Prkag3-flox 基因敲除小鼠

PRKAG3，也称为AMP-activated protein kinase gamma 3，是AMPK（AMP-activated protein kinase）的γ3亚基的编码基因。AMPK是一种异源三聚体酶，负责调节细胞能量稳态，响应环境或营养应激。PRKAG3基因的变异已被发现与猪的肉质性状有关。此外，PRKAG3还与肌肉质量和能量代谢相关，影响生长性能和肉质性状。PRKAG3的突变与肌肉中过多的糖原含量有关，这种突变对肉质性状有积极和消极的影响。

在羊中，研究人员使用PCR-SSCP技术研究了PRKAG3基因外显子3和外显子4-6的变异。在160只新西兰萨福克羊中，他们在基因的外显子3区域发现了两种变异序列，分别命名为a和b，在外显子4-6区域发现了三种变异序列，分别命名为A、B和C。共发现三个核苷酸置换，分别位于内含子4、外显子4和内含子5。在外显子4中发现的核苷酸置换（g.2656 C>T）可能导致羊PRKAG3中色氨酸到精氨酸的氨基酸置换（R230W）。与其他物种的PRKAG3氨基酸序列相比，这种R230W置换似乎只在羊中出现。这是羊PRKAG3基因遗传变异的首次报道，本研究发现的变异可能对AMPK活性具有功能性意义，进而可能影响羊的肉质性状[1]。

在猪中，PRKAG3基因的表达与肉质性状相关。PRKAG3基因的表达与糖酵解潜力和肌肉内脂肪（IMF）相关。在三个表型多样的F1杂交中，发现PRKAG3基因的表达与糖酵解潜力和肌肉内脂肪相关。在大白猪中，g.-311A>G位点的基因型与PRKAG3基因表达有显著关联。在同一群体中，在启动子和一个1.3 kb区域之间发现了十个新的SNPs，从中推断出三个主要单倍型。两个标记SNPs（g.-995A>G和g.-311A>G）描述了启动子区域内的单倍型。这两个SNPs随后在大白猪、杜洛克猪和皮特兰猪的纯合种群中进行了基因分型。推断出四种主要单倍型，包括启动子SNPs的g.-995A>G和g.-311A>G以及I199V。在大白猪中，HAP1与IMF%和滴水损失%相关，HAP2与IMFL%和糖酵解潜力相关，HAP3与滴水损失%、pHULT、pH(45)LT和b* Minolta相关。在杜洛克猪中，观察到HAP1与滴水损失%和pHUSM相关。在皮特兰猪中，启动子区域是单态的。I199V位点与所有三个品种的糖酵解潜力相关，以及与大白猪和皮特兰猪的IMF%相关。体外测试时，三种主要启动子单倍型的启动子功能没有显著差异。猪的PRKAG3基因表达与糖酵解潜力和IMF%相关的肉质性状相关，而基因启动子区域的SNP变异与PRKAG3基因表达和肉质性状相关[2]。

在人类中，研究人员研究了肌肉活检中自噬基因的表达模式与身体性能结果之间的关系。他们使用RNA测序确定了与自噬调节、线粒体自噬和mTOR/上游途径相关的281个基因的表达。他们发现，自噬的关键转录调节因子TFE3和NFKB相关基因（RELA、RELB和NFKB1）与结果负相关。相反，氧化代谢调节因子PPARGC1A、PPARA和EPAS1与多个结果正相关。此外，线粒体自噬、融合和分裂相关基因NIPSNAP2、DNM1L和OPA1也与结果正相关。对于mTOR途径和相关基因，WDR59和WDR24的表达与多个结果负相关，WDR59和WDR24是GATOR2复合物（mTORC1的间接抑制剂）的亚基，而PRKAG3是AMPK的调节亚基[3]。

在中国本土猪种中，PRKAG3基因的变异被认为是影响肉质性状的候选位点。在62只汉普夏猪、中国迷你猪和二花脸猪中，研究了R200Q置换。在1505只来自21个中国本土品种、5个西方商业猪品种和野猪的个体中检测了T30N、G52S和V199I置换的遗传变异。中国迷你猪和二花脸猪中存在200R等位基因。在大白猪中未观察到II-QQ和IV-QQ单倍型，这支持了等位基因200Q与等位基因199V紧密连锁的假设。中国本土猪和西方商业猪在三个置换（T30N、G52S和V199I）的等位基因频率上存在显著差异。在中国本土猪中检测到“有利”等位基因30T和52G的高频率，这些猪种以肉质优良而闻名。然而，除了迷你猪外，所有中国本土猪中“有利”等位基因199I的频率都很低。纯种中国藏猪中存在这三个置换，表明这三个置换是祖先突变。在外显子1的51位发现了一个新的A/G置换。结果表明，需要进一步研究这些置换与中国本土猪肉质性状的关系，并揭示PRKAG3基因中可能影响中国本土猪肉质性状的其他多态性[4]。

在马中，研究人员从马肌肉cDNA中分离了PRKAG3序列，并使用RT-PCR分析扩增了包含12个外显子的基因组片段。他们使用马特异性引物对马、猪、小鼠、人类、河豚和斑马鱼的PRKAG3进行序列分析，以确定马PRKAG3的外显子/内含子组织和脊椎动物中不同AMPKγ基因亚型的同源性。结果显示，三种不同的亚型（γ1、γ2和γ3）已在硬骨鱼中建立。在具有不同肌肉发育和预期性能的马品种中进行了筛选，共发现七个单核苷酸多态性（SNPs），其中五个导致氨基酸置换。对患有糖原储存肌病的马的PRKAG3编码序列的主要部分进行了筛选，没有发现与这种肌肉储存疾病相关的突变。品种比较揭示了几个可能有趣的SNPs。其中一个（Pro258Leu）发生在AMPKγ基因中高度保守的残基上。在SNP筛选中，仅在可归类为重型（比利时）或中型（北瑞典特快、弗约德和瑞典温血）的马品种中发现了变异等位基因，而在选择速度或赛马性能的轻型马品种（标准马、纯种马和夸特马）或矮种马（冰岛马和设得兰矮种马）中没有发现变异等位基因。这些结果将有助于未来研究PRKAG3多态性在马中的可能功能意义[5]。

在意大利大白猪中，研究人员研究了PRKAG3启动子区域的两个单核苷酸多态性（SNPs）。他们分析了这些SNPs与三个主要单倍型（包括其他三个置换c.89C>A、c.154A>G和c.595G>A）和不同性状（肉质参数：pH2h、pHu、糖原和乳酸含量、半腱肌的糖酵解潜力和组织蛋白酶B活性；生长性能和胴体性状的估计育种值和随机残差）之间的关联。发现g.-995A>G SNPs对组织蛋白酶B活性有显著影响（P=0.043），g.-311A>G SNPs对pHu有建议性影响（P=0.067）。单倍型[g.-995G:g.-311G:c.89A:c.154G:c.595G]与pHu（P=0.024）、糖酵解潜力（P=0.040）和组织蛋白酶B活性（P=0.086）相关。这项关于单倍型的研究，包括启动子区域SNPs，有助于解释该基因对猪肉质性状的影响[6]。

在牛中，研究人员对PRKAG3基因进行了特征描述，并进行了多态性分析。他们发现了32个SNPs，其中13个位于编码区，1个位于3' UTR，18个位于内含子。其中5个改变了PRKAG3蛋白质序列中的氨基酸。在三种牛品种中确定了等位基因频率，编码序列中的突变等位基因频率非常低。在基因的两个位置发现了选择性剪接位点，这导致翻译自该基因的蛋白质群体的异质性[7]。

在AMPKγ3突变小鼠中，研究人员研究了AMPKγ3亚型在运动诱导的代谢和基因调节反应中的作用。他们研究了在2小时游泳后或2.5小时恢复后的小鼠。运动增加了基础和胰岛素刺激的葡萄糖转运，不同基因型的反应相似。在Tg-Prkag3(225Q)小鼠中，运动后乙酰辅酶A羧化酶（ACC）磷酸化和甘油三酯含量增加，这表明该突变促进了对脂质氧化的更大依赖。相反，在大白鼠和Prkag3-/-小鼠之间，ACC磷酸化和甘油三酯含量相似。运动后，脂质和葡萄糖代谢相关基因的表达受到AMPKγ3基因修饰的影响。在Tg-Prkag3(225Q)小鼠中，脂蛋白脂肪酶1、肉碱棕榈酰转移酶1b和3-羟基酰辅酶A脱氢酶的表达增加，而在Prkag3-/-小鼠中则相反。在Tg-Prkag3(225Q)小鼠中，GLUT4、己糖激酶II（HKII）和糖原合酶mRNA的表达在运动后增加。在大白鼠中，GLUT4和HKII mRNA的表达在恢复后增加，而在Prkag3-/-小鼠中则减弱。总之，Prkag3(225Q)突变而不是功能性的AMPKγ3亚型的存在，直接促进了运动后骨骼肌中脂质氧化途径的代谢和基因调节反应[8]。

在猪中，研究人员发现了一种与肌肉中过多的糖原含量相关的突变。这种突变是一种非保守的置换（R200Q），在PRKAG3基因中，该基因编码肌肉特异性AMPK的调节γ亚基。在酵母中，同源基因的失活突变导致葡萄糖代谢缺陷，包括糖原储存。PRKAG3信号通路的进一步分析可能为肌肉生理学以及非胰岛素依赖性糖尿病（人类的一种代谢紊乱，与糖原合成受损相关）的发病机制提供见解[9]。

在牛中，研究人员使用辐射杂交面板将牛AMPK家族的七个基因映射到牛染色体上。七个基因映射到六个不同的牛染色体上，每个染色体的LOD得分都大于10.0。PRKAA1映射到BTA 20，PRKAA2和PRKAB2映射到BTA 3，PRKAB1映射到BTA 17，PRKAG1映射到BTA 5，PRKAG2映射到BTA 4，PRKAG3映射到BTA 2。五个基因映射到从人类/牛比较图谱预期的区域。然而，PRKAB2和PRKAG3尚未在人类中映射。他们预测这些基因位于HSA 1和HSA 2上。此外，在Bos taurus牛的PRKAG3中检测到一个同义和一个非同义单核苷酸多态性（SNP）。为了确定祖先起源，他们使用混合品种牛和其他反刍动物的序列变异来描述PRKAG3区域的变异。由于该基因家族的生理重要性，他们认为这些基因是赋予牛对疾病抗性的候选基因[10]。

综上所述，PRKAG3基因在肉质性状、肌肉质量和能量代谢中发挥着重要作用。PRKAG3基因的变异和表达水平与肉质性状、肌肉内脂肪和糖酵解潜力相关。PRKAG3基因的突变与肌肉中过多的糖原含量有关，对肉质性状有积极和消极的影响。此外，PRKAG3基因的变异和表达水平与人类的肌肉性能、肌肉体积和线粒体功能相关。PRKAG3基因的研究有助于深入理解该基因在肉质性状、肌肉质量和能量代谢中的作用，为肉品改良和肌肉疾病的治疗提供新的思路和策略。