《International Journal of Molecular Sciences》：Genome-Wide Characterization of the Myostatin Gene (MSTN) Ligand–Receptor System and Its Expression Patterns Associated with Growth Variation in Trachinotus ovatus
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肌肉生长抑制素（MSTN）是转化生长因子-β（TGF-β）超家族的成员，是脊椎动物肌肉生长的保守负调控因子。本研究在卵形鲳鲹（Trachinotus ovatus）中鉴定出9个MSTN相关基因，包括2个MSTN配体基因（ToMSTNa和ToMSTNb）和7个推
肌肉生长抑制素（MSTN）是转化生长因子-β（TGF-β）超家族的成员，是脊椎动物肌肉生长的保守负调控因子。本研究在卵形鲳鲹（Trachinotus ovatus）中鉴定出9个MSTN相关基因，包括2个MSTN配体基因（ToMSTNa和ToMSTNb）和7个推定受体基因（ToACVR1A、ToACVR1Ba、ToACVR1Bb、ToACVR2Aa、ToACVR2Ab、ToACVR2Ba和ToACVR2Bb）。综合进化和表达分析揭示了卵形鲳鲹中MSTN相关基因的保守性和潜在功能分化。两个MSTN配体表现出相对保守的基因结构和基序组成，而受体基因则表现出更大的结构多样性。组织表达分析显示，ToMSTNa在肌肉中表达相对较高，而ToMSTNb在脑中表达相对较高，表明两个MSTN旁系同源基因之间可能存在组织特异性功能分化。此外，大体型和小体型个体间的表达分析显示，ToMSTNa在小体型个体的脑和肠中表达高于大体型个体，而ToACVR1A和ToACVR2Bb在小体型个体的肝脏中表现出较高的表达水平，提示它们与生长差异存在潜在关联。基于同源性的蛋白质关联网络预测提示ACVR1B型和ACVR2A型受体与MSTN相关信号通路组分之间存在潜在关联。总体而言，本研究为卵形鲳鲹MSTN配体-受体系统的进化保守性、组织特异性功能分化以及潜在的生长相关作用提供了新的见解，为进一步研究MSTN相关信号通路的功能以及鉴定与硬骨鱼类生长性状相关的候选分子靶点奠定了基础。
**MSTN配体-受体系统在卵形鲳鲹中的全基因组鉴定与生长关联研究解读**
**一、研究背景与科学问题**
肌肉生长抑制素（Myostatin, MSTN），又称生长分化因子8（Growth Differentiation Factor 8, GDF8），是转化生长因子-β（Transforming Growth Factor-β, TGF-β）超家族的重要成员，在脊椎动物中作为骨骼肌生长的保守负调控因子发挥关键作用。MSTN以无活性的前体蛋白形式合成，经蛋白水解加工后，成熟肽段通过结合激活素II型受体（ACVR2A/ACVR2B）并招募I型受体（如ACVR1B/ALK4）形成活性受体复合物，进而激活Smad2/3信号通路，抑制成肌细胞增殖与分化。在水产养殖领域，骨骼肌生长直接决定可食用产量与经济价值，因此MSTN被认为是生长调控和遗传改良的重要候选基因。与哺乳动物相比，硬骨鱼类通常含有两个或更多mstn拷贝（mstna/mstn1和mstnb/mstn2），且表现出更为复杂的组织分布与调控模式，提示基因复制后可能发生功能分化。卵形鲳鲹（Trachinotus ovatus）是我国南方沿海广泛养殖的重要经济海水鱼类，具有生长快速、肉质优良、营养价值高等特点。尽管MSTN作为生长相关因子在多种物种中已被广泛研究，但在卵形鲳鲹中，关于MSTN配体及其推定受体基因的系统信息仍十分有限，特别是在结构特征、进化关系、组织分布模式及其与生长变异的潜在关联方面尚缺乏系统认识。因此，本研究旨在全基因组水平上鉴定和表征卵形鲳鲹的MSTN配体-受体系统，并探究其进化特征、组织特异性表达模式及与生长变异的潜在关联，为深入理解硬骨鱼类MSTN相关信号通路的组织与功能分化提供基础。
**二、主要技术方法**
研究人员利用NCBI GenBank数据库获取卵形鲳鲹基因组数据（组装登录号：GCA_900231065.1），以斑马鱼（Danio rerio）的MSTN及推定受体蛋白序列为查询序列，通过本地BLASTP搜索（E值阈值2×10??）进行全基因组鉴定，并利用NCBI Batch Web CD-Search工具确认保守结构域。随后运用ProtParam预测理化性质、CELLO v.2.5预测亚细胞定位、MEME分析保守基序、TBtools-II v2.507整合基因结构信息、MCScanX v1.0.0进行共线性分析、MAFFT v7.505和IQ-TREE v2.2.0构建最大似然系统发育树（1000次自举检验）。表达分析基于两套独立转录组数据：一套为12个成体组织（肠、肝、肌、脑、脾、鳍、鳃、肾、胃、血、精巢、卵巢），每组3个生物学重复；另一套为大体型（L）和小体型（S）个体的脑、肠和肝脏组织，每组6个生物学重复。用于大小个体比较的RNA-seq数据已提交至NCBI SRA数据库（登录号：SRP722126）。生长差异分析所用样本采集自中国水产科学研究院南海水产研究所热带水产研究开发中心，所有鱼源于2021年5月同一批次诱导产卵的苗种，在相同饲养管理和环境条件下进行网箱养殖，2023年12月筛选出大体型（约2 kg）和小体型（约1 kg）个体各12尾。蛋白质-蛋白质相互作用（PPI）网络基于斑马鱼同源序列通过STRING数据库预测构建。
**三、研究结果**
**1. 全基因组鉴定与理化性质分析：** 在卵形鲳鲹基因组中共鉴定出9个MSTN相关基因，包括2个MSTN配体基因（ToMSTNa和ToMSTNb）和7个推定受体基因（ToACVR1A、ToACVR1Ba、ToACVR1Bb、ToACVR2Aa、ToACVR2Ab、ToACVR2Ba和ToACVR2Bb）。编码蛋白长度为364至529个氨基酸，分子量介于40,895.25 Da（ToMSTNa）至59,593.10 Da（ToACVR2Aa）之间，所有蛋白均为亲水性蛋白。亚细胞定位预测显示ToMSTNa和ToMSTNb主要定位于细胞核，而受体蛋白则呈现包括线粒体、质膜、细胞质和胞外区域在内的多样化预测定位模式。
**2. 基因结构与保守基序/结构域分析：** 两个MSTN配体基因ToMSTNa和ToMSTNb结构相对紧凑，各含3个编码区；而推定受体基因的外显子-内含子排布更为复杂和多样化，其中ToACVR2Aa跨度最大，延伸至近40 kb。保守基序分析鉴定出20个基序，同一亚组成员通常具有相似的基序组成；ToMSTNa和ToMSTNb共享高度相似的基序模式（含基序17、13、16、14和12）。结构域分析显示，两个MSTN配体均含有TGFb_propeptide超家族结构域，ACVR1亚组成员共享TGF_beta_GS和STKc_TGFbR1结构域，ACVR2亚组成员含有PKc_like超家族结构域。
**3. 染色体分布与共线性分析：** 9个MSTN相关基因不均匀分布于7条染色体上，其中LG7和LG12各含2个基因，其余各染色体仅含1个基因。种内共线性分析鉴定出一对共线性基因对ToACVR1Ba–ToACVR1Bb，位于LG3和LG8上，提示片段重复可能对ACVR1B旁系同源基因的保留和分化有所贡献。种间共线性分析显示，卵形鲳鲹中6个MSTN相关基因与斑马鱼同源基因具有保守的共线性关系，表明该基因家族在进化上具有保守性。
**4. 系统发育分析：** MSTN/GDF11系统发育树将所有序列清晰分为MSTN和GDF11两大支系，卵形鲳鲹的两个MSTN蛋白聚于MSTN支系内，支持其作为MSTN配体的注释。受体系统发育树将鉴定的受体蛋白分为4个亚组：ACVR1A、ACVR1B（ToACVR1Ba和ToACVR1Bb）、ACVR2A（ToACVR2Aa和ToACVR2Ab）和ACVR2B（ToACVR2Ba和ToACVR2Bb），验证了基因鉴定和命名的可靠性。
**5. 组织分布和生长相关表达模式：** 成体组织表达分析显示，ToMSTNa在肌肉中高表达，ToMSTNb在脑中表达较高；受体基因呈现更多样化的组织特异性表达模式，ToACVR1A、ToACVR1Ba、ToACVR2Ab和ToACVR2Aa在血液中表达较高，ToACVR2Ba在脑和鳍中高表达，ToACVR1Bb和ToACVR2Bb在鳍和卵巢中表达较高。大体型与小体型个体比较分析显示，ToMSTNa在小体型个体的脑和肠中表达趋向高于大体型个体，ToACVR1A和ToACVR2Bb在小体型个体肝脏中表达趋向较高，提示这些基因的表达模式可能与生长差异存在潜在关联。
**6. 蛋白质互作网络预测：** 基于斑马鱼同源序列构建的STRING预测网络显示，所有鉴定的MSTN配体和推定受体蛋白均出现在网络中，并与gdf11、gdf10a等TGF-β超家族相关蛋白存在预测关联，提示MSTN相关蛋白可能连接至更广泛的TGF-β信号网络。
**四、讨论与结论**
讨论部分指出，两个MSTN旁系同源基因的存在与硬骨鱼类中已报道的MSTN复制模式一致。ToMSTNa和ToMSTNb保留典型的TGF-β超家族结构特征，表明两个配体保留了MSTN蛋白的保守结构特征。配体基因与受体基因在外显子-内含子组织上的显著差异，提示二者在基因家族分化过程中可能经历了不同的进化约束。MSTN相关基因在染色体上的分布模式与序列相似性无明确关联，排除了近期串联重复起源的可能，推测其可能源于硬骨鱼基因组进化过程中的古老复制和基因组重排事件。组织表达分析中ToMSTNa在肌肉中的高表达与MSTN在鱼类骨骼肌生长调控中的保守关联一致；ToMSTNb在脑中的较高表达与斑马鱼和尼罗罗非鱼中报道的复制mstn旁系同源基因的组织分化模式相似。多个受体基因在血液中相对较高的表达可能表明激活素/TGF-β相关信号参与系统性生理调控而非仅限于骨骼肌调控。大小个体比较中ToMSTNa在小个体脑和肠中的较高表达趋势，以及ToACVR1A和ToACVR2Bb在小个体肝脏中的较高表达趋势，结合MSTN作为生长负调控因子的普遍认识，提示这些基因的组织特异性表达模式可能与卵形鲳鲹的生长变异存在潜在关联，但需通过RNA干扰、过表达、受体抑制或SMAD2/3磷酸化分析等功能实验加以验证。
结论部分指出，本研究系统鉴定和表征了卵形鲳鲹中的9个MSTN相关基因，包括2个MSTN配体和7个推定受体基因。基因结构、保守基序、染色体定位、系统发育和共线性关系以及组织表达模式的整合分析表明，这些基因之间存在进化保守性和表达分化。组织表达分析显示ToMSTNa在肌肉中相对高表达，而ToMSTNb在脑中相对高表达。大体型和小体型个体的比较表达分析显示多个MSTN相关基因（包括ToMSTNa、ToACVR1A和ToACVR2Bb）存在差异性表达模式。这些发现提示MSTN相关基因表达与卵形鲳鲹生长变异之间存在潜在关联，但需要进一步的功能实验验证以确定这些基因的功能角色及其在生长调控中的潜在参与。该研究发表在《International Journal of Molecular Sciences》上，为硬骨鱼类MSTN相关信号通路的功能研究和生长性状候选分子靶点的鉴定提供了重要基础。
