白紧密结合，参与心脏发育和骨骼肌生长与再生 过程 [36-38]。以上提示，Smyd1 可与 Hsp90、UNC45 和 skNAC 等调控因子协同调节肌组织生长与修复 ( 图 1)。 此外，肝癌衍生生长因子 (hepatoma-derived growth factor, HDGF) 是一种具有促有丝分裂和血管 生成活性的核蛋白，可作为转录抑制因子，抑制 Smyd1 基因表达。在 G-7 成肌细胞中，HDGF 过表 达与转录共抑制因子 C 末端结合蛋白 (C-terminal binding protein, CtBP) 相互作用，特异性下调 Smyd1 mRNA 表达和启动子的活性 [39]，但 Smyd1 在 HDGF 对心脏和骨骼肌的调控功能中的作用尚无报道。 3 Smyd1与出生后心脏生长和病理变化 3.1 Smyd1与心脏生长 目前关于 Smyd1 与出生后心脏生长的研究多 集中在控制心脏大小和维持心肌细胞内环境稳态等 方面。有研究发现，胎牛血清可刺激新生大鼠心肌 细胞肥大和 Smyd1 mRNA 水平升高 [40]。而条件性 敲除成年小鼠心脏 Smyd1 基因可导致心肌细胞肥 大，心脏发生病理性重塑，并逐步演变为心力衰 竭 [40]。这表明 Smyd1 在维持心肌细胞正常形态、 限制成年心脏生长过程中发挥重要作用 [41]。 有研究通过成体心脏特异性 Smyd1 基因敲除 小鼠模型发现，Smyd1 缺失可导致心肌细胞中线粒 体生物发生和能量代谢的重要调控因子，如过氧化 物酶体增殖物激活受体γ共激活因子1α (peroxisomeproliferator-activated receptor γ coactivator 1α, PGC- 1α)、过氧化物酶体增殖物激活受体 α (peroxisome proliferators-activated receptors, PPARα)、视黄素 X 受体 α (retinoid X receptor, RXRα) 表达显著下调，线 粒体能量代谢功能严重受损 [41-42]。细胞实验同样证 实，抑制心肌细胞 Smyd1 基因表达可诱导线粒体呼 吸功能降低，而 Smyd1 基因过表达可逆转这一现象。 荧光素酶报告分析显示Smyd1可激活PGC-1α转录， 进而调控线粒体能量代谢 [42]，提示 Smyd1 在出生 后心肌细胞线粒体能量代谢和功能调控过程中发挥 重要作用。 敲除小鼠心肌 Smyd1 基因可导致多种氧化应 激和内质网应激 (endoplasmic reticulum stress, ERS) 相关基因表达异常，如肌浆 / 内质网 Ca2+-ATP 酶 2 (sarcoplasmic reticulum Ca2+-ATPase 2, serca2)、Bcl-2 腺病毒 /E1B 19kD 相互作用蛋白 3 (Bcl-2-adenovirus E1B 19-kDa interacting protein 3, bnip3)、肾上腺髓 质激素(adrenomedullin, adm)、C/Ebp-同源蛋白质(C/ Ebp-homologous protein, chop)、Jun 二聚蛋白 2 (Jun dimerization protein 2, jdp2)、假激酶同源蛋白 3 (tribbles pseudokinase 3, TRB3)、egl-9 家族缺氧诱导 因子 (egl-9 family hypoxia inducible factor, egln) 1 和 3 等 [21]。根据以往研究推测，Smyd1 表达异常诱导 心肌细胞中结构蛋白组装受阻，线粒体能量代谢和 功能活性异常，可能是触发 ERS 的关键。Smyd1 通过 MYND 结构域与 TRB3 结合，并通过 SET 结 构域甲基化 TRB3，抑制其表达 [21]，而 TRB3 可调 控 ERS 诱导细胞凋亡的关键因子 CHOP 表达 [43]， 证实 Smyd1 通过 TRB3 介导对 ERS 的调控，但其 具体机制仍需进一步研究探讨。 3.2 Smyd1参与心脏病理变化 成体心脏是终末分化器官，多种病理或生理性 刺激可诱导心脏肥大 [44]。临床病例报告发现， SMYD1 基因突变的患者可出现原发性扩张型心肌 病，人类 SMYD1 基因突变与心力衰竭和肥厚性心 肌病的发生显著相关 [45]。动物实验表明，心肌梗死 (myocardial infarction, MI)、异丙肾上腺素 (isoprenaline, ISO) 干预和主动脉缩窄 (transverse aortic constriction, TAC) 等模型均可诱导小鼠 Smyd1 表达代偿性升高 和病理性心脏肥大 [40-41, 46] ；而激活 Smyd1 可阻止病 理性细胞的肥大生长 [41]，提示 Smyd1 可能是调控
1058 生命科学 第34卷 心脏病理性肥大和病理进程发展的重要靶点， 表达，进而调控PGC-la、PpAR和Perml等蛋白 对其细胞和分子调控机制相关文献进行梳理 表达， 调节心肌细胞线粒体能量代谢和功能：(2 发现Smyd1在病理性心脏氧化应激、炎症反应、心 Txl表达增加，提高细胞抗氧化水平，进而诱导 肌细胞线粒体能量代谢和ERS中发挥重要调节 Smyd1表达升高，促进细跑存活和生长。 作用。 近年研究发现，脂多糖(,LPS, 线粒体能量代谢素乱可导致心肌细胞结构和 干预（模拟脓毒血症引起的心肌病）可诱导大鼠心 功能障碍，诱导心肌细胞死亡，是发生心脏损伤 脏Smydl表达降低，CHOP表达上调，心肌细胞凋 导致心力衰竭的直接因素。Smyd1表达异常导致线 亡水平升高Bo。过表达Smydl可提高LPS干预的 粒体能量代谢素乱 可能是造成心肌结构异常和心 H9C2细胞活性，降低心脏损伤标志物乳酸脱氢酶 功能下降的潜在原因之一。有研究发现，.Prm1 lactate dehydrogenase,LDH)和肌被微每同工.的 (PGCI/ESRR-induced regulator in muscle1)是一种 creatine kinase isoenzyme.CK-MB)生成，下周B淋 PGC1与ESRR诱导的肌肉特异性因子，在心肌气 巴细胞2相关X蛋白(B-assocatero 骨酪肌中高度表达。Peml可提高线粒体功能，增 Bx)、活化的含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酮 强机体抗疲劳能力，抑制Prm/基因表达可以降低 (cleaved-cysteinyl aspartate specific proteinase 线粒体能量代谢相关蛋白的表达74。 心衰心脏中 -caspas 炎症相关因子白介素6(interleukin- Pem表达显著降低，Smyd1可直接作用于Perm L-6)和肿瘤坏死因子a(tumor necrosis factor a,TNFa 的启动子，调控Pem1的表达期，提示Smvd1可 以及ERS相关蛋白CHOP、激活转录因子4(activating 过调控Pem1水平，调节心，诗心中心，肌细胸的 nscription factor4,ATF4)和葡萄糖调节蛋白78 线粒体能量代谢 (Glucose regulated protein78,GRP78)等表达，提示 线拉体是机体活性氧(reactive oxygen species Smvd1可能通过抑制病理心脏炎定反应、ERS和细 ROS)生成的主要场所之 而ROS水平与细氧 狗凋亡，发挥心脏保护效应叫。 化还原状态密切相关。氧化还原反应异常可导致细 以上结果说明， 除调节肌细胞分化和结构形成 胞内环境稳态失衡，透发细胞产生应微反应。硫氧 外，Svd1在成体心脏大小、线粒体能量代谢、氧 还蛋白1 thioredoxin1.TrxI)是机体重要的氧化还 化应激及ERS中发挥重要调控作用（图2）。探寻其 原调节蛋白，研究发现，在小鼠TAC模型和HL: 在介导心脏病理发展中的具体作用机制，对遇制心 细胞中，与对照组相比，心班x/基因过表达可 脏疾病的发生发展意义重大 显著上调Smyd蛋白表达例。但Smyd1在Txl调 节细胞氧化还原反应中的角色和作用机制尚不可 Smyd1与出生后骨骼肌生长 知。基于Smyd1的功能推测：()Txl上调Smyd 目前有关出生后骨酪肌中Smyd1的功能及作 Smyd1t 一Tx过表达 TNFa 内装 炎反应 症反应 心肌妇疤代谢异常心机细胞涓亡 心队细胞代谢异常心肌细胞调亡 心病理性肥大、心功能受，诗发心装 改心雕横伤，提升心功能 图2Smyd在成体心脏生理病理中的作用 (C)1994-2022 China Academic .All rights reserved. http://www.cnki.ne
1058 生命科学 第34卷 心脏病理性肥大和病理进程发展的重要靶点。 对其细胞和分子调控机制相关文献进行梳理， 发现 Smyd1 在病理性心脏氧化应激、炎症反应、心 肌细胞线粒体能量代谢和 ERS 中发挥重要调节 作用。 线粒体能量代谢紊乱可导致心肌细胞结构和 功能障碍，诱导心肌细胞死亡，是发生心脏损伤， 导致心力衰竭的直接因素。Smyd1 表达异常导致线 粒体能量代谢紊乱，可能是造成心肌结构异常和心 功能下降的潜在原因之一。有研究发现，Perm1 (PGC1/ESRR-induced regulator in muscle 1) 是一种 PGC1 与 ESRR 诱导的肌肉特异性因子，在心肌与 骨骼肌中高度表达。Perm1 可提高线粒体功能，增 强机体抗疲劳能力，抑制 Perm1 基因表达可以降低 线粒体能量代谢相关蛋白的表达 [47-48]。心衰心脏中 Perm1 表达显著降低，Smyd1 可直接作用于 Perm1 的启动子，调控 Perm1 的表达 [48]，提示 Smyd1 可 通过调控 Perm1 水平，调节心衰心脏中心肌细胞的 线粒体能量代谢。 线粒体是机体活性氧 (reactive oxygen species, ROS) 生成的主要场所之一，而 ROS 水平与细胞氧 化还原状态密切相关。氧化还原反应异常可导致细 胞内环境稳态失衡，诱发细胞产生应激反应。硫氧 还蛋白 1 (thioredoxin 1, Trx1) 是机体重要的氧化还 原调节蛋白，研究发现，在小鼠 TAC 模型和 HeLa 细胞中，与对照组相比，心脏 Trx1 基因过表达可 显著上调 Smyd1 蛋白表达 [49]。但 Smyd1 在 Trx1 调 节细胞氧化还原反应中的角色和作用机制尚不可 知。基于 Smyd1 的功能推测 ：(1) Trx1 上调 Smyd1 表达，进而调控 PGC-1α、PPAR 和 Perm1 等蛋白 表达，调节心肌细胞线粒体能量代谢和功能 ；(2) Trx1 表达增加，提高细胞抗氧化水平，进而诱导 Smyd1 表达升高，促进细胞存活和生长。 近年研究发现，脂多糖 (lipopolysaccharide, LPS) 干预 ( 模拟脓毒血症引起的心肌病 ) 可诱导大鼠心 脏 Smyd1 表达降低，CHOP 表达上调，心肌细胞凋 亡水平升高 [50]。过表达 Smyd1 可提高 LPS 干预的 H9C2 细胞活性，降低心脏损伤标志物乳酸脱氢酶 (lactate dehydrogenase, LDH) 和肌酸激酶同工酶 (creatine kinase isoenzyme, CK-MB) 生成，下调 B 淋 巴细胞瘤 -2 相关 X 蛋白 (Bcl-associated X protein, Bax)、活化的含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶 (cleaved-cysteinyl aspartate specific proteinase, c-caspase3)、炎症相关因子白介素 6 (interleukin-6, IL-6) 和肿瘤坏死因子 α (tumor necrosis factor α, TNFα) 以及ERS相关蛋白CHOP、激活转录因子4 (activating transcription factor 4, ATF4) 和葡萄糖调节蛋白 78 (Glucose regulated protein 78, GRP78) 等表达，提示 Smyd1 可能通过抑制病理心脏炎症反应、ERS 和细 胞凋亡，发挥心脏保护效应 [50]。 以上结果说明，除调节肌细胞分化和结构形成 外，Smyd1 在成体心脏大小、线粒体能量代谢、氧 化应激及 ERS 中发挥重要调控作用 ( 图 2)。探寻其 在介导心脏病理发展中的具体作用机制，对遏制心 脏疾病的发生发展意义重大。 4 Smyd1与出生后骨骼肌生长 目前有关出生后骨骼肌中 Smyd1 的功能及作 图2 Smyd1在成体心脏生理病理中的作用