畜禽骨骼肌生長發育規律及其調控機制

◆作者：劉壯

◆單位：華南農業大學動物科學學院

1 骨骼肌的生長發育規律

骨骼肌是動物體重要的組成部分，與動物體的運動能力、能量消耗、產肉性能具有密切的關系。脊椎動物骨骼肌的形成與發育起源于中胚層，中胚層間充質干細胞分化形成單核的成肌細胞，成肌細胞融合形成梭狀的多核細胞肌管，而肌管進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的增長。

2 肌纖維類型及變化規律

肌纖維是肌肉組織的基本結構單位，肉質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，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志物，常用來作為分類標準。四種肌纖維類型Ⅰ、Ⅱa、Ⅱb和Ⅱx分別對應肌蛋白重鏈的異構體MyHC1、MyHC2a、MyHC2b、MyHC2x。仔豬出生后不久，肌纖維以氧化型為主，隨著動物機體的生長發育，氧化型肌纖維逐漸向酵解型纖維轉化，最終肌纖維的類型與比例基本穩定。其次，肉產品的風味與肌纖維類型具有密切的關系。游離氨基酸是肉質的調味劑和風味前體的重要組分。研究發現，高濃度的M yH C1能夠誘導黑牛肌肉中游離氨基酸含量的提高以促進富含慢肌纖維的肉質風味。氧化型纖維能夠改善肉品風味，也可能與其磷脂含量更高有關。

磷脂是肉類風味體系中重要的前體物質，過多的磷脂會增加肉品中多不飽和脂肪酸氧化的風險，造成嚴重的酸敗風味。

3 骨骼肌的修復與更新

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

4 影響畜禽骨骼肌生長發育的因素

4.1 營養物質對骨骼肌生長發育的影響

4.1.1 蛋白質、氨基酸

蛋白質是畜禽肌肉的主要組成部分，因此蛋白質的沉積與分解對于動物體肌肉的生長發育發揮著至關重要的作用。蛋白質合成與分解的過程實際上是動物體對氨基酸代謝與利用的過程。Bo等（2017）發現，低蛋白日糧能夠抑制動物體肌肉中蛋白質沉積，影響骨骼肌增重，而日糧中補充亮基酸能夠激活m TOR-S6K1-4EBP1信號通路促進動物體蛋白質的合成與骨骼肌的增重。Suryawan等（2016）也有類似的發現，低蛋白日糧中補充亮氨酸能夠促進心肌和骨骼肌蛋白質的合成與沉積。此外，研究表明，日糧中補充支鏈脂肪酸中可以促進進食狀態下蛋白質合成，并抑制禁食狀態下蛋白質降解，這兩者都有助于提高仔豬骨骼肌的質量。田大龍等（2018）發現，日糧中賴氨酸缺乏能夠顯著抑制肉雞的胸肌率。此外，體弱的老年人在進行長時間的阻力運動訓練后補充蛋白質，能夠增加肌纖維肥大，但沒有改變肌細胞核和衛星細胞的含量。

4.1.2 礦物質元素

當動物體攝取礦物質元素鋅、硒、鐵等不足時，均會不同程度地影響與阻礙動物體肌肉的生長發育水平，目前的研究多集中于鋅對骨骼肌生長發育水平的影響。研究發現，母體補鋅可以促進子代骨骼肌蛋白質的合成，減少蛋白質降解，從而增加肌肉產量和肌纖維面積。飼喂缺鋅日糧（27mμmol/kg）的大鼠體重增加顯著減少，同時伴隨著骨骼肌和心肌中亮氨酸含量的減少，而補充亮氨酸顯著地提高了動物體的生長發育水平。體外研究也有類似的發現，鋅缺乏可以顯著抑制亮氨酸的主動轉運反應，而補充鋅時，可以劑量依賴式地通過PI3K/Akt和ERK信號通路促進肌原細胞的增殖和活化。其次，參與礦物質儲存、轉運或代謝的分子物質也能間接地營養肌肉的生長發育。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合蛋白，對Cd、Zn、Cu等金屬元素具有較強的親和力，能夠參與微量元素的儲存、運輸和代謝。金屬硫蛋白的缺失能夠引發動物體IIb型肌纖維的肥大而增加肌肉質量，并且這種肥大作用將導致肌肉力量的增加。

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，在細胞代謝中發揮重要的作用，與骨骼肌的生長發育密切相關。細胞水平上，維生素B9缺乏能夠抑制骨骼肌細胞的增殖分化，破壞細胞周期。而再補充維生素B9能夠逆轉這種對細胞周期和衰老的影響，但不會逆轉C2C12細胞的分化，提示維生素B9對骨骼肌的生長發育發揮著重要的作用。個體水平上，維生素與肌肉的收縮特性及品質特征具有密切的關系。維生素E是一種較強的抗氧化劑，能夠抑制脂肪酸的氧化，保護細胞免受自由基的損害，因此具有延緩衰老的作用。Leal等（2016）研究發現羔羊日糧中補充維生素E能夠延緩脂質氧化與肉質變色。維生素D是調控肌肉發育與骨骼形成的重要因子。母體日糧中補充維生素D能夠促進子代出生前后骨骼肌的生長發育水平，同時還能緩解衰老引起的衰弱，增強力量組成。

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態方面發揮重要的作用，反之糖脂分子對肌肉的生長發育亦具有重要的調控作用。值得注意的是，高脂日糧誘導的肥胖小鼠已經被證明可以通過肌肉質量與肌纖維面積的減少促進肌肉萎縮和分解代謝。棕櫚酸（Palmiticacid），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C2C12肌管細胞暴露于棕櫚酸時，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基因MAFbx、FoxO3有關。相反的是，當動物機體或細胞暴露于不飽和脂肪酸時，肌肉或細胞的發育水平會得到顯著的改善。研究發現，日糧中添加共軛亞油酸時，可以顯著增加小鼠腓腸肌的質量。而當營養不良的倉鼠被飼喂富含α-亞麻酸的日糧時，肌肉的形態特征例如肌纖維增大和功能特性也會顯著得到改善。細胞水平上，呂曉婷等（2014）發現短鏈脂肪酸能夠激活小鼠骨骼肌細胞AM PK信號，通過調節腸道菌群穩態改善胰島素抵抗。

4.2 非營養物質對骨骼肌生長發育的影響

4.2.1 運動

動物體運動所需的力量由骨骼肌收縮產生，同時骨骼肌收縮的強度與頻率也受到機體運動訓練的影響。研究發現，運動不僅能夠改善肌肉性能，提升肌肉力量，還能夠清除機體代謝旺盛產生的自由基，提高抗氧化能力。其次，運動可以促進葡萄糖轉運體4（GLUT4）的表達與轉位，增加胰島素與其受體結合的效率，從而降低骨骼肌對葡萄糖的轉運、攝取與利用，改善胰島素抵抗。童俊露等（2015）研究發現，高脂日糧可誘導動物體胰島素抵抗，血糖、血脂含量顯著升高，GLUT4表達量顯著下降，而運動則可以升高GLUT4的表達量，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方式在畜牧生產中的應用與推廣，畜舍環境也成為影響動物體健康、生產效率、產品品質的重要因子。研究表明，高濃度氨氣不僅能夠誘發動物體產生應激反應，降低采食量與飼料轉化率，還顯著地降低肌肉品質。Yi等（2017）發現 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）氣體也是對畜禽肌肉生長發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 養殖模式

目前，我國飼養的畜禽養殖多以高產、生長快速為主要目標，而忽視了給與畜禽寬闊的活動空間和自由表達天性行為的舒適環境。研究發現，相比散養雞，籠養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，機體的營養吸收與新陳代謝速度減慢，從而誘發腹脂含量升高，肌肉的質量與品質下降，腿肌的病發率升高。但是，傳統的厚墊料地面平養肉雞方式容易造成雞舍內氨氣和可吸入顆粒物的濃度顯著升高，誘發呼吸道疾病。

5 調控肌肉生長發育的機制

5.1 Wnt/β-catenin信號通路

Wnt信號通路常見于胚胎發育、癌癥發生、組織的損傷修復等過程，其傳導途徑是配體蛋白質Wnt和膜蛋白受體結合激發下游通道的信號蛋白，包含經典的Wnt/β-catenin信號通路、Wnt/Ca2+信號通路和非經典的細胞極性通路。

研究發現，Wnt11與Wnt4在肉雞肌纖維發育早期促進快肌（IIa/IIb/IIx肌纖維）的形成，而Wnt 5增強慢肌（I型肌纖維）的形成（Bolster等，2002；Winden等，2007）。此外，Wnt7a 過表達增強肌肉再生能力，增加衛星細胞數量和肌肉質量。同樣，Wnt7a缺乏的小鼠再生能力減弱，衛星細胞數量顯著減少，這表明配體蛋白Wnt在骨骼肌的生長發育過程中發揮著重要的作用。Wnt信號傳導至細胞內后能夠激活 Dishevelled（Dsh），抑制 Axin、APC（adenomatous polyposiscoli） 和 GSK-3β（glycogensynt hasekinase 3β）復合物的活性，從而使β-catenin無法被蛋白酶體降解，積聚在細胞內。游離的β-catenin進入細胞核內，激活淋巴增生因子/T細胞因子（lymphoid enhancer factor/Tcellfactor，Lef/TCF），從而調節靶基因的表達與骨骼肌的生長發育。研究表明，β-catenin缺失或過表達均會導致成肌細胞的分化混亂。當β-catenin過表達時會使成肌細胞過早分化，不利于骨骼肌的損傷修復，而缺失時則會抑制肌肉的生長發育。此外，潘同斌等（2015）發現力竭運動、鈍挫傷均可下調 AXIN、GSK-3β的含量影響骨骼肌衛星細胞的增殖分化，提示Wnt/β-catenin信號通路在骨骼肌損傷修復過程中發揮重要作用。

5.2 mTOR信號通路

在胚胎生長發育過程中，胰島素樣生長因子-1（insulin-like growth factor1，IGF-1）在骨骼肌生成中發揮著至關重要的作用。Peters等（2017）發現 IGF-1處理C2C12細胞可以顯著增大肌管細胞的體積。而活體研究也有相似的發現，小鼠骨骼肌特異性過表達IGF-1可以顯著增加肌肉的大小，說明IGF-1對骨骼肌的生長發育具有重要的調控作用。IGF-1呈劑量依賴式地促進成肌細胞的增殖，提高成肌細胞周期依賴性基因的m RNA表達水平。然而，當補充磷脂酰肌醇3-激酶（phosphatidylinositol3-kinase，PI3K）抑制劑和Akt抑制劑時消除了這些作用，表明IGF-1的促增殖作用是由PI3K/Akt信號通路介導產生的。而Akt的持續激活能夠通過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，Akt與PI3K的活性均顯著下調，表明PI3激酶是骨骼肌中IGF-1誘導的肥大所必需的。另外，活化的TORC1還可以抑制真核生物翻譯起始因子4E結合蛋白-1（eukaryotic initiation factor-4E-bindingprotein-1，eIF4E-BP1） 的活性，促進m RNA翻譯，增加蛋白質合成。除了TORC1，TORC2也是哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（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，從而減少蛋白質降解，促進肌肉肥大。由此可知，IGF-1/PI3K/Akt/m TOR信號通路介導骨骼肌蛋白質合成與細胞增殖過程。

5.3 AMPK信號通路

5'-腺苷單磷酸激活蛋白激酶（AMPK）是 ATP消耗的細胞內感受器，也是骨骼肌代謝的關鍵調節因子（Zhao等，2014；D Bizeray等，2002）。AMPK 在細胞能量代謝時由ATP產生，ATP去磷酸化形成ADP與 AMP。而AM P可以通過以下方式激活AM 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變構激活磷酸化AM PK。機體能量不足時，AM PK可以間接激活 ULK1（unc-51likeki nase1），也可通過降低細胞內的ATP濃度直接激活ULK1，從而促進自噬過程的發生。AM PK被激活后可以通過自噬過程減少蛋白質的合成，約占45%。而耐力運動不斷的消耗能量，產生 ATP，促進AM PK表達，從而導致線粒體生成和有氧耐力的提高，有利于提高機體的運動能力。

5.4 其他調控機制

調控畜禽骨骼肌生長發育的機制種類繁多，除上面幾種外，還包括Not ch信號通路、micro RNA、MSTN、NF-κB及 GCs等介導的信號通路，泛素-蛋白酶體途徑、自噬-溶酶體途徑等機制，仍需進一步探索與認識。

6 總結與展望

骨骼肌不僅是重要的運動器官，還可以作為代謝器官，調控動物機體的能量代謝與血糖穩態，因此骨骼肌功能的維持對肌肉產量與品質的提升具有重要的意義。揭示畜禽骨骼肌生長發育的調控機理有利于認識畜禽骨骼肌發育、產肉性狀形成的分子機制。其研究不能局限于外源性物質對肌肉生長發育的影響，還應更多關注肌肉自身代謝產物對周圍非肌肉細胞的影響以及分泌物與外源性物質之間的相互關系。相信隨著試驗技術和研究水平的提高，肌肉的分子調控機理會越來越多地被發現，畜牧業亦將向精細化方向發展。

參考文獻：（略）