畜禽骨骼肌生長發(fā)育規(guī)律及其調(diào)控機(jī)制

◆作者：劉壯

◆單位：華南農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)學(xué)院

1 骨骼肌的生長發(fā)育規(guī)律

骨骼肌是動(dòng)物體重要的組成部分，與動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)能力、能量消耗、產(chǎn)肉性能具有密切的關(guān)系。脊椎動(dòng)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。

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，它們線粒體含量高，酶系活性較強(qiáng)，主要具有氧化代謝作用。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。其次，球蛋白重鏈（myosin heavy chain）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)。四種肌纖維類型Ⅰ、Ⅱa、Ⅱb和Ⅱx分別對(duì)應(yīng)肌蛋白重鏈的異構(gòu)體MyHC1、MyHC2a、MyHC2b、MyHC2x。仔豬出生后不久，肌纖維以氧化型為主，隨著動(dòng)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。其次，肉產(chǎn)品的風(fēng)味與肌纖維類型具有密切的關(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M yH C1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。氧化型纖維能夠改善肉品風(fēng)味，也可能與其磷脂含量更高有關(guān)。

磷脂是肉類風(fēng)味體系中重要的前體物質(zhì)，過多的磷脂會(huì)增加肉品中多不飽和脂肪酸氧化的風(fēng)險(xiǎn)，造成嚴(yán)重的酸敗風(fēng)味。

3 骨骼肌的修復(fù)與更新

骨骼肌具有顯著的再生能力，可以快速修復(fù)運(yùn)動(dòng)、毒素或疾病引發(fā)的損傷。而骨骼肌的再生能力取決于衛(wèi)星細(xì)胞增殖、分化的效率。正常情況下，衛(wèi)星細(xì)胞和具有收縮能力的肌管并排排列在基底膜下方，處于有絲分裂靜止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)骨骼肌因毒素、疾病或運(yùn)動(dòng)等因素受到損傷時(shí)，衛(wèi)星細(xì)胞可以迅速地被激活。激活的衛(wèi)星細(xì)胞遷移至受損部位，不僅能夠迅速增殖、分化和融合，形成新的肌纖維細(xì)胞，還能夠與受損的肌纖維融合，為肌細(xì)胞提供新的細(xì)胞核，以便修復(fù)和再生。

4 影響畜禽骨骼肌生長發(fā)育的因素

4.1 營養(yǎng)物質(zhì)對(duì)骨骼肌生長發(fā)育的影響

4.1.1 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(duì)于動(dòng)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(dòng)物體對(duì)氨基酸代謝與利用的過程。Bo等（2017）發(fā)現(xiàn)，低蛋白日糧能夠抑制動(dòng)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m TOR-S6K1-4EBP1信號(hào)通路促進(jìn)動(dòng)物體蛋白質(zhì)的合成與骨骼肌的增重。Suryawan等（2016）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。此外，研究表明，日糧中補(bǔ)充支鏈脂肪酸中可以促進(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。田大龍等（2018）發(fā)現(xiàn)，日糧中賴氨酸缺乏能夠顯著抑制肉雞的胸肌率。此外，體弱的老年人在進(jìn)行長時(shí)間的阻力運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練后補(bǔ)充蛋白質(zhì)，能夠增加肌纖維肥大，但沒有改變肌細(xì)胞核和衛(wèi)星細(xì)胞的含量。

4.1.2 礦物質(zhì)元素

當(dāng)動(dòng)物體攝取礦物質(zhì)元素鋅、硒、鐵等不足時(shí)，均會(huì)不同程度地影響與阻礙動(dòng)物體肌肉的生長發(fā)育水平，目前的研究多集中于鋅對(duì)骨骼肌生長發(fā)育水平的影響。研究發(fā)現(xiàn)，母體補(bǔ)鋅可以促進(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。飼喂缺鋅日糧（27mμmol/kg）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(dòng)物體的生長發(fā)育水平。體外研究也有類似的發(fā)現(xiàn)，鋅缺乏可以顯著抑制亮氨酸的主動(dòng)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(hào)通路促進(jìn)肌原細(xì)胞的增殖和活化。其次，參與礦物質(zhì)儲(chǔ)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(duì)Cd、Zn、Cu等金屬元素具有較強(qiáng)的親和力，能夠參與微量元素的儲(chǔ)存、運(yùn)輸和代謝。金屬硫蛋白的缺失能夠引發(fā)動(dòng)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。

4.1.3 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)。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(duì)細(xì)胞周期和衰老的影響，但不會(huì)逆轉(zhuǎn)C2C12細(xì)胞的分化，提示維生素B9對(duì)骨骼肌的生長發(fā)育發(fā)揮著重要的作用。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（2016）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。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。

4.1.4 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(duì)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。棕櫚酸（Palmiticacid），又稱軟脂酸，是一種高級(jí)飽和脂肪酸，以甘油酯的形式普遍存在于動(dòng)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(hào)受到抑制，這可能與促肌肉萎縮相關(guān)基因MAFbx、FoxO3有關(guān)。相反的是，當(dāng)動(dòng)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(huì)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。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(huì)顯著得到改善。細(xì)胞水平上，呂曉婷等（2014）發(fā)現(xiàn)短鏈脂肪酸能夠激活小鼠骨骼肌細(xì)胞AM PK信號(hào)，通過調(diào)節(jié)腸道菌群穩(wěn)態(tài)改善胰島素抵抗。

4.2 非營養(yǎng)物質(zhì)對(duì)骨骼肌生長發(fā)育的影響

4.2.1 運(yùn)動(dòng)

動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)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(dòng)訓(xùn)練的影響。研究發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)不僅能夠改善肌肉性能，提升肌肉力量，還能夠清除機(jī)體代謝旺盛產(chǎn)生的自由基，提高抗氧化能力。其次，運(yùn)動(dòng)可以促進(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(duì)葡萄糖的轉(zhuǎn)運(yùn)、攝取與利用，改善胰島素抵抗。童俊露等（2015）研究發(fā)現(xiàn)，高脂日糧可誘導(dǎo)動(dòng)物體胰島素抵抗，血糖、血脂含量顯著升高，GLUT4表達(dá)量顯著下降，而運(yùn)動(dòng)則可以升高GLUT4的表達(dá)量，改善血糖、血脂水平。

4.2.2 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(dòng)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(dòng)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)。Yi等（2017）發(fā)現(xiàn) 25 ppm 氨氣顯著降低肉雞的胸肌率與屠宰率。除了氨氣，硫化氫（H2S）氣體也是對(duì)畜禽肌肉生長發(fā)育造成危害的重要因子。高濃度硫化氫（12ppm）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。

4.2.3 養(yǎng)殖模式

目前，我國飼養(yǎng)的畜禽養(yǎng)殖多以高產(chǎn)、生長快速為主要目標(biāo)，而忽視了給與畜禽寬闊的活動(dòng)空間和自由表達(dá)天性行為的舒適環(huán)境。研究發(fā)現(xiàn)，相比散養(yǎng)雞，籠養(yǎng)雞的活動(dòng)范圍及活動(dòng)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。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。

5 調(diào)控肌肉生長發(fā)育的機(jī)制

5.1 Wnt/β-catenin信號(hào)通路

Wnt信號(hào)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(hào)蛋白，包含經(jīng)典的Wnt/β-catenin信號(hào)通路、Wnt/Ca2+信號(hào)通路和非經(jīng)典的細(xì)胞極性通路。

研究發(fā)現(xiàn)，Wnt11與Wnt4在肉雞肌纖維發(fā)育早期促進(jìn)快?。↖Ia/IIb/IIx肌纖維）的形成，而Wnt 5增強(qiáng)慢肌（I型肌纖維）的形成（Bolster等，2002；Winden等，2007）。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，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(hào)傳導(dǎo)至細(xì)胞內(nèi)后能夠激活 Dishevelled（Dsh），抑制 Axin、APC（adenomatous polyposiscoli） 和 GSK-3β（glycogensynt hasekinase 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（lymphoid enhancer factor/Tcellfactor，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。研究表明，β-catenin缺失或過表達(dá)均會(huì)導(dǎo)致成肌細(xì)胞的分化混亂。當(dāng)β-catenin過表達(dá)時(shí)會(huì)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(huì)抑制肌肉的生長發(fā)育。此外，潘同斌等（2015）發(fā)現(xiàn)力竭運(yùn)動(dòng)、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/β-catenin信號(hào)通路在骨骼肌損傷修復(fù)過程中發(fā)揮重要作用。

5.2 mTOR信號(hào)通路

在胚胎生長發(fā)育過程中，胰島素樣生長因子-1（insulin-like growth factor1，IGF-1）在骨骼肌生成中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。Peters等（2017）發(fā)現(xiàn) IGF-1處理C2C12細(xì)胞可以顯著增大肌管細(xì)胞的體積。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-1可以顯著增加肌肉的大小，說明IGF-1對(duì)骨骼肌的生長發(fā)育具有重要的調(diào)控作用。IGF-1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m RNA表達(dá)水平。然而，當(dāng)補(bǔ)充磷脂酰肌醇3-激酶（phosphatidylinositol3-kinase，PI3K）抑制劑和Akt抑制劑時(shí)消除了這些作用，表明IGF-1的促增殖作用是由PI3K/Akt信號(hào)通路介導(dǎo)產(chǎn)生的。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。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-1誘導(dǎo)的肥大所必需的。另外，活化的TORC1還可以抑制真核生物翻譯起始因子4E結(jié)合蛋白-1（eukaryotic initiation factor-4E-bindingprotein-1，eIF4E-BP1） 的活性，促進(jìn)m RNA翻譯，增加蛋白質(zhì)合成。除了TORC1，TORC2也是哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白（mammaliant argetofrapamycin，m TOR）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/m TOR信號(hào)通路介導(dǎo)骨骼肌蛋白質(zhì)合成與細(xì)胞增殖過程。

5.3 AMPK信號(hào)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（Zhao等，2014；D Bizeray等，2002）。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AM P可以通過以下方式激活A(yù)M PK：①通過上游激酶增加AM PK磷酸化；②通過磷酸酶降低AM PK去磷酸化；③變構(gòu)激活磷酸化AM PK。機(jī)體能量不足時(shí)，AM PK可以間接激活 ULK1（unc-51likeki nase1），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。AM PK被激活后可以通過自噬過程減少蛋白質(zhì)的合成，約占45%。而耐力運(yùn)動(dòng)不斷的消耗能量，產(chǎn)生 ATP，促進(jìn)AM PK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(dòng)能力。

5.4 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Not ch信號(hào)通路、micro RNA、MSTN、NF-κB及 GCs等介導(dǎo)的信號(hào)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(shí)。

6 總結(jié)與展望

骨骼肌不僅是重要的運(yùn)動(dòng)器官，還可以作為代謝器官，調(diào)控動(dòng)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(duì)肌肉產(chǎn)量與品質(zhì)的提升具有重要的意義。揭示畜禽骨骼肌生長發(fā)育的調(diào)控機(jī)理有利于認(rèn)識(shí)畜禽骨骼肌發(fā)育、產(chǎn)肉性狀形成的分子機(jī)制。其研究不能局限于外源性物質(zhì)對(duì)肌肉生長發(fā)育的影響，還應(yīng)更多關(guān)注肌肉自身代謝產(chǎn)物對(duì)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。相信隨著試驗(yàn)技術(shù)和研究水平的提高，肌肉的分子調(diào)控機(jī)理會(huì)越來越多地被發(fā)現(xiàn)，畜牧業(yè)亦將向精細(xì)化方向發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：（略）