畜禽骨骼肌生长发育规律及其调控机制

刘 壮

（华南农业大学动物科学学院，广州 510642）

1 骨骼肌的生长发育规律

骨骼肌是动物体重要组成部分，与动物体的运动能力、能量消耗、产肉性能有密切的关系[1-2]。脊椎动物骨骼肌的形成与发育起源于中胚层，中胚层间充质干细胞分化形成单核的成肌细胞，成肌细胞融合形成梭状的多核细胞肌管，而肌管进一步生长分化形成成熟的肌纤维。畜禽的骨骼肌由大量的肌纤维组成，出生前主要依赖于细胞的分裂增殖，而出生后则依赖于肌肉的肥大。而肌肉肥大的诱因是肌纤维生理直径的增大和肌节的增长[3]。

2 肌纤维类型及变化规律

肌纤维是肌肉组织的基本结构单位，肉质主要受到肌纤维类型及其组成的影响。一定程度上讲，肌肉的产量与特性由肌纤维的含量与特性决定。Ⅰ型纤维因其收缩速度慢而被称为慢肌纤维，其线粒体含量高，酶系活性较强，具有氧化代谢作用。Ⅱb 型纤维收缩速度快，线粒体含量较少，主要通过糖酵解途径代谢葡萄糖。Ⅱa和Ⅱx 型纤维是能够快速收缩，介于糖酵解/氧化代谢的中间纤维[4]。球蛋白重链也是肌纤维类型的重要分子标志物，常用来作为分类标准[5]。4 种肌纤维类型Ⅰ、Ⅱa、Ⅱb 和Ⅱx 分别对应肌蛋白重链的异构体My-HC1、MyHC2a、MyHC2b、MyHC2x。

仔猪出生后不久，肌纤维以氧化型为主，随着动物机体的生长发育，氧化型肌纤维逐渐向酵解型纤维转化，最终肌纤维的类型与比例基本稳定[6-7]。肉产品的风味与肌纤维类型具有密切关系。游离氨基酸是肉质的调味剂和风味前体的重要组分。研究发现，高浓度的MyHC1 能够诱导黑牛肌肉中游离氨基酸含量的提高以促进富含慢肌纤维的肉质风味[8]。

3 影响畜禽骨骼肌生长发育的因素

3.1 营养物质对骨骼肌生长发育的影响

3.1.1 蛋白质、氨基酸

蛋白质是畜禽肌肉的主要组成部分，因此蛋白质的沉积与分解对于动物体肌肉的生长发育发挥着至关重要的作用。蛋白质合成与分解的过程实际上是动物体对氨基酸代谢与利用的过程。Zhang 等研究发现，低蛋白日粮能够抑制动物体肌肉中蛋白质沉积，影响骨骼肌增重，而日粮中补充亮基酸能够激活mTOR-S6K1-4EBP1信号通路促进动物体蛋白质的合成与骨骼肌的增重[9]。Summermatter 等也有类似的发现，低蛋白日粮中补充亮氨酸能够促进心肌和骨骼肌蛋白质的合成与沉积[10]。研究表明，日粮中补充支链脂肪酸可以促进进食状态下蛋白质合成，并抑制禁食状态下蛋白质降解，这两者都有助于提高仔猪骨骼肌的质量[11]。田大龙等以肉鸡为模式动物发现，日粮中赖氨酸缺乏能够显著抑制肉鸡的胸肌率[12]。

3.1.2 矿物质元素

当动物体摄取矿物质元素锌、硒、铁等不足时，均会不同程度地影响与阻碍动物体肌肉的生长发育水平，目前的研究多集中于锌对骨骼肌生长发育水平的影响。研究发现，母体补锌可促进子代骨骼肌蛋白质的合成，减少蛋白质降解，从而增加肌肉产量和肌纤维面积[13-14]。饲喂缺锌日粮（27 mmol·kg-1）的大鼠体重增加显著减少，同时伴随着骨骼肌和心肌中亮氨酸含量的减少，而补充亮氨酸显著地提高了动物体的生长发育水平[15]。体外研究也有类似发现，锌缺乏可显著抑制亮氨酸的主动转运反应，而补充锌时，可以剂量依赖式地通过PI3K/Akt 和ERK 信号通路促进肌原细胞的增殖和活化[16]。参与矿物质储存、转运或代谢的分子物质也能间接地营养肌肉的生长发育。金属硫蛋白是一类存在于生物界中富含半胱氨酸的低分子量金属结合蛋白，对Cd、Zn、Cu 等有金属元素具有较强的亲和力，能够参与微量元素的储存、运输和代谢[17-19]。金属硫蛋白的缺失能够引发动物体Ⅱb 型肌纤维的肥大而增加肌肉质量，并且这种肥大作用将导致肌肉力量的增加[20-21]。

3.1.3 维生素

维生素作为核苷酸与氨基酸生物合成的辅助因子，在细胞代谢中发挥重要的作用，与骨骼肌的生长发育密切相关[22]。细胞水平上，维生素B9缺乏能够抑制骨骼肌细胞的增殖分化，破坏细胞周期。而再补充维生素B9能够逆转这种对细胞周期和衰老的影响，但不会逆转C2C12细胞的分化，提示维生素B9对骨骼肌的生长发育发挥着重要的作用[23]。个体水平上，维生素与肌肉的收缩特性及品质特征具有密切的关系。维生素E 是一种较强的抗氧化剂，能够抑制脂肪酸的氧化，保护细胞免受自由基的损害，因此具有延缓衰老的作用。Leal 等研究发现，羔羊日粮中补充维生素E能够延缓脂质氧化与肉质变色。维生素D是调控肌肉发育与骨骼形成的重要因子[24]。母体日粮中补充维生素D 能够促进子代出生前后骨骼肌的生长发育水平，同时还能缓解衰老引起的衰弱，增强力量组成[25]。

3.1.4 脂肪酸

骨骼肌能够摄取与利用葡萄糖和脂肪酸，在糖脂代谢与能量稳态方面发挥重要的作用，反之糖脂分子对肌肉的生长发育亦具有重要的调控作用。值得注意的是，高脂日粮诱导的肥胖小鼠已经被证明可以通过肌肉质量与肌纤维面积的减少促进肌肉萎缩和分解代谢[26-27]。棕榈酸，又称软脂酸，是一种高级饱和脂肪酸，以甘油酯的形式普遍存在于动植物油脂中。当C2C12肌管细胞暴露于棕榈酸时，肌管直径显著变小，而胰岛素信号受到抑制，这可能与促肌肉萎缩相关基因MAFbx、FoxO3 有关[28]。相反的是，当动物机体或细胞暴露于不饱和脂肪酸时，肌肉或细胞的发育水平会得到显著的改善。研究发现，日粮中添加共轭亚油酸时，可以显著增加小鼠腓肠肌的质量[29]。而当营养不良的仓鼠被饲喂富含α-亚麻酸的日粮时，肌肉的形态特征例如肌纤维增大和功能特性也会显著得到改善[30]。细胞水平上，吕晓婷等发现短链脂肪酸能够激活小鼠骨骼肌细胞AMPK 信号，通过调节肠道菌群稳态改善胰岛素抵抗[31]。

3.2 非营养物质对骨骼肌生长发育的影响

3.2.1 运动

动物体运动所需的力量由骨骼肌收缩产生，同时骨骼肌收缩的强度与频率也受到机体运动训练的影响。研究发现，运动不仅能够改善肌肉性能，提升肌肉力量，还能清除机体代谢旺盛产生的自由基，提高抗氧化能力[32-33]。运动还可促进葡萄糖转运体4（GLUT4）的表达与转位，增加胰岛素与其受体结合的效率，从而降低骨骼肌对葡萄糖的转运、摄取与利用，改善胰岛素抵抗[34]。

3.2.2 有害气体

随着全封闭畜舍和集约化生产方式在畜牧生产中的应用与推广，畜舍环境也成为影响动物体健康、生产效率、产品品质的重要因子。研究表明，高浓度氨气不仅能够诱发动物体产生应激反应，降低采食量与饲料转化率，还显著地降低肌肉品质[35]。Yi等研究发现，氨气可以显著降低肉鸡的胸肌率与屠宰率[36]。除了氨气，硫化氢（H2S）气体也是对畜禽肌肉生长发育造成危害的重要因子。高浓度硫化氢能够显著降低6 周龄肉鸡屠宰率、腿肌pH 和胸腿肌滴水损失率，而提高血液中血红蛋白的含量[37]。

3.2.3 养殖模式

目前，我国饲养的畜禽品种多以高产、生长快速为主要目标，而忽视了给与畜禽提供宽阔的活动空间和自由表达天性行为的舒适环境[38]。研究发现，相比散养鸡，笼养鸡的活动范围及活动能力受到空间限制，采食后长期处于久卧状态，机体的营养吸收与新陈代谢速度减慢，从而诱发腹脂含量升高，肌肉的质量与品质下降，腿肌的病发率升高[39-40]。但是，传统的厚垫料地面平养肉鸡方式容易造成鸡舍内氨气和可吸入颗粒物的浓度显著升高，诱发呼吸道疾病[41]。

4 调控肌肉生长发育的机制

4.1 Wnt/β-catenin信号通路

Wnt信号通路常见于胚胎发育、癌症发生、组织的损伤修复等过程，其传导途径是配体蛋白质Wnt 和膜蛋白受体结合激发下游通道的信号蛋白，包含经典的Wnt/β-catenin 信号通路、Wnt/Ca2+信号通路和非经典的细胞极性通路[42]。

研究发现，Wnt11 与Wnt4 在肉鸡肌纤维发育早期促进快肌（Ⅱa/ Ⅱb/ Ⅱx 肌纤维）的形成，而Wnt5 增强慢肌（Ⅰ型肌纤维）的形成[43-44]。此外，Wnt7a 过表达增强肌肉再生能力，增加卫星细胞数量和肌肉质量。同样，Wnt7a 缺乏的小鼠再生能力减弱，卫星细胞数量显著减少[45]。这表明配体蛋白Wnt 在骨骼肌的生长发育过程中发挥着重要的作用。Wnt 信号传导至细胞内后能够激活Dishevelled（Dsh），抑 制Axin、APC 和GSK-3β复合物 的活性，从而使β-catenin 无法被蛋白酶体降解，积聚在细胞内。游离的β-catenin 进入细胞核内，激活淋巴增生因子/T 细胞因子（Lef/TCF），从而调节靶基因的表达与骨骼肌的生长发育[46-47]。研究表明，β-catenin 缺失或过表达均会导致成肌细胞的分化混乱。当β-catenin 过表达时会使成肌细胞过早分化，不利于骨骼肌的损伤修复，而缺失时则会抑制肌肉的生长发育[48]。此外，潘同斌等研究发现，力竭运动、钝挫伤均可下调AXIN、GSK-3β的含量影响骨骼肌卫星细胞的增殖分化，提示Wnt/βcatenin 信号通路在骨骼肌生长增殖过程中发挥重要作用[49]。

4.2 mTOR信号通路

在胚胎生长发育过程中，胰岛素样生长因子-Ⅰ（IGF-Ⅰ）在骨骼肌生成中发挥至关重要的作用。Peters 等发现IGF-Ⅰ处理C2C12细胞可以显著增大肌管细胞的体积[50]。而活体研究也有相似的发现，小鼠骨骼肌特异性过表达IGF-Ⅰ可显著增加肌肉大小，说明IGF-Ⅰ对骨骼肌的生长发育具有重要调控作用[51]。IGF-Ⅰ呈剂量依赖式地促进成肌细胞的增殖，提高成肌细胞周期依赖性基因的mRNA 表达水平。然而，当补充磷脂酰肌醇3-激酶（PI3K）抑制剂和Akt抑制剂时消除这些作用，表明IGF-Ⅰ的促增殖作用是由PI3K/Akt 信号通路介导产生的[51]。而Akt 的持续激活能够通过TORC1/p70S6K 蛋白合成途径增加单根肌纤维的平均横截面积，从而使骨骼肌大小加倍[52]。同样，骨骼肌萎缩时，Akt 与PI3K 的活性均显著下调，表明PI3 激酶是骨骼肌中IGF-Ⅰ诱导的肥大所必需的[53]。另外，活化的TORCⅠ还可以抑制真核生物翻译起始因子4E 结合蛋白-Ⅰ（eIF4E-BP1）的活性，促进mRNA 翻译，增加蛋白质合成[54]。除了TORC1，TORC2 也是哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mTOR）的重要组成分子，可以激活下游分子抑制FoxO 的活性，从而减少蛋白质降解，促进肌肉肥大。由此可知，IGF-1/PI3K/Akt/mTOR 信号通路介导骨骼肌蛋白质合成与细胞增殖过程。

4.3 AMPK信号通路

5'-腺苷单磷酸激活蛋白激酶（AMPK）是ATP消耗的细胞内感受器，也是骨骼肌代谢的关键调节因子[55]。AMPK在细胞能量代谢时由ATP产生，ATP去磷酸化形成ADP 与AMP。而AMP 可通过以下方式激活AMPK：通过上游激酶增加AMPK 磷酸化；通过磷酸酶降低AMPK 去磷酸化；变构激活磷酸化AMPK。机体能量不足时，AMPK可间接激活ULK1，也可通过降低细胞内的ATP 浓度直接激活ULK1，从而促进自噬过程的发生[55]。AMPK 被激活后可以通过自噬过程减少蛋白质的合成，约占45%[56]。而耐力运动不断的消耗能量，产生ATP，促进AMPK表达，从而导致线粒体生成和有氧耐力的提高，有利于提高机体的运动能力[57]。

4.4 其他调控机制

调控畜禽骨骼肌生长发育的机制种类繁多，除上面几种外，还包括Notch 信号通路、micro RNA、MSTN、NF-κB 及GCs 等介导的信号通路，泛素-蛋白酶体途径、自噬-溶酶体途径等机制，仍需进一步探索与认识。

5 总结与展望

骨骼肌不仅是重要的运动器官，还可以作为代谢器官，调控动物机体的能量代谢与血糖稳态，因此骨骼肌功能的维持对机体健康具有的重要意义。揭示畜禽骨骼肌生长发育的调控机理是认识骨骼肌发育、畜禽产肉性状形成分子机制的基础。其研究不能局限于外源性物质对肌肉生长发育的影响，而应更多关注肌肉自身代谢产物对周围非肌肉细胞的影响以及分泌物与外源性物质之间的相互关系。随着试验技术和研究水平的提高，肌肉的分子调控机理会越来越多地被发现，畜牧业亦将向精细化的方向发展。