Hedgehog信号通路介导猪肌内脂肪分化调控的研究进展

王利娟，岳万福

(浙江农林大学动物科技学院，浙江临安 311300)

Hedgehog信号通路介导猪肌内脂肪分化调控的研究进展

王利娟，岳万福*

(浙江农林大学动物科技学院，浙江临安 311300)

肌内脂肪直接影响猪肉的风味，肌内脂肪含量过低造成猪肉风味变差。肌内脂肪含量性状与瘦肉率性状之间呈负相关，单靠遗传育种同时解决猪的瘦肉率和肌内脂肪含量问题已经遇到瓶颈。本文主要综述hedgehog信号途径在胚胎发育期如何调控间充质干细胞成脂分化，在提高猪的瘦肉率的同时增加肌内脂肪含量，为我国瘦肉型猪的培育和猪肉品质调控研究提供新的思路。

hedgehog信号通路;肌内脂肪;成脂分化;能量代谢;猪

随着生活水平日渐提高,人们对肉制品的口感要求也越来越高。20世纪90年代初,我国肉类总产量的大幅度攀升使消费者可以自主选择所需肉制品,精瘦肉需求日渐升高。为迎合消费者需求,育种工作者将瘦肉率作为选育猪品种的主要目标之一。然而,一味地追求猪瘦肉率使得肌内脂肪含量下降［1］。肌内脂肪含量是影响肉制品风味的重要因素之一,追求高瘦肉率却使得猪肉制品风味降低。因此,育种工作者致力于寻找新的方法,旨在提高猪瘦肉率的前提下,保证猪肉制品风味,使猪肉制品保持合适肌内脂肪含量。目前国内外研究热点集中于通过调控成脂分化相关信号通路改善猪肉肌内脂肪含量,提高猪肉制品风味。然而,成脂分化相关信号通路调控脂肪细胞分化的机制尚不明确。介于此,本文将综述成脂分化相关信号通路在脂肪分化调控中的作用及其机理,旨在对利用相关信号通路调控猪肌内脂肪含量进行可行性分析,为新型育种方法提供理论参考依据。

1 间充质干细胞

1.1 间充质干细胞 间充质干细胞(mesenchymal stem cells,MSC)是具有自我更新和向间充质细胞多能分化能力的多功能基质性细胞［2］,来源于中胚层和外胚层,主要存在于结缔组织和器官间质中,以骨髓组织中含量最为丰富。这些非造血细胞在体内或体外特定的诱导条件下可以分化成为多种间充质细胞系,研究表明骨髓间充质干细胞 (Bone marrow mesenchymal stem cell,BMSCs)可以分化成为骨细胞［3］。Montoya等［4］研究证明MSCs能够分化成为软骨细胞,同时研究发现从脂肪中分离出的MSCs具有分化成为肌细胞的潜能［5］。另有研究证实,小鼠间充质干细胞3T3-L1可以分化成为脂肪细胞［6］。除了以上研究结果,Kim等［7］在体外用神经诱导剂刺激犬羊水中的间充质干细胞,证明MSCs还能分化成为神经细胞。

1.2 间充质干细胞分化为脂肪细胞 成脂分化是一个由多能间充质干细胞分化成为成熟脂肪细胞的复杂过程［8］。该过程受到一系列的转录因子、激素和信号通路的调节。研究发现,成脂诱导剂(1 μmol/L dexamethasone,0.2 mmol/L indomethacin,0.1 mg/mL insulin,1 mmol/L 3-isobutyl-1-methylxanthin)处理sprague dawely大鼠骨髓间充质干细胞,细胞在处理的第4、7、14、21天用油红O染色发现胞内脂滴形成,同时利用流式细胞技术检测其细胞表面抗原簇(CD44、CD45、CD29、CD34、CD90)的表达量显著提高［9］,以上研究表明MSCs能够分化成为脂肪细胞。

2 脂肪分化信号通路

目前已被证实的参与脂肪细胞上游分化调控的细胞通路主要有转化生长因子β(transforming growth factor β,TGFβ)信号通路［10］、腺苷酸活化蛋白激酶(AMP-activated potein kinase,AMPK)信号通路［11］、Wnt (wingless-type MMTV integration site family members)信号通路［12］、刺猬蛋白(Hedgehog,HH)信号通路［13］等。目前国内外研究集中于TGFβ信号通路、AMPK信号通路以及Wnt信号通路,而HH信号通路的研究甚少,其作用机制至今尚不明确,需进一步深入研究。

2.1 Hedgehog信号通路 最初研究认为,Hedgehog是一种定义机体形态结构的形态产生素［14］。Hedgehog基因最早在果蝇胚胎体中发现,因该基因突变体的幼虫形似刺猬,故得名刺猬蛋白(Hedgehog)［15］。Hedgehog信号通路在所有动物中都是非常保守的信号通路,它在动物胚胎发育过程中发挥着重要作用。在哺乳动物体内有3种同源形式的果蝇HH蛋白［16］,它们分别是SHH(Sonic hedgehog)、IHH(Indian hedgehog)和DHH(Desert hedgehog)。

HH信号通路由HH蛋白前体经过一系列蛋白修饰介导细胞发挥重要作用(图1)。HH信号通路的效应细胞膜上有Patched(PTCH)和Smoothened(SMO)2种受体。PTCH抑制SMO蛋白,对HH信号通路起负调控作用。HH蛋白在C端经过胆固醇修饰,在N端经过棕榈酸酯修饰,由难溶的多肽前导形式转换成可溶性的弱键多聚体形式,该种形式的HH蛋白可自由通过细胞膜,激活细胞下游HH信号通路［17］。经修饰的HH蛋白由大分子跨膜蛋白Dispatched蛋白分泌, Dispatched蛋白与受体蛋白PTCH结合,解除其对SMO蛋白抑制作用,释放出SMO蛋白,激活下游成胶质细胞瘤基因产物(Gli)家族的转录因子(Gli 1～3)。Gli蛋白是HH信号通路激活的标志因子,研究证明,HH信号通路主要通过Gli家族转录因子来调控,Gli家族转录因子通过HH信号途径调控MSCs的分化［18］。

图1 Hedgehog信号通路［19］

2.2 Hedgehog信号通路调控脂肪细胞分化 研究证实,Hedgehog在胚胎发育过程中具有重要作用,目前国内外关于Hedgehog的研究主要集中于细胞分化特别是脂肪细胞分化过程中的调节作用。在肥胖的研究方面,肥胖动物与正常个体相比,Hedgehog信号通路的表达水平下降［19-22］。Hedgehog信号通路是最重要的脂肪特异性信号通路之一,Pospisilik等［22］利用转基因RNAi技术发现,Hedgehog信号通路活性的改变,引起脂肪甘油三脂水平的明显变化。进一步深入研究发现,激活Hedgehog信号通路能特异性抑制白色脂肪组织发育,白色脂肪细胞数量和大小明显下降。另外其他研究发现,PTCH基因突变了的小鼠(激活了HH信号通路)与野生型小鼠相比,白色脂肪组织量明显减少［21］。用拮抗Hedgehog信号的SHHIgG融合蛋白注射成年小鼠,导致小鼠的脂肪量增加、体重升高,停止注射则体重恢复正常［19］。

间充质干细胞分化为脂肪细胞的过程分为2个阶段:多能干细胞(Pluripotent stem cell,Ps)分化成脂肪前体细胞阶段和脂肪前体细胞分化成为成熟脂肪细胞的阶段。Fontaine等［20］使用Hedgehog信号激活剂(purmorphamine)处理人MSCs,发现在脂肪细胞的数量没有改变的前提下,细胞内的脂滴聚积作用、一系列脂肪特异性基因的表达作用减弱。purmorphamine通过调控Hedgehog信号通路,抑制人MSCs向脂肪细胞分化的能力,这个抑制作用可能发生于脂肪前体细胞分化成为成熟脂肪细胞的阶段。而在啮齿动物细胞中,Hedgehog信号通路不仅改变了脂肪细胞后期的成熟过程,在多能细胞向脂肪细胞分化之前,该信号通路已经发挥作用抑制其成脂分化［20］。以上研究结果表明,Hedgehog信号通路可以作用于脂肪细胞分化的不同阶段抑制间充质干细胞向脂肪细胞方向分化,从而抑制脂肪的生长发育。

3 Hedgehog信号通路介导脂肪细胞分化机制

3.1 Hedgehog信号通路介导脂肪细胞分化的分子机制 脂肪细胞的分化作用受促进因子和抑制因子的严格调控,两者之间的平衡关系紊乱会引起机体脂肪代谢障碍或肥胖。MSC的成脂分化与HH信号途径有关。用SMO蛋白激活剂purmorphamine激活HH信号通路,脂肪细胞特异性标志因子的表达显著下降,包括脂肪酸结合蛋白,脂肪酶,脂肪连接蛋白和瘦素蛋白［23］。HH信号途径的激活导致了成脂转录因子C/ EBPα和PPARγ的表达下调［20］。体外试验在果蝇的基因组上使用RNA干扰技术证明HH信号途径的抑制成脂作用［22］。无论在果蝇还是哺乳动物体内,HH信号的转基因激活作用都能破坏脂肪的形成过程［23］。

在调控干细胞的作用上,SHH是调控细胞分化的一个关键调控靶点［24］,在许多MSC细胞型上都表现出抑制成脂分化的特性。研究采用SHH处理多能C3H10T1/2细胞,结果导致骨形态形成蛋白(BMP)-2的促脂肪形成作用被抑制,促进小鼠的C3H10T1/2细胞系成骨分化同时抑制成脂分化［25］。即使在成脂培养的状态下,SHH促进KS483细胞成骨分化的同时也具有抑制成脂分化的作用［26］。HH信号通路和BMP信号通路通路协同调节碱性磷酸酶的活性抑制成脂分化［27］。体内外试验研究证明HH信号途径通过机体正反馈调节作用形成脂肪。这个正向的反馈调节链进一步受Gli2转录作用调控,上调BMP-2的表达,反过来激活Gli的转录作用。研究证明,HH信号通路激活后引起Gli1和Gli2表达升高,而Gli3和PTCH表达下降［20］。因此,HH信号通路促进MSC向成骨细胞方向分化,抑制成脂分化,最初是通过Gli转录因子的激活来实现的。

过氧化酶体增殖物激活受体家族(peroxisome proliferator-activated receptors,PPARs)的PPAR-γ和CCAAT增强子结合蛋白家族(CCAAT/enhancer bindingproteins,C/EBPs)的C/EBP被认为是脂肪细胞分化最重要的转录调控因子,两者协同调控脂肪细胞的分化［28］。Fontaine等［20］对C/EBPα和PPARγ这2个转录因子的表达作用进行分析后得出,Hedgehog信号的激活显著抑制C/EBPα的mRNA转录水平,同时只对PPARγ的其中一种形式PPARγ2的表达具有抑制作用,影响人MSCs的成脂分化。然而,HH信号通路的激活需要一系列基因的调控作用间接抑制脂肪分化转录调控因子PPARγ和C/EBPα的表达。相关研究表明［29-30］,Gata2、Gata3和Gilz均是调控PPARγ表达抑制成脂分化作用的相关基因,同时,它们也受HH信号通路的调控作用。研究证实Gata2和Gata3通过抑制PPARγ启动子或增强子达到抑制成脂分化的目的［29］。Suh等［30］采用SHH处理3T3-L1细胞系,发现SHH能够抑制脂肪细胞的早期分化,提出该抑制作用可能是通过作用于PPARγ的上游基因来调控其表达,激活上游脂肪分化抑制基因Gata2、Gata3和Gilz。

3.2 Hedgehog信号通路通过改变细胞新陈代谢阻碍脂肪积累 Hedgehog信号通路在细胞中具有重要的作用,除了调控肿瘤［31］和脂肪组织的形成［20］外, Teperino等［13］还证明Hedgehog改变了细胞内的能量代谢过程。

Hedgehog信号通路被激活后,能够引起鞭毛依赖型的Smo-Ca2+-Ampk信号通路活化,从而激活Warburg样重编程细胞代谢过程［32］。体内激活Smo-Ampk通路促进了肌肉和棕色脂肪组织中葡萄糖的大量吸收,而且这个过程不受胰岛素的调节［33］。通过对Hedgehog信号通路过程进行蛋白质磷酸化水平的检测,发现细胞内除能量代谢之外的所有代谢途径调控蛋白的磷酸化信号作用增强［13］,包括葡萄糖代谢、酮体代谢、脂肪酸代谢、丙酮酸代谢和生酮氨基酸代谢以及三羧酸循环。与此同时,Teperino等［13］研究发现,调节糖分解和糖合成代谢的3种酶——腺苷酸活化蛋白激酶、-丙酮酸脱氢酶和丙酮酸激酶的磷酸化水平在HH信号通路调控下表达升高。Fontaine等［20］研究发现,在影响脂肪细胞成熟的过程中,Hedgehog信号通路还使细胞获取一种胰岛素抵抗作用。胰岛素能引起脂肪细胞内的葡萄糖吸收增加,能量以糖原和三酰甘油的形式贮存。细胞产生胰岛素抵抗作用之后,葡萄糖代谢作用增加,细胞内三酰甘油的量减少。肌内脂肪含量主要由肌内脂肪细胞中的三酰甘油构成。Hedgehog信号通路通过介导三酰甘油的合成,从而改变肌内脂肪含量。以上研究结果证明,Hedgehog信号通路在细胞的能量代谢方面发挥着重要作用,这也是Hedgehog信号通路阻碍脂肪积累、影响肌内脂肪含量的机制之一。

4 小 结

许多研究结果表明,2%～3%的肌内脂肪含量是猪肉的一个理想标准［34］。猪肉在我国的膳食结构中占有最重要的位置,因此做到肉质、瘦肉率二者兼顾的养猪育种方式已成为我国乃至世界畜牧业的一项紧迫任务。猪的育种方式改良首先需要一个清晰的基础科学背景,这就需要对猪的骨骼肌、脂肪分化机理有一个明确的认识。肌肉和脂肪来源于间充质干细胞,并且肌肉的分化形成要早于脂肪的分化形成［35］。这就为在肌肉细胞形成后的脂肪分化期,调节间充质干细胞合理地向肌肉的分化或向脂肪的分化提供了可能。由于各个国家发展阶段和饮食习惯不同,发达国家更关注降低肥胖率和牛肉品质,而猪肉品质的相关研究较少,我国在干细胞的研究上更关注肿瘤生成。因此,有两个方面未得到重视:第一,在猪肌肉和脂肪分化的细胞分子生物学调控机理方面研究较少;第二,用胚胎期发育分化决定因子Hedgehog信号途径调控脂肪、肌肉分化更没有起步。本课题组致力于研究猪间充质干细胞成脂分化,目前研究发现抑制HH信号通路能够引起小鼠C3H10T1/2细胞向脂肪细胞方向分化(未发表)。在肌肉分化形成后,利用Hedgehog信号途径调节肌内间充质干细胞分化为脂肪细胞,旨在提高肌内脂肪含量、改善瘦肉型猪的肌肉品质,为新型育种方法提供理论参考依据。

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Advance in Hedgehog Signaling Pathway Mediating Intramuscular Adipocytes Differentiation

WANG Li-juan,YUE WAN-fu*
(College of Animal Science and Technology,Zhejiang Agriculture&Forest University, Zhejiang Lin′an 311300,China)

Intramuscular fat level had direct effects on pork flavor that low intramuscular fat level might cause variation of pork flavor.There was a negative correlation between intramuscular fat level and lean meat percentage,therefore it was difficult to cope with the problem of this negative correlation by genetic breeding technology sorely.Mediating on adipogenesis of mesenchymal stem cells via hedgehog signaling was reviewed in this article.The aim is to increase intramuscular fat level and lean meat percentage simultaneously,thus giving comprehensive understanding of porcine breeding and pork quality regulation in china.

hedgehog signaling pathway;intramuscular fat;adipogenesis;metabolism

S828.2

A文献标识码:0258-7033(2015)11-0091-05

2014-07-31;

2014-11-02

浙江省钱江人才D类(QJD1202014)

王利娟(1992-),女,安徽阜阳人,硕士研究生,研究方向为猪间充质干细胞分化调控,E-mail:wlj15869021549@163.com *通讯作者:岳万福,主要从事猪间充质干细胞分化调控研究,E-mail:yuewanfuzju@aliyun.com