OMIM Entry – * 601788 – MYOSTATIN; MSTN

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La superfamiglia del fattore di crescita-beta trasformante comprende un gran numero di fattori di crescita e differenziazione che svolgono ruoli importanti nella regolazione dello sviluppo embrionale e nel mantenimento dell’omeostasi dei tessuti negli animali adulti. La miostatina, o GDF8, è un membro di questa superfamiglia con un ruolo nel controllo e nel mantenimento della massa muscolare scheletrica (McPherron et al., 1997).

Utilizzando la PCR degenerata, McPherron et al. (1997) hanno identificato un nuovo membro della famiglia TGF-beta del topo, designato fattore di crescita/differenziazione-8, che è espresso specificamente nel muscolo scheletrico in sviluppo e adulto. Il gene codifica un polipeptide di 376 aminoacidi che contiene tutte le caratteristiche di sequenza della superfamiglia TGF-beta (190180). Durante le prime fasi dell’embriogenesi, l’espressione di Gdf8 è limitata al compartimento miotomo dei somiti in via di sviluppo. Nelle fasi successive e negli animali adulti, Gdf8 è espresso in molti muscoli diversi in tutto il corpo.

Gonzalez-Cadavid et al. (1998) hanno clonato il gene e il cDNA della miostatina umana. MSTN è trascritto come una specie di mRNA di 3,1 kb che codifica una proteina precursore di 335 aminoacidi. La miostatina è espressa unicamente nel muscolo scheletrico umano come glicoproteina matura di 26 kD (proteina immunoreattiva della miostatina) e secreta nel plasma. L’immunoreattività della miostatina è rilevabile nel muscolo scheletrico umano sia nelle fibre di tipo 1 che di tipo 2.

Gonzalez-Cadavid et al. (1998) hanno esaminato l’ipotesi che l’espressione della miostatina sia correlata inversamente alla massa senza grasso nell’uomo e che l’aumento dell’espressione del gene della miostatina sia associato alla perdita di peso in uomini con la sindrome da deperimento da AIDS. Hanno esaminato l’espressione della miostatina nel muscolo scheletrico e nel siero di uomini sani e infettati dall’HIV. Le concentrazioni sieriche e intramuscolari della proteina immunoreattiva della miostatina erano aumentate negli uomini infettati dall’HIV con perdita di peso rispetto agli uomini sani e correlavano inversamente all’indice di massa senza grasso.

Zimmers et al. (2002) hanno dimostrato che la miostatina è sintetizzata come una preproteina attivata da 2 scissioni proteolitiche. La rimozione della sequenza di segnale è seguita dalla scissione in un sito di elaborazione tetrabasico, con il risultato di un propeptide amino-terminale di 26 kD e un peptide carbossi-terminale di 12,5 kD, un dimero del quale è la porzione biologicamente attiva della proteina. Zimmers et al. (2002) hanno dimostrato che la miostatina circola nel sangue di topi adulti in una forma latente che può essere attivata da un trattamento acido, simile al TGF-beta. La sovraespressione sistemica della miostatina in topi adulti è stata trovata per indurre una profonda perdita di muscoli e di grasso senza diminuzione dell’assunzione di nutrienti. Questo è simile a quello visto nelle sindromi umane di cachessia, e suggerisce che la miostatina può essere un utile bersaglio farmacologico in contesti clinici come la cachessia, dove la crescita muscolare è desiderata.

Gonzalez-Cadavid et al. (1998) hanno determinato che il gene MSTN contiene 3 esoni e ha 3 siti putativi di inizio trascrizione.

Il locus Mh nei bovini si trova nella stessa regione del gene COL3A1 (120180), che mappa in 2q12-q22 bovino. Questo ha identificato la regione che fiancheggia COL3A1 sulla mappa umana, cioè 2q31-q33, come il probabile segmento del cromosoma umano omologo che contiene il gene MSTN (Solinas-Toldo et al., 1995).

Hartz (2004) ha mappato il gene GDF8 al cromosoma 2q32.2 basandosi su un allineamento della sequenza GDF8 (GenBank AF019627) con la sequenza genomica.

Ferrell et al. (1999) hanno determinato la sequenza nucleotidica della miostatina umana in 40 individui. Il promotore invariante contiene un sito di consenso per l’antigene di differenziazione miogenica-1 (MYOD; 159970), e la sequenza codificante contiene 5 sostituzioni missense in residui conservati di aminoacidi: A55T, K153R, E164K, P198A e I225T. A55T nell’esone 1 e K153R nell’esone 2 erano polimorfici nella popolazione generale, con frequenze alleliche significativamente diverse nei caucasici e negli afroamericani (P inferiore a 0,001). Nessuno dei polimorfismi comuni ha avuto un impatto significativo sulla risposta della massa muscolare all’allenamento della forza sia nei caucasici che negli afroamericani, anche se le frequenze alleliche distorte hanno precluso il rilevamento di piccoli effetti. Ferrell et al. (1999) hanno concluso che queste varianti alleliche forniscono dei marcatori per esaminare l’associazione tra il gene della miostatina e la variazione interindividuale della massa muscolare e le differenze nella perdita di massa muscolare con l’invecchiamento.

La miostatina è un regolatore negativo della crescita muscolare nei mammiferi, e le mutazioni di perdita di funzione sono associate a un aumento della massa muscolare scheletrica nei topi, nei bovini e negli esseri umani. Saunders et al. (2006) hanno dimostrato che la selezione naturale positiva ha agito sulla variazione del nucleotide umano a GDF8, poiché il rapporto osservato di cambiamenti nonsinonimi:sinonimi tra gli esseri umani è significativamente maggiore di quello previsto secondo il modello neutro ed è sorprendentemente diverso dai modelli osservati nei mammiferi. Inoltre, gli aplotipi estesi intorno a GDF8 suggeriscono che 2 varianti di aminoacidi sono state soggette a recente selezione positiva. Entrambe le mutazioni sono rare tra i non africani ma hanno una frequenza fino al 31% negli africani sub-sahariani. Queste firme di selezione a livello molecolare suggeriscono che la variazione umana a GDF8 è associata a differenze funzionali. I 2 polimorfismi nucleotidici di interesse primario erano G163A e A2246G, corrispondenti agli aplogruppi 55 e 153, rispettivamente. La frequenza di questi tra gli afroamericani è risultata essere 12% e 20%, rispettivamente, ma solo 1% e 4%, rispettivamente, negli europei campionati. L’eccesso di polimorfismo non sinonimo era stato visto in precedenza solo per pochi altri geni nell’uomo, ad esempio, G6PD (305900) e il complesso maggiore di istocompatibilità (142800) (Verrelli et al., 2002; Hughes e Nei, 1989).

In un bambino sano con ipertrofia muscolare e forza insolita (MSLHP; 614160), Schuelke et al. (2004) hanno identificato l’omozigosi per una mutazione del sito donatore di splice nel gene MSTN (601788.0001). La madre, ex atleta professionista, era eterozigote per la mutazione.

Prontera et al. (2010) hanno riportato un uomo italiano di 42 anni con un fenotipo complesso della sindrome di Ehlers-Danlos (EDS; 130000) causato da una delezione eterozigote de novo di 13,7 Mb del cromosoma 2q23.3-q31.2 con conseguente delezione dei geni COL3A1 (120180), COL5A2 (120190) e della miostatina. Le mutazioni di perdita di funzione in COL3A1 e COL5A2 causano EDS di tipo IV (130050) e I, rispettivamente. L’aploinsufficienza per MSTN provoca una crescita eccessiva del muscolo scheletrico. A causa della monosomia per MSTN, il paziente aveva “un’eccezionale massa muscolare costituzionale”, senza debolezza muscolare, mialgia o facile affaticabilità. Inoltre non aveva ipomobilità articolare generalizzata o lussazioni articolari ricorrenti; i sintomi di EDS erano limitati a ernie inguinali ricorrenti e lieve prolasso della valvola mitrale. Prontera et al. (2010) hanno ipotizzato che l’aploinsufficienza per l’allele MSTN ha esercitato un effetto protettivo contro le manifestazioni cliniche EDS in questo paziente. I risultati hanno anche indicato che c’è un coinvolgimento diretto del danno muscolare nella EDS e che la cura della funzione muscolare in questi pazienti può essere benefica.

Per determinare la funzione biologica di Gdf8, McPherron et al. (1997) hanno interrotto il gene Gdf8 tramite gene targeting nei topi. Gli animali Gdf8-null erano significativamente più grandi degli animali wildtype e mostravano un grande e diffuso aumento della massa muscolare scheletrica. I singoli muscoli degli animali mutanti pesavano da 2 a 3 volte di più di quelli degli animali selvatici, e l’aumento della massa sembrava derivare da una combinazione di iperplasia e ipertrofia delle cellule muscolari. McPherron et al. (1997) hanno suggerito che Gdf8 funziona specificamente come regolatore negativo della crescita del muscolo scheletrico. Lin et al. (2002) hanno osservato un aumento della massa muscolare scheletrica nel loro modello di topo myostatin-null rispetto agli animali wildtype già a 4 settimane di età. Inoltre, i topi mutanti hanno mostrato una ridotta produzione e secrezione di leptina (164160) che è stata associata a una ridotta deposizione di grasso. La ridotta adipogenesi nei topi knockout ha suggerito che la miostatina è coinvolta nella regolazione dell’adiposità e della muscolosità.

Diverse razze bovine sono state osservate per mostrare un eccezionale sviluppo muscolare comunemente indicato come “doppio muscolo”. Gli animali con doppio muscolo sono caratterizzati da un aumento della massa muscolare di circa il 20%, dovuto a un’iperplasia generale del muscolo scheletrico, cioè un aumento del numero di fibre muscolari piuttosto che del loro diametro individuale. Grobet et al. (1997) hanno dichiarato che l’eredità autosomica recessiva è stata suggerita dall’analisi di segregazione eseguita sia negli incroci sperimentali che nella popolazione di razza. Questo è stato confermato da Charlier et al. (1995) che hanno dimostrato che il locus dell’ipertrofia muscolare (mh) mappa all’estremità centromerica del cromosoma 2 bovino. Grobet et al. (1997) hanno usato un approccio posizionale candidato per dimostrare che una mutazione nel gene MSTN bovino (locus Mh), che codifica la miostatina, è responsabile del fenotipo a doppia muscolatura. Hanno trovato una delezione di 11 bp nella sequenza codificante per il dominio bioattivo C-terminale della proteina che causa l’ipertrofia muscolare.

Nella razza Marchigiana di bovini da carne dell’Italia centrale, Marchitelli et al. (2003) hanno dimostrato che la doppia muscolatura era associata a una trasversione da G a T nel terzo esone del gene della miostatina, che introduce un codone di stop prematuro. Questo si aggiungeva alla grande serie di mutazioni precedentemente trovate nei bovini con doppia muscolatura.

Una mutazione autosomica recessiva ipermuscolare nel topo denominata “compact” (Cmpt) è stata dimostrata da Szabo et al. (1998) essere causata da una delezione nel gene della miostatina. La miostatina è diventata un forte gene candidato per Cmpt quando è stata mappata sul cromosoma 1 in una regione di omologia con il 2q32-q35 umano e nella regione centromerica del cromosoma 2 bovino dove è mappato il gene mh.

McPherron e Lee (2002) hanno dimostrato che i topi myostatin-null hanno una significativa riduzione dell’accumulo di grasso con l’aumentare dell’età rispetto ai compagni di cucciolata wildtype e che la perdita di myostatin attenua parzialmente i fenotipi obesi e diabetici di 2 modelli di topo, il giallo letale agouti e i topi obesi. McPherron e Lee (2002) hanno suggerito che gli agenti farmacologici che bloccano la funzione della miostatina possono essere utili non solo per migliorare la crescita muscolare, ma anche per rallentare o prevenire lo sviluppo dell’obesità e del diabete di tipo II.

Bogdanovich et al. (2002) hanno testato la capacità dell’inibizione della miostatina in vivo per migliorare il fenotipo distrofico nel modello di topo mdx della distrofia muscolare di Duchenne (DMD; 310200). Hanno bloccato la miostatina endogena nei topi mdx con iniezioni intraperitoneali di anticorpi bloccanti per 3 mesi e hanno trovato un aumento del peso corporeo, della massa muscolare, delle dimensioni dei muscoli e della forza muscolare assoluta insieme a una significativa diminuzione della degenerazione muscolare e delle concentrazioni di creatina chinasi nel siero. Bogdanovich et al. (2002) hanno concluso che il blocco della miostatina fornisce una nuova strategia farmacologica per il trattamento delle malattie associate al deperimento muscolare come la DMD, e aggira i principali problemi associati alla terapia genica convenzionale in questi disturbi.

Nei topi privi di miostatina (Mstn -/-) incrociati con topi mdx, un modello per la distrofia muscolare di Duchenne e Becker (300376), Wagner et al. (2002) hanno trovato un aumento della massa muscolare, un aumento del peso corporeo, un aumento delle dimensioni delle fibre muscolari e un aumento della forza rispetto ai topi Mstn +/+/mdx. C’era anche una riduzione dell’estensione della fibrosi muscolare. Hanno notato che anche se la perdita di miostatina non corregge il difetto primario nei topi mdx, può migliorare alcune caratteristiche del fenotipo distrofico.

Le pecore Texel sono rinomate per la loro eccezionale carnosità. Per identificare i geni alla base di questa caratteristica economicamente importante, Clop et al. (2006) hanno eseguito una scansione del genoma completo in una popolazione Romanov x Texel F2. Hanno mappato un locus di tratto quantitativo con un effetto importante sulla massa muscolare sul cromosoma 2 e successivamente lo hanno mappato in un intervallo cromosomico che comprende il gene GDF8. Hanno dimostrato che l’allele GDF8 delle pecore Texel è caratterizzato da una transizione da G ad A nella regione non tradotta 3-prima (UTR) che crea un sito bersaglio per mir1 (609326) e mir206, microRNA (miRNA) che sono altamente espressi nel muscolo scheletrico. La mutazione causa l’inibizione traslazionale del gene della miostatina e quindi contribuisce all’ipertrofia muscolare delle pecore Texel. L’analisi dei database SNP per gli esseri umani e i topi ha dimostrato che le mutazioni che creano o distruggono i siti bersaglio putativi dei miRNA sono abbondanti e potrebbero essere importanti fattori di variazione fenotipica.

In cellule COS-7, Ohsawa et al. (2006) hanno scoperto che la segnalazione della miostatina era inibita dalla caveolina-3 (CAV3; 601253), che interagiva direttamente con e inibiva i recettori della miostatina di tipo I ALK4 (601300) e ALK5 (190181). Topi transgenici con carenza di Cav3, un modello per la distrofia muscolare della cintura degli arti di tipo 1C (vedi RMD2, 606072), mostrano atrofia e debolezza muscolare. Ohsawa et al. (2006) hanno scoperto che i topi doppiamente transgenici con deficit di Cav3 e inibizione della miostatina hanno mostrato un aumento del numero e delle dimensioni delle miofibre rispetto ai topi con deficit di Cav3, invertendo efficacemente l’atrofia muscolare indotta dal deficit di Cav3. Inoltre, l’iniezione intraperitoneale di un inibitore della miostatina ha migliorato la debolezza funzionale dei muscoli nei topi con deficit di Cav3. Ohsawa et al. (2006) hanno suggerito che la caveolina-3 sopprime normalmente la segnalazione della miostatina e che l’iperattivazione della segnalazione della miostatina partecipa alla patogenesi dell’atrofia muscolare in questo modello murino di LGMD1C.

Mosher et al. (2007) hanno scoperto che una delezione di 2 bp nell’esone 3 del gene canino Mstn era associata ad un aumento della massa muscolare nella razza di cani da corsa whippet. L’omozigosi per la mutazione era associata a un fenotipo grossolanamente sovramuscoloso a doppio muscolo, comunemente chiamato “bullo”. I cani eterozigoti hanno mostrato un fenotipo intermedio e sono stati segnalati per essere tra i cani più veloci nelle gare competitive. L’analisi di diverse altre razze di cani, compresi i levrieri, non ha identificato la mutazione.

Mendias et al. (2008) hanno scoperto che i tendini dei topi Mstn-null erano più piccoli di quelli dei topi wildtype. I tendini Mstn-null avevano una minore densità di fibroblasti, una minore espressione di collagene di tipo I (vedi COL1A1; 120150), e una minore espressione di scleraxis (SCXA; 609067) e tenomodulina (TNMD; 300459), 2 geni che promuovono la proliferazione dei fibroblasti del tendine. Il trattamento dei fibroblasti tendinei wildtype con Mstn ha attivato le cascate di segnalazione p38 MAP kinase (MAPK14; 600289) e Smad2 (601366)/Smad3 (603109), ha aumentato la proliferazione cellulare e l’espressione di collagene di tipo I, Scxa e Tnmd. Rispetto ai tendini dei topi wildtype, le proprietà meccaniche dei tendini del tibiale anteriore dei topi Mstn-null avevano un maggiore stress di picco, una minore deformazione di picco e una maggiore rigidità. Mendias et al. (2008) hanno concluso che, oltre a regolare la massa e la forza muscolare, MSTN regola la struttura e la funzione dei tessuti tendinei.

Hill et al. (2010) hanno identificato uno SNP nel gene della miostatina equina che era fortemente associato alla capacità di sprint e alla resistenza nei cavalli da corsa purosangue.