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FHL1属于LIM蛋白家族成员之一，人类FHL的LIM蛋白家族包括五个成员，分别是FHL1、FHL2、FHL3、FHL4和ACT(也被称作FHL5)[1,2,3,4]。FHL1和FHL3在骨骼肌中的表达水平相对较高，但在心肌中亦表达；FHL2主要在心脏中表达，在骨骼肌中表达水平相对较低；FHL4和ACT在睾丸中特异表达[5,6,7]。FHL家族成员在不同组织中的差异表达可能决定了它们在这些组织中的生物功能。FHL蛋白家族的特点是含有特殊排列的LIM二级结构(C–X2–C–X16–21–H–X2–C–X2–C–X17–C–X2–C)。所有的FHL蛋白都是由4个完整的LIM结构域串联排列而成，并且中间由8个不同的氨基酸残基区分开[4]。FHL1是FHL家族中研究较多的成员之一。人类FHL1基因位于Xq27.2，含有5个外显子，cDNA全长2441个碱基，编码280个氨基酸。FHL1的拼接变异构体有：FHL1A(在小鼠中也被称为Slim1，KyoT1，或转录变异体3)、FHL1B(Slimmer，KyoT3或转录变异体1)和FHL1C(KyoT2或转录变异体4)，分别由四个半、三个半、两个半LIM域组成[8,9]。不同的拼接导致核定位顺序和FHL1B、FHL1C亚基C末端RBP–J连接域的形成不同。一方面，FHL1可以作为co–factor和蛋白质相互作用发挥功能；另一方面，FHL1可以作为转录因子调控下游靶基因的表达。例如，FHL1在细胞骨架重排、纤维形成和肌小节的组装中发挥一定作用，并在调节线粒体内稳态和氧化能力方面发挥重要作用。迄今为止，已经发现27种人类的FHL1突变和至少6种不同的肌营养不良的发生有关。因此，本文综述了FHL1基因在骨骼肌发育中的作用及其和人类肌肉疾病的关系。
在成熟骨骼肌中，FHL1定位在肌小节中围绕着Z–线的I–带，在M线一过性地表达[10]。对成年鼠的原位杂交检测发现，在慢收缩的比目鱼肌中FHL1转录水平高于快收缩的腓肠肌。比目鱼肌是由高氧化型的Ⅰ型和Ⅱa型纤维组成，而腓肠肌是由糖酵解型的Ⅱb型纤维组成[11]。也就说明了FHL1的表达特性与肌肉纤维的氧化能力相关而不与纤维类型相关。在小鼠C2C12成肌细胞开始分化之前有FHL1的表达。在分化最初的24～48 h期间，FHL1的表达水平在恢复它的线性表达模式之前6 d会下降40%[3,12]。此外，FHL1的表达模式与生肌调节因子myogenin、MRF以及生长因子IGF–Ⅱ相似。但是，在myogenin表达的初始阶段有FHL1的表达，同时在胚胎期、新生儿期和成年期肌肉特异性的表达2b MyHCs之前也有FHL1的表达[3]。
FHL1在小鼠胚胎体节以及骨骼肌中的表达模式表明FHL1在肌肉中可能发挥重要作用。大量的体外实验证明FHL1与肌肉细胞的许多功能相关，但其机制还未阐明。例如，在小鼠骨骼肌So18细胞中，重组表达的FHL1可以调节integrin介导的细胞骨架的重排。细胞表面integrin的激活直接导致了细胞骨架actin的重组，同时伴有黏着斑复合物和弹力纤维的形成。然而，在成肌细胞中GFP–FHL1的过表达可以通过–5–1–integrin特异地抑制成肌细胞黏附力、并提高细胞的扩散和迁移能力[13]。FHL1在So18或C2C12成肌细胞中过表达，成肌细胞培养分化后可以形成两个特异的表型，一个是过长型一个是过多分支型[12]。两种表型都是细胞骨架重排的象征，FHL1过表达和integrin活化作用都会引起这两种表型的出现。有研究表明FHL1可以和细胞骨架蛋白gamma–actin以及细胞动力蛋白Non–Muscle Myosin ⅡB结合发挥其调节细胞骨架重排的作用[14]。
FHL1在肌肉发育中的作用也体现在其对血管平滑肌细胞迁移和增殖的影响[15]。通过基因特异性siRNA沉默肺动脉血管平滑肌中FHL1的表达可以明显降低人类和小鼠的血管平滑肌细胞的迁移和增殖活性，而FHL1过表达则会增加这些活性[15]。在一种FHL1相互作用蛋白Talin1的沉默中也能得出同样的结论。因此，FHL1可能会诱导细胞骨架蛋白的构象改变，并在Talin介导的调节integrin信号和细胞骨架组成方面发挥一定作用[15]。另外，FHL1能调解Talin1和actin之间的连接。在肺动脉血管平滑肌中敲除FHL1也可引起cyclin D1的减少，抑制G1期的进程并减少细胞增殖活性[15]。FHL1与MyBP–C的相互作用的特性揭示了FHL1在myosin纤维形成和肌小节的组装中发挥一定作用[10]。FHL1与myosin竞争性地与MyBP–C结合并且共用一个通用的MyBP–C结合部位，因此可以阻碍myosin与MyBP–C的结合。当在分化的骨骼肌细胞中过表达FHL1，肌小节的Z线形成和myosin粗纤维的组装明显受阻[10]。过表达研究也说明了FHL1是肌肉肥厚和成肌细胞融合的正的调节因子之一。
将转染了HA–FHL1的小鼠C2C12成肌细胞诱导分化，形成了大的带有密集排列的核的肌管。肌肉调节因子MyoD、Myf5和myogenin的表达水平都没有受到FHL1过表达的影响，但是在分化早期(48 h)MHC的水平升高5倍。另外，与DNA的合成能力相比，这些细胞的蛋白合成能力升高了两倍。根据对成肌细胞融合指数(即每个MHC阳性细胞中细胞核的平均数)计算，在分化96 h后细胞的融合明显增加[16]。在FHL1转基因小鼠体内实验中同样也观察到了骨骼肌细胞的肥大，FHL1增加了整个机体骨骼肌的数量和力量并降低了机体对疲劳的易感性。肌肉力量的提高是由于肌肉肥大，而不是myosin动力增加的结果。对FHL1转基因小鼠腓肠肌进行观察后，发现较大的肌纤维较多、整个纤维的横切面的面积以及肌原纤维都有所增加[16]。肌肉肥大是由肌纤维面积的增加引起的，而不是由于过度增生或是2b型纤维(大纤维)自然增生。此外，FHL1诱导的肌肉肥大与氧化型的纤维类型的转化有关[16]。
最近有文献[17]报道了对FHL1敲除鼠的研究，研究表明FHL1敲除之后，小鼠的生存时间明显缩短，同时小鼠中FHL1功能缺失足以引起年龄依赖性的骨骼肌肌病，并与肌原纤维和肌原纤维间的紊乱有关。FHL1定位在线粒体，并在调节线粒体内稳态和氧化能力方面发挥重要作用。同时体外实验也证明了FHL1的缺失会引起成肌细胞内稳态的减弱和肌纤维成熟度的降低[17]。
近年来发现FHL1是6种不同的X连锁肌病的致病基因[1](表1)。
六种X连锁的骨骼肌肌病的基因、蛋白突变位点及临床表型的改变
六种X连锁的骨骼肌肌病的基因、蛋白突变位点及临床表型的改变
| 骨骼肌肌病 | 基因突变位点 | 蛋白突变位点 | 主要临床表型改变 |
|---|---|---|---|
| X型连锁遗传性的肩腓型肌病[18,19] | c.365G>C | p.W122S | 进行性的肌萎缩、血清肌酸激酶水平升高、胞质体中desmin阳性 |
| X连锁姿势性肌肉萎缩型肌病[20,21] | c.672C>G | p.C224W | 姿势性肌肉的无力和萎缩(肩腓肌肉无力和脊柱弯曲)，伴随着由于交替的肌肉群肥大而表现的假性肥大 |
| c.381_382insATC | p.D127_T128insIle | ||
| c.838G>A | p.V280M (FHL1B) | ||
| c.688＋1：G>A | p.A168GfsX195 | ||
| c.736C>T | p.H246Y | ||
| X连锁的还原体肌病[22,23,24] | c.367C>T | p.H123Y | 进行性肌无力、脊柱强直是患者有代表性的特征 |
| c.395G>T | p.C132F | ||
| c.457T>C | p.C153R | ||
| c.458G>A | p.C153Y | ||
| c.368A>T | p.H123L | ||
| c.369C>G | p.H123Q | ||
| c.369C>A | p.H123Q | ||
| c.449G>A | p.C150Y | ||
| c.302G>T | p.C101F | ||
| c.304–312delAAGGGGTGC | p.102–104delKFC | ||
| c.310T>C | p.C104R | ||
| n.d. | p.C150R | ||
| 埃–德二氏肌营养不良[25] | c.841T>G | p.X281E | 关节的三合体的挛缩，肌营养不良和心肌功能失调 |
| c.827G>A | p.C276Y | ||
| c.332_688del | p.G111_T229delinsG | ||
| c.332_501del | p.D112FfsX51 | ||
| c.817dup | p.C273LfsX11 | ||
| c.469_470delAA | p.K157VfsX36 (FHL1A) | ||
| p.K157VfsX36 (FHL1B) | |||
| c.469_470delAA | p.K157VfsX62 (FHL1C) | ||
| p.K124RfsX6 | |||
| c.469_470delAA | |||
| c.371_372delAA | |||
| X连锁退缩性的埃–德类似综合征[26] | c.625T>C | p.C209R | 患者的肌酸激酶水平也趋于正常或只有少许的升高、心脏疾病症状却很突出 |
| 脊柱强直综合征[27] | 表现为早期的脊柱侧弯，主要是臀部和大腿肌无力和肌肉萎缩、患者的血清肌酸激酶水平中度上升、呼吸功能中度削弱 |
在对一个意大利–美国的X连锁遗传性的肩腓型肌病(X–linked dominantly inherited form of scapuloperoneal myopathy，XSPM)家系的研究中发现了第一个人类FHL1基因突变[18,19]。XSPM是一种进行性的肌萎缩为特点的神经肌肉肌病。所有患者中血清肌酸激酶水平升高，胞质体中desmin阳性是肌原纤维肌病的特征[18,19]。这些表型的出现是由于FHL1蛋白质第二个LIM结构域中Trp–122–Ser的替换。男性患者是突变的半合子并较早发病，并且较女性患者的病情严重。这就表明，FHL1蛋白水平与症状之间或许有反向关联[18]。
X连锁姿势性肌肉萎缩型肌病(X–linked myopathy with postural muscle atrophy，XMPMA)是由其他五个FHL1基因突变引起的，临床特点表现为姿势性肌肉的无力和萎缩(肩腓肌肉虚弱和脊柱弯曲)，伴随着由于交替的肌肉群肥大而表现的假性肥大[20]。总的来说，主要有Ⅰ型纤维组成的肌肉群萎缩，Ⅱ型纤维组成的肌肉群肥大。患者的脊柱侧弯以及血肌酸水平升高[20]。在一个大的XMPMA奥地利家系研究中发现了在第四LIM域的FHL1的Cys–224–Trp替换突变。在一个XMPMA英国家系中，第二LIM域中发现了异亮氨酸的插入突变。最近，三个其他的引起XMPMA的FHL1突变也在五个独立的德国家系中被发现[21]。免疫印迹和免疫染色分析揭示了在受累个体的肌纤维中FHL1A蛋白几乎完全缺失[20,21]。电镜下观察到了粒丝状的物质，通过染色分辨出一些细胞质小体，但是还没有证明这些物质就是还原体[21]。这些组织病理学表明XMPMA可能与肌纤维肌病有共同的病理生理通路[21]。
然而至今，大多数的FHL1基因突变与X连锁的还原体肌病(X–linked reducing body myopathy，XRBM)有关，其突变包括发生在第二LIM域的11个已知的氨基酸替换突变和一个缺失突变[22,23,24]。XRBM是一种少见的可引起进行性肌无力的肌肉疾病，一般影响近侧肌群。近侧肌无力也表现在下肢，可能伴随足低垂或早期Achilles肌腱挛缩。脊柱强直是患者的代表性特征，然而脊柱侧弯和肌酸激酶水平的升高也很常见[23]。对患者后续的研究揭示了FHL1阳性聚集体以一个时间依赖方式增长，这可能与临床上疾病的预后相关。总的来说，这些发现揭示了XRBM病理机制除了因为FHL1功能失调，还包括胞质内包涵体的形成[23]。
另一个FHL1突变最近在埃–德二氏肌营养不良(Emery–Dreifuss muscular dystrophy，EDMD)中被发现。EDMD是一种少见的遗传性疾病，其特点是关节的三合体的挛缩，肌营养不良和心肌功能失调。对六个受影响家系和一个散发病例的综合分析，发现了七个新的FHL1的致病突变。与之前所描述的FHL1突变不同的是，这些突变位于FHL1基因外显子远端(外显子5～8)，影响LIM域2～4[25]。EDMD也不像其他肌病，组织中没有还原体和肌原纤维蛋白的聚集。而与其他肌病的共同特点是FHL1的表达受到抑制。免疫染色分析显示，FHL1定位在核里或与核附近。
此外，在一个大的X连锁退缩性的埃–德类似综合征(X–linked Emery–Dreifuss–like syndrome)德国家系中发现，FHL1基因的单独的错义突变(c.625T–C)是其致病原因，这进一步扩大了FHL1肌病的范围[26]。九个男性EDMD患者，年龄从14～60岁不等，表现为踝关节和膝盖关节挛缩并伴随脊柱强直综合征。与其他FHL1肌病相比，肌无力、肌肉萎缩和步态等问题在所有患者中(除了一个外)都不严重。患者的肌酸激酶水平也趋于正常或只有少许的升高。然而，患者的心脏疾病症状却很突出。患者伴随有左心室心肌肥厚、心肌纤维变性和高血压，并没有心律传导异常(除了一个房颤的病例)[26]。对肌肉组织标本的组织学分析揭示了有胞质小体的存在，甚至在无症状的女性携带者中也有胞质小体。但是，肌肉组织标本缺乏还原体。此外，在严重的病例中，有肌纤维大小上的病理改变，并且有坏死、再生、分裂的肌纤维的存在。免疫印迹分析表明在受FHL1突变影响的男性患者和女性携带者中FHL1表达是降低的[26]。
脊柱强直作为五种X连锁肌病中患者的最常见的临床特征[27]。在一例脊柱强直综合征(Rigid spine syndrome)患者中发现在第二LIM域内存在9个碱基的框移缺失突变。患者表现为早期的脊柱侧弯，主要是臀部和大腿肌无力和肌肉萎缩。另外，患者的血清肌酸激酶水平中度上升、呼吸功能中度削弱。免疫组化结果说明FHL1染色范围扩大，而免疫印迹结果揭示了在患病的肌肉中总FHL1的表达减少[27]。除了上述的X连锁肌病外，有研究表明FHL1基因的表达下调和先天性马蹄内翻足的肌肉异常表型的形成有关[28]。
综上所述，FHL1基因的突变和表达异常可以引起各种肌肉表型的异常。因此，近年来以FHL1基因作为各种人类肌病的潜在治疗的靶点的相关研究成为研究的焦点。Utrophin是DMD(Duchenne muscular dystrophy )肌病的潜在治疗的靶点。最近的研究表明FHL1转录激活NFATc1，NFATc1可以转录调节Utrophin的表达。因此，FHL1也可以作为DMD肌病的潜在治疗的靶点[29]。FHL1基因在其他人类肌病中的治疗价值还有待于进一步研究。
