肌球蛋白和GDF11的代谢功能

标准饮食中的胰岛素敏感性

胰岛素抵抗是2型非胰岛素依赖型糖尿病的主要特征。胰岛素抵抗也是肥胖和心脏病等其他病理状况的共同特征。与胰腺中的β细胞不能产生足够的胰岛素来维持正常血糖的1型糖尿病不同，2型糖尿病的特征通常是产生高于正常水平的胰岛素，以补偿靶组织（如骨骼肌、肝脏和脂肪组织）对胰岛素作用的抵抗。胰岛素除了在刺激肌肉和脂肪细胞葡萄糖摄取和抑制肝脏葡萄糖生成方面的众所周知的作用外，还调节脂肪和蛋白质的代谢，因此是整体能量储存和利用的关键调节器。尽管导致胰岛素抵抗的最初机制仍存在激烈争论[55]骨骼肌中的胰岛素抵抗早在显性高血糖形成之前就可以检测到[56，57]. 因为骨骼肌对胰岛素的反应比其他组织吸收更多的葡萄糖[56]提高骨骼肌胰岛素敏感性是提高全身胰岛素敏感性和预防弗兰克糖尿病发病的重要目标。

Mstn公司null小鼠的血糖和胰岛素水平正常，但胰岛素水平往往较低[11，13，14]. 几条证据表明百万分之一^-/-相比之下，小鼠具有更高的胰岛素敏感性Mstn公司^+/+即使是喂食标准饮食的老鼠。首先，突变小鼠在葡萄糖或胰岛素激发（耐受性试验）期间改善了血糖调节[14]. 第二，Mstn公司^-/-小鼠在高胰岛素血症-正常血糖钳夹期间需要更多的葡萄糖输注[14]. 钳夹是通过输注高剂量的胰岛素并测量为维持正常血糖水平而必须输注的葡萄糖量来进行的。胰岛素升高时，对葡萄糖输入的需求增加，表明外周组织Mstn公司^-/-小鼠对胰岛素的反应比胰岛素摄取更多的葡萄糖Mstn公司^+/+老鼠。第三，丝氨酸-三氢嘌呤激酶Akt在骨骼肌和白色和棕色脂肪组织中的激活更大，它介导胰岛素、胰岛素样生长因子1（IGF1）和其他生长因子的信号传导Mstn公司^-/-小鼠与Mstn公司^+/+小鼠对胰岛素注射的体内反应[14]表明胰岛素信号增强。后一项观察也表明，这些改善全身胰岛素敏感性的措施Mstn公司^-/-小鼠并不仅仅是因为肌肉质量的增加为葡萄糖摄取提供了更多的外周部位。肌肉生长抑制素抑制IGF1诱导的骨骼肌细胞Akt活化[58，59]，但肌抑制素在抑制胰岛素诱导的Akt激活中的作用尚未得到证实。此外，肌肉生长抑制素对骨骼肌中胰岛素刺激的或基础葡萄糖摄取的直接影响尚未见报道。然而，有报道称，在缺乏胰岛素的情况下，肌肉生长抑制素治疗对胎盘葡萄糖摄取的影响存在一些相互矛盾的结果。肌生长抑制素抑制绒毛膜癌胎盘细胞系BeWo细胞的葡萄糖摄取[60]. 相反，肌肉生长抑制素治疗增加了人胎盘提取物中的葡萄糖摄取[61].

脂质分布

在降低肥胖和改善胰岛素敏感性的同时MSTN公司无效动物得到改善。成年男性Mstn公司^-/-与对照组相比，小鼠的血清胆固醇和甘油三酯水平显著降低Mstn公司^+/+老鼠[11，14]. 纯合子牛肌肉MSTN公司空等位基因也降低了脂肪含量，尽管尚不确定这是由肌间脂肪细胞大小或数量减少还是肌内脂肪减少引起的[62]. 肝甘油三酯的浓度在Mstn公司^-/-小鼠与Mstn公司^+/+老鼠[14]. 肝脏或肌细胞内脂质升高是胰岛素抵抗的危险因素[57]，因此这些结果与MSTN公司没有动物。

饮食诱导肥胖Mstn公司零和肌肉特异性转基因

删除了Mstn公司基因对高脂肪饮食的影响也有抵抗力。Mstn公司在高脂肪饮食中，空白小鼠的体重增加少于Mstn公司^+/+老鼠[13-16]. 肌肉中肌肉抑制素信号缺失但脂肪组织中未缺失的转基因小鼠也是如此：小鼠过度表达Mstn前肽或显性阴性Acvr2b公司与非转基因小鼠相比，骨骼肌特异性转基因小鼠增加了肌肉质量，并且对高脂肪饮食中的体重增加具有抵抗力[14，17]. 当断奶时，高脂肪饮食实际上会进一步增加Mstn公司相对于标准饮食的突变小鼠[13，69]. 这种饮食对野生型小鼠的肌肉质量没有影响。

肌肉抑制素抑制也可以改善饮食诱导肥胖的其他代谢后果。血清胰岛素、瘦素、胆固醇和甘油三酯在Mstn公司与非突变小鼠相比，突变小鼠喂食高脂肪食物[13-15]. 通过葡萄糖和胰岛素耐受性试验测定的胰岛素敏感性和葡萄糖代谢在Mstn公司空老鼠与Mstn公司^+/+喂食高脂肪食物的小鼠[13，14，17]. 高胰岛素-血糖钳夹实验证明百万分之一与杂合子同窝小鼠相比，喂食高脂肪饮食的无糖小鼠具有更高的全身胰岛素敏感性，这表明维持正常血糖所需的葡萄糖输注率更高[13]. 葡萄糖处理率在很大程度上取决于胰岛素刺激的骨骼肌葡萄糖摄取，在Mstn公司与对照组相比，突变体喂食高脂肪饮食[13]. 这种胰岛素敏感性的提高也见于喂食高脂肪饮食的小鼠，这些高脂肪饮食因Mstn公司基因和低密度脂蛋白受体(Ldlr公司)基因[16]. 除了更高的葡萄糖输注速率外，Mstn公司^-/-、Ldlr^-/-在钳夹期间，小鼠对股四头肌的葡萄糖吸收量更大，这表明肌肉对胰岛素的敏感性比来自Mstn公司^+/+、Ldlr^-/-老鼠[16]. 这些实验表明，外周胰岛素敏感性在Mstn公司在喂食高脂肪食物时，将突变小鼠与对照小鼠进行比较。

慢性炎症与肥胖相关[70].Mstn公司与喂食高脂肪食物的杂合小鼠相比，喂食高脂食物的空白小鼠在腹部脂肪组织和骨骼肌中减少了促炎性细胞因子的表达，但在肝脏中没有减少[13]. 在高脂肪饮食中，血浆肿瘤坏死因子α（TNFα）水平也较低Mstn公司突变株与高脂肪饮食杂合对照组的比较[13].Mstn公司根据降低的肝甘油三酯测定，null小鼠也能抵抗高脂肪饮食诱导的肝脂肪变性[13，14]. 与对照组相比，喂食高脂肪饮食的突变小鼠的肝脏中丝氨酸磷酸化胰岛素受体底物1的水平显著降低，胰岛素刺激的磷酸化Akt的水平显著升高，这两者都表明胰岛素信号增强[13].

另一个与肥胖相关的重要病理学是动脉粥样硬化。小鼠对饮食诱导的动脉粥样硬化有很高的抵抗力，因此基因操作结合高脂肪饮食喂养已被用于创建合适的小鼠模型。其中一个模型是Ldlr公司^-/-鼠标，已被跨越到Mstn公司^-/-小鼠产生双突变体的效果研究Mstn公司高脂饮食致动脉粥样硬化脂质谱和动脉粥样硬化病变的缺失[16].百万分之一^-/-、Ldlr^-/-小鼠肌肉发达，对饮食诱导的肥胖有抵抗力。与对照组相比，双突变体还具有较低的血浆游离脂肪酸、甘油三酯和胆固醇，减少了肝脏脂肪变性，并增加了胰岛素敏感性Mstn公司^+/+、Ldlr^-/-老鼠。因此，饮食诱导的动脉粥样硬化斑块的数量和面积在主动脉中显著降低百万分之一^-/-，Ldlr公司^-/-小鼠主动脉Mstn公司^+/+、Ldlr^-/-老鼠。因此，Mstn公司小鼠中的基因缺失可阻止肥胖的主要病理后果的发展。

肌抑制素的体外作用

一些有趣的实验是用处于脂肪细胞系不同发育阶段的细胞系进行的。C3H10T1/2间充质细胞具有多潜能，可以分化为软骨生成、肌生成或脂肪生成谱系。由于与BMP7竞争ACVR2B受体结合，肌肉生长抑制素抑制骨形态发生蛋白7（BMP7）诱导C3H 10T1/2细胞脂肪分化[30]. 相反，肌抑制素促进通过其他方式诱导分化的C3H10T1/2细胞向脂肪生成途径分化。例如，尽管需要高浓度的肌抑制素，但这些细胞的肌抑素治疗可促进5'-氮杂胞苷诱导的脂肪分化[76]. 当用糖皮质激素地塞米松、胰岛素和3-异丁基-1-甲基黄嘌呤（IBMX）的混合物处理C3H 10T1/2细胞时，Mstn公司糖皮质激素强烈地特异性诱导表达[77]. 事实上，肌抑制素蛋白可以替代地塞米松诱导这些细胞分化。肌抑制素、胰岛素和IBMX处理的细胞分化程度与糖皮质激素处理的细胞不同，产生的是较小的未成熟脂肪细胞。然而，这些肌肉生长抑制素诱导的细胞对胰岛素更敏感。与地塞米松、胰岛素和IBMX分化的细胞相比，使用肌抑制素、胰岛素和IBMX分化的C3H 10T1/2细胞具有更大的胰岛素刺激葡萄糖摄取[77]. 肌抑制素在前脂肪细胞分化中也有作用，但在脂肪生成的这个阶段有不同的作用。A类MSTN公司启动子结构被脂肪生成诱导物激活，如3T3-L1前脂肪细胞中的CAAT/增强子结合蛋白α、过氧化物酶体增殖物激活受体γ或固醇调节元件结合蛋白1c[71]. 与对间充质细胞的作用相反，肌抑制素抑制3T3-L1前脂肪细胞的分化[5，30，63，78]和牛前脂肪细胞[74]体外试验。综上所述，这些结果表明，肌生长抑制素促进了非整合细胞中脂肪细胞途径的细胞命运决定，但抑制了整合前脂肪细胞的分化。

标准饮食中肌生长抑制素水平的脂肪特异性调控

对肌肉质量增加或减少的转基因小鼠的分析表明，骨骼肌质量的改变单独会影响脂肪组织质量c-滑雪在小鼠肉瘤病毒长末端重复序列的控制下，瘦体重增加，体脂减少[79，80]. 同样，骨骼肌特异性IGF1级转基因小鼠和猪[81，82]和骨骼肌特有的成分活性阿克特转基因小鼠[83，84]与非转基因对照组相比，脂肪组织质量降低。此外，转基因雄性小鼠过度表达Mstn公司特别是在骨骼肌中，肌肉质量减少，附睾脂肪垫质量增加[47]. 总的来说，对肥胖的影响程度似乎与肌肉肥大或萎缩的程度以及肌肉质量改变的早期发病年龄呈负相关。

这些观察结果表明，肌肉生长抑制素对脂肪组织质量的影响的分析被肌肉肥大的存在所混淆Mstn公司^-/-老鼠。因此，我的实验室制作了一个过度表达显性阴性基因的转基因小鼠系Acvr2b公司使用aP2型（脂肪酸结合蛋白4）启动子特异性抑制脂肪细胞中的肌抑制素信号[14]. 我们发现，无论是标准饮食还是高脂肪饮食，转基因小鼠和同窝对照鼠的身体组成没有差异。同一显性阴性表达Acvr2b公司然而，在肌肉特异性启动子的控制下构建，可以复制在Mstn公司^-/-老鼠[14]. 这些数据表明，肌肉生长抑制素并不直接调节脂肪质量，并且肌肉生长抑素抑制在减少脂肪组织质量方面的作用Mstn公司^-/-小鼠肌肉质量的增加是间接引起的。

这种方法，使用aP2型驱动膜结合转基因表达的启动子，不能说明细胞命运决定是否受到影响，因为aP2型该基因在脂肪生成的后期表达。Feldman等人[77]报道了一种转基因小鼠系过度表达Mstn公司来自aP2型启动子构建体。因为肌生长抑制素是一种分泌型蛋白质，所以肌生长抑制素信号在这一系中可能不是细胞自主的。换言之，该转基因系可能会增加表达转基因的脂肪细胞和最有可能不表达转基因的任何相邻前脂肪细胞或间充质干细胞中的肌抑制素信号。这些特定脂肪Mstn公司转基因小鼠的脂肪细胞较小，不成熟，类似于用肌抑制素、胰岛素和IBMX体外处理间充质细胞所诱导的脂肪细胞。这一观察结果与肌抑制素在促进干细胞命运决定和抑制前脂肪细胞终末分化中的作用一致。尽管小鼠的脂肪细胞较小，总体体重较低，但令人惊讶的是，它们的身体组成正常。与非转基因对照组相比，这些小鼠的葡萄糖耐量也有所提高。小脂肪细胞具有较低的脂肪酸流量和较有利的细胞因子分泌特征，这有利于比大脂肪细胞更高的胰岛素敏感性[85]. 与这种大小差异一致，从转基因小鼠分离的脂肪细胞过度表达Mstn公司与非转基因小鼠的脂肪细胞相比，脂肪细胞中的基因增加了胰岛素刺激的葡萄糖摄取[77]. 有趣的是，这些小鼠脂肪细胞的缩小和胰岛素敏感性的提高并没有导致标准饮食转基因小鼠的肥胖减少。然而，随着年龄的增长，当小鼠通常积累更多的脂肪组织时，这些小鼠对正常饮食中的体重增加的抵抗力可能很明显。

高脂肪饮食中肌抑制素水平的脂肪特异性调控

虽然他们在标准饮食中有正常的身体成分Mstn公司转基因小鼠与非转基因小鼠相比，在高脂肪饮食中不会增加那么多体重[77]. 他们还具有更好的葡萄糖耐量，较低的空腹血糖、胰岛素和甘油三酯。这种对饮食诱导肥胖影响的抵抗力显然是因为脂肪细胞较小导致代谢率增加（在标准饮食的小鼠中测量）。脂肪特异性显性阴性表达Acvr2b公司相反，基因并不能阻止高脂肪饮食引起的体重增加或胰岛素抵抗的发展[14].

这些数据表明，在某些条件下，肌肉生长抑制素可以直接影响脂肪组织的大小，但抑制脂肪积累的是过度表达，而不是表达不足。具体而言，通过减少肌肉中的肌抑制素信号或增加脂肪组织中的肌制素信号，可以实现对饮食诱导肥胖的抵抗。

肌肉抑制素对胰岛素敏感性的调节

迄今为止，最有力的证据表明，肌肉生长抑制素通过一种机制而非影响肌肉质量来调节胰岛素敏感性，这是因为肌肉生长抑素蛋白重新引入Mstn公司使鼠标无效。Wilkes等人[13]馈电控制和Mstn公司无效小鼠高脂肪饮食导致对照小鼠，但不是百万分之一通过胰岛素耐受性试验测定，空白小鼠出现胰岛素抵抗。这些胰岛素敏感Mstn公司然后给空白小鼠注射安慰剂或肌肉生长抑制素蛋白5天。肌肉生长抑制素注射显著恶化了Mstn公司胰岛素耐受试验中的空白小鼠与安慰剂注射小鼠的比较Mstn公司小鼠体重或瘦体重没有明显变化。事实上Mstn公司注射myostatin的空白小鼠和未注射myosstatin的杂合小鼠无法区分。注射肌肉生长抑制素后，血浆TNFα水平升高，表明肌肉生长抑素水平与胰岛素抵抗之间存在潜在的机制联系。这种影响可能只在肌抑制素水平降低的小鼠中可以测量到，这些小鼠可能对肌抑制蛋白更敏感，和/或胰岛素敏感性已经受到挑战的小鼠中，例如高脂肪饮食喂养的小鼠。然而，据我所知，这是迄今为止唯一一项功能性实验，在剧烈改变肌肉生长抑制素水平后，检测到胰岛素敏感性发生变化，而肌肉大小没有变化。

这项工作得到了国家卫生研究院、国家糖尿病及消化和肾脏疾病研究所的内部研究计划的支持。根据MetaMorphix，Inc.（MMI）与约翰·霍普金斯大学之间的许可协议，a.C.M.有权分享该大学销售肌抑制素所获得的特许权使用费。A.C.M.和大学拥有MMI股票，这受到大学政策的某些限制。这些安排的条款由大学根据其利益冲突政策进行管理。