畜禽骨骼肌生長發(fā)育規(guī)律及其調(diào)控機(jī)制

劉 壯

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)學(xué)院，廣州 510642）

1 骨骼肌的生長發(fā)育規(guī)律

骨骼肌是動物體重要組成部分，與動物體的運(yùn)動能力、能量消耗、產(chǎn)肉性能有密切的關(guān)系[1-2]。脊椎動物骨骼肌的形成與發(fā)育起源于中胚層，中胚層間充質(zhì)干細(xì)胞分化形成單核的成肌細(xì)胞，成肌細(xì)胞融合形成梭狀的多核細(xì)胞肌管，而肌管進(jìn)一步生長分化形成成熟的肌纖維。畜禽的骨骼肌由大量的肌纖維組成，出生前主要依賴于細(xì)胞的分裂增殖，而出生后則依賴于肌肉的肥大。而肌肉肥大的誘因是肌纖維生理直徑的增大和肌節(jié)的增長[3]。

2 肌纖維類型及變化規(guī)律

肌纖維是肌肉組織的基本結(jié)構(gòu)單位，肉質(zhì)主要受到肌纖維類型及其組成的影響。一定程度上講，肌肉的產(chǎn)量與特性由肌纖維的含量與特性決定。Ⅰ型纖維因其收縮速度慢而被稱為慢肌纖維，其線粒體含量高，酶系活性較強(qiáng)，具有氧化代謝作用。Ⅱb 型纖維收縮速度快，線粒體含量較少，主要通過糖酵解途徑代謝葡萄糖。Ⅱa和Ⅱx 型纖維是能夠快速收縮，介于糖酵解/氧化代謝的中間纖維[4]。球蛋白重鏈也是肌纖維類型的重要分子標(biāo)志物，常用來作為分類標(biāo)準(zhǔn)[5]。4 種肌纖維類型Ⅰ、Ⅱa、Ⅱb 和Ⅱx 分別對應(yīng)肌蛋白重鏈的異構(gòu)體My-HC1、MyHC2a、MyHC2b、MyHC2x。

仔豬出生后不久，肌纖維以氧化型為主，隨著動物機(jī)體的生長發(fā)育，氧化型肌纖維逐漸向酵解型纖維轉(zhuǎn)化，最終肌纖維的類型與比例基本穩(wěn)定[6-7]。肉產(chǎn)品的風(fēng)味與肌纖維類型具有密切關(guān)系。游離氨基酸是肉質(zhì)的調(diào)味劑和風(fēng)味前體的重要組分。研究發(fā)現(xiàn)，高濃度的MyHC1 能夠誘導(dǎo)黑牛肌肉中游離氨基酸含量的提高以促進(jìn)富含慢肌纖維的肉質(zhì)風(fēng)味[8]。

3 影響畜禽骨骼肌生長發(fā)育的因素

3.1 營養(yǎng)物質(zhì)對骨骼肌生長發(fā)育的影響

3.1.1 蛋白質(zhì)、氨基酸

蛋白質(zhì)是畜禽肌肉的主要組成部分，因此蛋白質(zhì)的沉積與分解對于動物體肌肉的生長發(fā)育發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。蛋白質(zhì)合成與分解的過程實(shí)際上是動物體對氨基酸代謝與利用的過程。Zhang 等研究發(fā)現(xiàn)，低蛋白日糧能夠抑制動物體肌肉中蛋白質(zhì)沉積，影響骨骼肌增重，而日糧中補(bǔ)充亮基酸能夠激活mTOR-S6K1-4EBP1信號通路促進(jìn)動物體蛋白質(zhì)的合成與骨骼肌的增重[9]。Summermatter 等也有類似的發(fā)現(xiàn)，低蛋白日糧中補(bǔ)充亮氨酸能夠促進(jìn)心肌和骨骼肌蛋白質(zhì)的合成與沉積[10]。研究表明，日糧中補(bǔ)充支鏈脂肪酸可以促進(jìn)進(jìn)食狀態(tài)下蛋白質(zhì)合成，并抑制禁食狀態(tài)下蛋白質(zhì)降解，這兩者都有助于提高仔豬骨骼肌的質(zhì)量[11]。田大龍等以肉雞為模式動物發(fā)現(xiàn)，日糧中賴氨酸缺乏能夠顯著抑制肉雞的胸肌率[12]。

3.1.2 礦物質(zhì)元素

當(dāng)動物體攝取礦物質(zhì)元素鋅、硒、鐵等不足時(shí)，均會不同程度地影響與阻礙動物體肌肉的生長發(fā)育水平，目前的研究多集中于鋅對骨骼肌生長發(fā)育水平的影響。研究發(fā)現(xiàn)，母體補(bǔ)鋅可促進(jìn)子代骨骼肌蛋白質(zhì)的合成，減少蛋白質(zhì)降解，從而增加肌肉產(chǎn)量和肌纖維面積[13-14]。飼喂缺鋅日糧（27 mmol·kg-1）的大鼠體重增加顯著減少，同時(shí)伴隨著骨骼肌和心肌中亮氨酸含量的減少，而補(bǔ)充亮氨酸顯著地提高了動物體的生長發(fā)育水平[15]。體外研究也有類似發(fā)現(xiàn)，鋅缺乏可顯著抑制亮氨酸的主動轉(zhuǎn)運(yùn)反應(yīng)，而補(bǔ)充鋅時(shí)，可以劑量依賴式地通過PI3K/Akt 和ERK 信號通路促進(jìn)肌原細(xì)胞的增殖和活化[16]。參與礦物質(zhì)儲存、轉(zhuǎn)運(yùn)或代謝的分子物質(zhì)也能間接地營養(yǎng)肌肉的生長發(fā)育。金屬硫蛋白是一類存在于生物界中富含半胱氨酸的低分子量金屬結(jié)合蛋白，對Cd、Zn、Cu 等有金屬元素具有較強(qiáng)的親和力，能夠參與微量元素的儲存、運(yùn)輸和代謝[17-19]。金屬硫蛋白的缺失能夠引發(fā)動物體Ⅱb 型肌纖維的肥大而增加肌肉質(zhì)量，并且這種肥大作用將導(dǎo)致肌肉力量的增加[20-21]。

3.1.3 維生素

維生素作為核苷酸與氨基酸生物合成的輔助因子，在細(xì)胞代謝中發(fā)揮重要的作用，與骨骼肌的生長發(fā)育密切相關(guān)[22]。細(xì)胞水平上，維生素B9缺乏能夠抑制骨骼肌細(xì)胞的增殖分化，破壞細(xì)胞周期。而再補(bǔ)充維生素B9能夠逆轉(zhuǎn)這種對細(xì)胞周期和衰老的影響，但不會逆轉(zhuǎn)C2C12細(xì)胞的分化，提示維生素B9對骨骼肌的生長發(fā)育發(fā)揮著重要的作用[23]。個(gè)體水平上，維生素與肌肉的收縮特性及品質(zhì)特征具有密切的關(guān)系。維生素E 是一種較強(qiáng)的抗氧化劑，能夠抑制脂肪酸的氧化，保護(hù)細(xì)胞免受自由基的損害，因此具有延緩衰老的作用。Leal 等研究發(fā)現(xiàn)，羔羊日糧中補(bǔ)充維生素E能夠延緩脂質(zhì)氧化與肉質(zhì)變色。維生素D是調(diào)控肌肉發(fā)育與骨骼形成的重要因子[24]。母體日糧中補(bǔ)充維生素D 能夠促進(jìn)子代出生前后骨骼肌的生長發(fā)育水平，同時(shí)還能緩解衰老引起的衰弱，增強(qiáng)力量組成[25]。

3.1.4 脂肪酸

骨骼肌能夠攝取與利用葡萄糖和脂肪酸，在糖脂代謝與能量穩(wěn)態(tài)方面發(fā)揮重要的作用，反之糖脂分子對肌肉的生長發(fā)育亦具有重要的調(diào)控作用。值得注意的是，高脂日糧誘導(dǎo)的肥胖小鼠已經(jīng)被證明可以通過肌肉質(zhì)量與肌纖維面積的減少促進(jìn)肌肉萎縮和分解代謝[26-27]。棕櫚酸，又稱軟脂酸，是一種高級飽和脂肪酸，以甘油酯的形式普遍存在于動植物油脂中。當(dāng)C2C12肌管細(xì)胞暴露于棕櫚酸時(shí)，肌管直徑顯著變小，而胰島素信號受到抑制，這可能與促肌肉萎縮相關(guān)基因MAFbx、FoxO3 有關(guān)[28]。相反的是，當(dāng)動物機(jī)體或細(xì)胞暴露于不飽和脂肪酸時(shí)，肌肉或細(xì)胞的發(fā)育水平會得到顯著的改善。研究發(fā)現(xiàn)，日糧中添加共軛亞油酸時(shí)，可以顯著增加小鼠腓腸肌的質(zhì)量[29]。而當(dāng)營養(yǎng)不良的倉鼠被飼喂富含α-亞麻酸的日糧時(shí)，肌肉的形態(tài)特征例如肌纖維增大和功能特性也會顯著得到改善[30]。細(xì)胞水平上，呂曉婷等發(fā)現(xiàn)短鏈脂肪酸能夠激活小鼠骨骼肌細(xì)胞AMPK 信號，通過調(diào)節(jié)腸道菌群穩(wěn)態(tài)改善胰島素抵抗[31]。

3.2 非營養(yǎng)物質(zhì)對骨骼肌生長發(fā)育的影響

3.2.1 運(yùn)動

動物體運(yùn)動所需的力量由骨骼肌收縮產(chǎn)生，同時(shí)骨骼肌收縮的強(qiáng)度與頻率也受到機(jī)體運(yùn)動訓(xùn)練的影響。研究發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動不僅能夠改善肌肉性能，提升肌肉力量，還能清除機(jī)體代謝旺盛產(chǎn)生的自由基，提高抗氧化能力[32-33]。運(yùn)動還可促進(jìn)葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體4（GLUT4）的表達(dá)與轉(zhuǎn)位，增加胰島素與其受體結(jié)合的效率，從而降低骨骼肌對葡萄糖的轉(zhuǎn)運(yùn)、攝取與利用，改善胰島素抵抗[34]。

3.2.2 有害氣體

隨著全封閉畜舍和集約化生產(chǎn)方式在畜牧生產(chǎn)中的應(yīng)用與推廣，畜舍環(huán)境也成為影響動物體健康、生產(chǎn)效率、產(chǎn)品品質(zhì)的重要因子。研究表明，高濃度氨氣不僅能夠誘發(fā)動物體產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng)，降低采食量與飼料轉(zhuǎn)化率，還顯著地降低肌肉品質(zhì)[35]。Yi等研究發(fā)現(xiàn)，氨氣可以顯著降低肉雞的胸肌率與屠宰率[36]。除了氨氣，硫化氫（H2S）氣體也是對畜禽肌肉生長發(fā)育造成危害的重要因子。高濃度硫化氫能夠顯著降低6 周齡肉雞屠宰率、腿肌pH 和胸腿肌滴水損失率，而提高血液中血紅蛋白的含量[37]。

3.2.3 養(yǎng)殖模式

目前，我國飼養(yǎng)的畜禽品種多以高產(chǎn)、生長快速為主要目標(biāo)，而忽視了給與畜禽提供寬闊的活動空間和自由表達(dá)天性行為的舒適環(huán)境[38]。研究發(fā)現(xiàn)，相比散養(yǎng)雞，籠養(yǎng)雞的活動范圍及活動能力受到空間限制，采食后長期處于久臥狀態(tài)，機(jī)體的營養(yǎng)吸收與新陳代謝速度減慢，從而誘發(fā)腹脂含量升高，肌肉的質(zhì)量與品質(zhì)下降，腿肌的病發(fā)率升高[39-40]。但是，傳統(tǒng)的厚墊料地面平養(yǎng)肉雞方式容易造成雞舍內(nèi)氨氣和可吸入顆粒物的濃度顯著升高，誘發(fā)呼吸道疾病[41]。

4 調(diào)控肌肉生長發(fā)育的機(jī)制

4.1 Wnt/β-catenin信號通路

Wnt信號通路常見于胚胎發(fā)育、癌癥發(fā)生、組織的損傷修復(fù)等過程，其傳導(dǎo)途徑是配體蛋白質(zhì)Wnt 和膜蛋白受體結(jié)合激發(fā)下游通道的信號蛋白，包含經(jīng)典的Wnt/β-catenin 信號通路、Wnt/Ca2+信號通路和非經(jīng)典的細(xì)胞極性通路[42]。

研究發(fā)現(xiàn)，Wnt11 與Wnt4 在肉雞肌纖維發(fā)育早期促進(jìn)快?。á騛/ Ⅱb/ Ⅱx 肌纖維）的形成，而Wnt5 增強(qiáng)慢?。á裥图±w維）的形成[43-44]。此外，Wnt7a 過表達(dá)增強(qiáng)肌肉再生能力，增加衛(wèi)星細(xì)胞數(shù)量和肌肉質(zhì)量。同樣，Wnt7a 缺乏的小鼠再生能力減弱，衛(wèi)星細(xì)胞數(shù)量顯著減少[45]。這表明配體蛋白Wnt 在骨骼肌的生長發(fā)育過程中發(fā)揮著重要的作用。Wnt 信號傳導(dǎo)至細(xì)胞內(nèi)后能夠激活Dishevelled（Dsh），抑 制Axin、APC 和GSK-3β復(fù)合物 的活性，從而使β-catenin 無法被蛋白酶體降解，積聚在細(xì)胞內(nèi)。游離的β-catenin 進(jìn)入細(xì)胞核內(nèi)，激活淋巴增生因子/T 細(xì)胞因子（Lef/TCF），從而調(diào)節(jié)靶基因的表達(dá)與骨骼肌的生長發(fā)育[46-47]。研究表明，β-catenin 缺失或過表達(dá)均會導(dǎo)致成肌細(xì)胞的分化混亂。當(dāng)β-catenin 過表達(dá)時(shí)會使成肌細(xì)胞過早分化，不利于骨骼肌的損傷修復(fù)，而缺失時(shí)則會抑制肌肉的生長發(fā)育[48]。此外，潘同斌等研究發(fā)現(xiàn)，力竭運(yùn)動、鈍挫傷均可下調(diào)AXIN、GSK-3β的含量影響骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞的增殖分化，提示W(wǎng)nt/βcatenin 信號通路在骨骼肌生長增殖過程中發(fā)揮重要作用[49]。

4.2 mTOR信號通路

在胚胎生長發(fā)育過程中，胰島素樣生長因子-Ⅰ（IGF-Ⅰ）在骨骼肌生成中發(fā)揮至關(guān)重要的作用。Peters 等發(fā)現(xiàn)IGF-Ⅰ處理C2C12細(xì)胞可以顯著增大肌管細(xì)胞的體積[50]。而活體研究也有相似的發(fā)現(xiàn)，小鼠骨骼肌特異性過表達(dá)IGF-Ⅰ可顯著增加肌肉大小，說明IGF-Ⅰ對骨骼肌的生長發(fā)育具有重要調(diào)控作用[51]。IGF-Ⅰ呈劑量依賴式地促進(jìn)成肌細(xì)胞的增殖，提高成肌細(xì)胞周期依賴性基因的mRNA 表達(dá)水平。然而，當(dāng)補(bǔ)充磷脂酰肌醇3-激酶（PI3K）抑制劑和Akt抑制劑時(shí)消除這些作用，表明IGF-Ⅰ的促增殖作用是由PI3K/Akt 信號通路介導(dǎo)產(chǎn)生的[51]。而Akt 的持續(xù)激活能夠通過TORC1/p70S6K 蛋白合成途徑增加單根肌纖維的平均橫截面積，從而使骨骼肌大小加倍[52]。同樣，骨骼肌萎縮時(shí)，Akt 與PI3K 的活性均顯著下調(diào)，表明PI3 激酶是骨骼肌中IGF-Ⅰ誘導(dǎo)的肥大所必需的[53]。另外，活化的TORCⅠ還可以抑制真核生物翻譯起始因子4E 結(jié)合蛋白-Ⅰ（eIF4E-BP1）的活性，促進(jìn)mRNA 翻譯，增加蛋白質(zhì)合成[54]。除了TORC1，TORC2 也是哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（mTOR）的重要組成分子，可以激活下游分子抑制FoxO 的活性，從而減少蛋白質(zhì)降解，促進(jìn)肌肉肥大。由此可知，IGF-1/PI3K/Akt/mTOR 信號通路介導(dǎo)骨骼肌蛋白質(zhì)合成與細(xì)胞增殖過程。

4.3 AMPK信號通路

5'-腺苷單磷酸激活蛋白激酶（AMPK）是ATP消耗的細(xì)胞內(nèi)感受器，也是骨骼肌代謝的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子[55]。AMPK在細(xì)胞能量代謝時(shí)由ATP產(chǎn)生，ATP去磷酸化形成ADP 與AMP。而AMP 可通過以下方式激活A(yù)MPK：通過上游激酶增加AMPK 磷酸化；通過磷酸酶降低AMPK 去磷酸化；變構(gòu)激活磷酸化AMPK。機(jī)體能量不足時(shí)，AMPK可間接激活ULK1，也可通過降低細(xì)胞內(nèi)的ATP 濃度直接激活ULK1，從而促進(jìn)自噬過程的發(fā)生[55]。AMPK 被激活后可以通過自噬過程減少蛋白質(zhì)的合成，約占45%[56]。而耐力運(yùn)動不斷的消耗能量，產(chǎn)生ATP，促進(jìn)AMPK表達(dá)，從而導(dǎo)致線粒體生成和有氧耐力的提高，有利于提高機(jī)體的運(yùn)動能力[57]。

4.4 其他調(diào)控機(jī)制

調(diào)控畜禽骨骼肌生長發(fā)育的機(jī)制種類繁多，除上面幾種外，還包括Notch 信號通路、micro RNA、MSTN、NF-κB 及GCs 等介導(dǎo)的信號通路，泛素-蛋白酶體途徑、自噬-溶酶體途徑等機(jī)制，仍需進(jìn)一步探索與認(rèn)識。

5 總結(jié)與展望

骨骼肌不僅是重要的運(yùn)動器官，還可以作為代謝器官，調(diào)控動物機(jī)體的能量代謝與血糖穩(wěn)態(tài)，因此骨骼肌功能的維持對機(jī)體健康具有的重要意義。揭示畜禽骨骼肌生長發(fā)育的調(diào)控機(jī)理是認(rèn)識骨骼肌發(fā)育、畜禽產(chǎn)肉性狀形成分子機(jī)制的基礎(chǔ)。其研究不能局限于外源性物質(zhì)對肌肉生長發(fā)育的影響，而應(yīng)更多關(guān)注肌肉自身代謝產(chǎn)物對周圍非肌肉細(xì)胞的影響以及分泌物與外源性物質(zhì)之間的相互關(guān)系。隨著試驗(yàn)技術(shù)和研究水平的提高，肌肉的分子調(diào)控機(jī)理會越來越多地被發(fā)現(xiàn)，畜牧業(yè)亦將向精細(xì)化的方向發(fā)展。