溫舒磊，孫加節(jié)，陳 婷，吳佳韓，束 剛，王松波，王麗娜，江青艷，張永亮*，習(xí)欠云*

(1. 廣東省動物營養(yǎng)調(diào)控重點實驗室，廣州 510642； 2. 國家生豬種業(yè)工程技術(shù)研究中心，廣州 510642；3. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 動物科學(xué)學(xué)院，廣州 510642)

我國是世界上養(yǎng)豬第一大國，2017年我國豬肉產(chǎn)量達5 340萬噸。目前我國肉豬料肉比為2.8∶1.0，與國際先進水平的2.4∶1.0相比還存在較大的差距。飼糧的大量消耗已嚴重影響到養(yǎng)豬業(yè)的健康發(fā)展。提高肉產(chǎn)品的保障能力，既是數(shù)量的問題，也是質(zhì)量問題。促進動物高效生產(chǎn)，改善豬肉品質(zhì)一直是養(yǎng)豬生產(chǎn)中的重要目標(biāo)。豬肉品質(zhì)取決于豬肉的產(chǎn)量和質(zhì)量，從本質(zhì)上看，又取決于肌肉和脂肪組織或細胞的發(fā)育及其它們之間彼此的相互聯(lián)系，如肌纖維發(fā)育及類型以及脂肪組織的脂肪沉積是影響肉品質(zhì)和風(fēng)味的重要因素[1]。近年來，外泌體(exosome)作為新“細胞信使”的研究越來越受到廣泛地重視[2]，目前在動物上的研究不多，也未見有關(guān)豬肌肉與脂肪間互作調(diào)節(jié)機制的報道。自二十世紀80年代發(fā)現(xiàn)以來[3]，一直對此方面的研究有所忽視，近年來又重新引起了科學(xué)界的關(guān)注。由于外泌體攜帶大量miRNA、mRNA、蛋白質(zhì)以及脂類物質(zhì)，能夠從基因、表觀修飾、蛋白質(zhì)以及代謝底物水平同時影響靶細胞內(nèi)部的多種信號傳導(dǎo)途徑[4]。因此，本文擬從運動、細胞因子、代謝產(chǎn)物以及外泌體(exosome)、miRNA等方面綜述豬肌肉和脂肪組織間的互作關(guān)系及其機制。

1 肌纖維發(fā)育、類型及肌內(nèi)脂肪的比例是影響豬肉品質(zhì)的重要因素

豬肌肉中肌纖維大小、類型的組成以及肌內(nèi)脂肪(intramuscular fat，IMF)含量對肉品嫩度、多汁性、大理石紋和肉品風(fēng)味的形成均具有重要作用，是影響豬肉品質(zhì)的重要因素。

根據(jù)肌球蛋白重鏈(MyHC)的多態(tài)性將豬的肌纖維分為I、IIa、IIb和IIx 4種類型，在代謝上分別對應(yīng)慢速氧化型、快速氧化型、快速酵解型和中間類型[5]，其中I類肌纖維的含量增加有助于肉品嫩度和多汁性的提高[6]。肌纖維是成肌細胞終末分化的細胞類型，骨骼肌衛(wèi)星細胞作為成熟骨骼肌組織中的一類成肌細胞，其增殖與分化形成新的肌纖維，或與原來的肌纖維融合促進肌肉組織的生長與發(fā)育以及修復(fù)作用[7]。所以,肌纖維發(fā)育與類型轉(zhuǎn)化與骨骼肌衛(wèi)星細胞的增殖與分化關(guān)系密切，并受到一系列肌細胞生成素基因的調(diào)控。

此外，肉品的嫩度及多汁性隨肌內(nèi)脂肪含量的增加而改善。研究表明，杜洛克豬肌肉的剪切力與IMF含量呈現(xiàn)顯著的負相關(guān)，IMF對肌肉嫩度的貢獻率高達47%，IMF含量增加也能顯著改善肌肉的系水力，并通過改變肌肉膠原蛋白含量而增加肌肉的嫩度[8]。肌內(nèi)脂肪沉積主要依賴于脂肪前體細胞的增殖、分化和聚脂，且這種分化過程受到復(fù)雜的基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控[9]，比如PPARγ、C/EBPβ與SREBP-1等。從本質(zhì)上來看，肌內(nèi)脂肪的發(fā)育、沉積與脂肪細胞的生成有關(guān)，脂肪細胞的生成決定了脂肪組織的發(fā)育。

2 肌肉和脂肪之間具有一定的相互依存和緊密聯(lián)系的“對話”機制

2.1 肌肉和脂肪特定環(huán)境及基因調(diào)控下存在彼此消長的關(guān)系

由于肌肉和脂肪都是來自中胚層，早在生命發(fā)生時就相互依存。有報道表明，不同組織來源的脂肪能夠異源性和動態(tài)性作用于骨骼肌。例如脂肪異位堆積能引發(fā)肌肉萎縮，反過來肌肉退化又降低了對脂肪分化的抑制作用，導(dǎo)致明顯的此肌肉消而彼脂肪長的現(xiàn)象[10]。另外，肌內(nèi)脂肪是保證肌肉正常功能所必需的，當(dāng)肌肉肥大時能促進肌內(nèi)白色脂肪細胞轉(zhuǎn)化為棕色脂肪細胞，促進脂肪的分解，從而又導(dǎo)致了此肌肉長而彼脂肪消的反現(xiàn)象[11]。有研究表明，Wnt家族蛋白在肌細胞與肌內(nèi)脂肪細胞相互作用中起決定作用，其信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑會促進肌細胞生長而抑制肌內(nèi)脂肪細胞的合成[12]。近來報道顯示，肥胖型的胰島素或瘦素耐受能降低骨骼肌衛(wèi)星細胞的增殖和肌肉肥大[13]。通常認為，肥胖屬于一種慢性炎癥狀態(tài)。當(dāng)骨骼肌受損，炎癥反應(yīng)激活，促進肌肉生成與分化，完成肌肉再生[14]。此外，研究發(fā)現(xiàn)，豬肌內(nèi)脂肪前體細胞的分化可能受到肌肉旁分泌因子的局部抑制，在離體培養(yǎng)條件下，豬肌內(nèi)脂肪前體細胞誘導(dǎo)后聚酯的速度快于皮下脂肪前體細胞，然而在體內(nèi)環(huán)境下豬肌內(nèi)脂肪前體細胞較皮下脂肪前體細胞卻表現(xiàn)為聚酯少，沉積時間晚[15]。因此，骨骼肌細胞能有力抑制脂肪前體細胞的分化，而肌內(nèi)脂肪前體細胞對損傷骨骼肌的再生是必需的[16]。

2.2 運動對肌肉和脂肪間互作的影響機制

研究發(fā)現(xiàn)，運動能有效改善骨骼肌和白色脂肪組織間的相互作用，并且能夠調(diào)節(jié)代謝紊亂，如肥胖和糖尿病等[17]。一方面，運動能夠改善骨骼肌中葡萄糖的攝取，增加葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白4(GLUT4)的轉(zhuǎn)位和表達[18]，增強線粒體活性，并增加肌肉因子的分泌[19]。這些肌肉因子通過自分泌、旁分泌和內(nèi)分泌作用影響全身的新陳代謝以及能量平衡，并對白色脂肪組織以及其他組織起調(diào)節(jié)作用。另一方面，運動可以誘導(dǎo)白色脂肪組織中脂肪細胞體積的縮小，降低脂質(zhì)含量，增加GLUT4和過氧化物酶體增殖物激活受體共激活物1α(PGC-1α)的表達[20]，增加線粒體的活性，并改變脂肪因子的表達[21]。這些脂肪因子以自分泌、內(nèi)分泌或旁分泌的方式起作用[22]。此外，運動也能導(dǎo)致皮下脂肪向米色脂肪的轉(zhuǎn)化[23]。對一名男性受試者進行為期12周的綜合耐力和力量訓(xùn)練的研究發(fā)現(xiàn)，UCP1的表達量和白色脂肪的米色化程度都有所增加[24]?？傊\動引起脂肪因子的調(diào)控機制還需進一步研究，有可能的機制是脂肪細胞因子分泌的增加提高了骨骼肌對游離脂肪酸的吸收能力，或者改變了全身葡萄糖的代謝平衡。

2.3 細胞因子對肌肉與脂肪間互作的調(diào)節(jié)機制

脂肪組織作為動物機體的一個重要燃料儲存庫，為其它組織如骨骼肌提供能量。另外，脂肪組織還起到了內(nèi)分泌組織的作用，能釋放20多種細胞因子進入外周循環(huán)系統(tǒng)中，其中包括瘦素(leptin)和脂聯(lián)素(adiponectin)[25]。研究表明，這兩種激素能激活A(yù)MPK通路，提高骨骼肌的脂肪酸氧化。運動改變脂肪組織的內(nèi)分泌，進而影響骨骼肌對葡萄糖的吸收與利用[26]。反過來，骨骼肌也能行使內(nèi)分泌功能，如釋放鳶尾素(irisin)，將白色脂肪組織轉(zhuǎn)變?yōu)槊咨窘M織[27]。也有研究表明，生長抑制素基因(myostatin，MSTN)具有抑肌促脂的作用[28]。此外，成纖維細胞生長因子超家族成員FGF-21也參與全身葡萄糖的調(diào)節(jié)、脂質(zhì)代謝以及在寒冷刺激下的白色脂肪組織的米色化[29]。最近研究表明，運動引起的鳶尾素增加，通過FGF-21促進白色脂肪組織的米色化[30]。研究證實，脂肪細胞特異轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子PRDM16具有將骨骼肌細胞轉(zhuǎn)換成棕色脂肪細胞的作用[31]。以上資料意味著肌肉與脂肪之間存在直接的對話機制。

2.4 代謝產(chǎn)物對肌肉與脂肪間互作的影響機制

研究發(fā)現(xiàn)，過量的脂肪酸或甘油二酯暴露在肌肉組織中能降低成肌細胞的增殖與分化，進而影響其正常的調(diào)節(jié)功能[32]。此外，來自過表達PGC-1α的人肌細胞的β-氨基異丁酸能促進白色脂肪組織的米色化[33]。小鼠通過飲用β-氨基異丁酸，可以提高白色脂肪組織中米色化相關(guān)基因Ucp1和Cidea的表達。在培養(yǎng)的人多能干細胞中加入β-氨基異丁酸，能引起分化成熟的白色脂肪細胞米色化程度的增加，并且在人和鼠的研究中發(fā)現(xiàn)，通過運動能顯著增加β-氨基異丁酸的含量[33]。目前，β-氨基異丁酸如何引起白色脂肪組織米色化的具體機制還不清楚。乳酸是無氧酵解的最終產(chǎn)物，通常被認為是代謝廢物，激烈的運動會使人體中乳酸濃度增加20倍。但研究發(fā)現(xiàn)，乳酸也能引起白色脂肪組織的米色化，并被鑒定為一種肌肉信號分子，介導(dǎo)了與其他組織，特別是大腦、肝和心間的交流[34]。在人和小鼠的白色脂肪細胞加入乳酸，孵育24 h后，棕色化相關(guān)基因Ucp1、Cidea、和Fgf-21的表達量顯著增加。同時在羅格列酮治療小鼠的腹腔內(nèi)每天注射乳酸，連續(xù)11 d，在皮下白色脂肪組織中Ucp1和Cidea基因的表達顯著提高[35]。以上資料表明，乳酸直接導(dǎo)致了皮下白色脂肪向米色脂肪的轉(zhuǎn)化，但運動引起的乳酸增加和白色脂肪組織米色化之間存在何種直接聯(lián)系還不清楚。

2.5 miRNA對肌肉與脂肪間互作的調(diào)節(jié)機制

除了肌肉因子和脂肪因子，miRNA作為一類非編碼小RNA也能參與肌肉和脂肪之間的調(diào)節(jié)[36]。miRNAs是長度為20～22個核苷酸的非編碼單鏈RNA，它能夠靶向mRNA來調(diào)節(jié)基因的表達。miRNAs不僅受各種物質(zhì)如肌肉因子和脂肪因子的調(diào)節(jié)，也能夠調(diào)節(jié)器官釋放的各種因子從而控制代謝。因此，miRNA能夠參與到組織之間的調(diào)節(jié)。研究表明，肌肉和脂肪組織都能釋放各種miRNA[37]。一些miRNA如miR-222、miR-27a、miR-195、miR-103和miR-10b被發(fā)現(xiàn)能參與到肌肉中血糖的調(diào)節(jié)，并且在脂肪中也發(fā)現(xiàn)這些miRNA能使血糖水平提高[38]。也有研究發(fā)現(xiàn)，在肌肉和脂肪的互作中,miR-130b通過抑制PPARγ來抑制脂肪的生成[39]。研究發(fā)現(xiàn)，miRNA的種類與表達水平在藍塘豬(脂肪型)和長白豬(瘦肉型)的脂肪組織中差異明顯，與肉品質(zhì)存在一定相關(guān)性[40]，SCD1在兩個豬種肌肉中的表達也存在極大差異(11.83倍)；miR-125b直接靶向SCD1，過表達miR-125b提高了單飽和脂肪酸的含量,降低了三酰甘油的含量，抑制miR-125b的表達結(jié)果相反[41]；miR-181a靶向TNF-α，過表達miR-181a顯著提高了三酰甘油的含量，抵制miR-181a的降低趨勢[42]。越來越多的研究表明，miRNA在介導(dǎo)豬肌肉和脂肪之間互作的機制上具有很大的研究潛力。

2.6 外泌體作為一種新的“細胞信使”，可能介導(dǎo)了肌肉和脂肪間信息傳導(dǎo)作用

近年來，外泌體的研究越來越受到廣泛地重視[43]。外泌體是細胞衍生的小囊泡，直徑為40～100 nm，呈雙層脂膜結(jié)構(gòu)，由多囊泡體向內(nèi)出芽的方式形成，并通過與細胞膜融合，將小外泌體釋放到胞外及循環(huán)系統(tǒng)中。蔗糖密度梯度中集中于1.10～1.21 g·mL-1，早在1983年被首次發(fā)現(xiàn)[3]。之后多年來一直認為其是清除細胞碎片和表面垃圾分子的細胞器。1997年發(fā)現(xiàn)外泌體與抗原遞呈有關(guān)。之后發(fā)現(xiàn)外泌體能被多種細胞分泌，如免疫細胞、干細胞、心血管細胞、腫瘤細胞等[44]，并穩(wěn)定存在于多種體液中，包括血液、組織間液、母乳、尿液、唾液[45-46]。直到2007年，研究發(fā)現(xiàn)，外泌體能夠運輸miRNA、mRNA和mtRNA等核酸物質(zhì)，參與細胞間交流[47]。至此，這種小囊泡才引起研究者的重視，并成為研究的熱門對象。

外泌體中含有miRNA、mRNA和蛋白質(zhì)等活性分子，是介導(dǎo)細胞或者組織間信息傳遞的一種新的重要媒介。外泌體由細胞分泌后釋放到組織間隙及外周系統(tǒng)中，將包裹的信息物質(zhì)傳遞到其他組織和細胞，充當(dāng)“安全容器”介導(dǎo)了細胞或組織間“對話”交流[48]，由于外泌體包含核酸(信使RNA和microRNAs)[4]、脂類和蛋白等物質(zhì)[49]，表面攜帶有特異性配體和受體，能特異性靶向作用細胞，實現(xiàn)遠距離調(diào)控靶組織或靶細胞[50]。外泌體可以通過轉(zhuǎn)移miRNA誘導(dǎo)靶細胞表觀遺傳的改變，如將包含miR-143/145的外泌體注射到動脈粥樣硬化小鼠模型后可以減輕病變[51]；轉(zhuǎn)運mRNA和蛋白質(zhì)，mRNAs轉(zhuǎn)移到靶細胞并轉(zhuǎn)錄成功能蛋白，可以實現(xiàn)異位基因表達與蛋白定位。小鼠外泌體RNA轉(zhuǎn)移到人肥大細胞后，外泌體mRNA在受體細胞中發(fā)生了表達并發(fā)揮功能。這種RNA又被稱為“外泌體穿梭RNA”[49]。資料表明，外泌體可以介導(dǎo)正常和病理條件下細胞和組織間的對話[52]。

研究顯示，來自肌管的外泌體能降低成肌細胞增殖，誘導(dǎo)細胞的分化，同時發(fā)現(xiàn)外泌體中的蛋白被整合到了成肌細胞中[53]。來自肌成纖維細胞的外泌體，特別是外泌體miRNA，如miR-199a-5p下調(diào)caveolin-1促進骨骼肌纖維化。肌肉外泌體miRNA-206調(diào)節(jié)纖維化細胞的細胞外基質(zhì)沉積和肌肉組織的重塑[54]。此外，研究也發(fā)現(xiàn)，在C2C12細胞釋放的外泌體中包含許多參與靶細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)活動的蛋白，如對IGF-1信號通路的調(diào)控起重要作用的IGFBP-5，還有能承載mtDNA的兩個外泌體標(biāo)志基因(Tsg101和Alix)[55]。將熒光標(biāo)記的肌源外泌體靜脈注射到小鼠體內(nèi)，發(fā)現(xiàn)外泌體能融合到不同的組織中，包括胰腺和肝，表明外泌體能將重要的信號傳遞到代謝組織中[56]。

研究表明，用在缺氧條件下培養(yǎng)分化的3T3-L1脂肪細胞分泌的外泌體來處理非分化的3T3-L1脂肪細胞，F(xiàn)ASN水平顯著上升。結(jié)果表明，來源缺氧條件的脂肪細胞分泌的外泌體可以影響鄰近脂肪前體細胞及脂肪細胞的脂肪合成[57]。此外，以往認為脂肪組織和免疫細胞間的互作對肥胖、炎癥和糖尿病之間的聯(lián)系具有重要影響，但對這種聯(lián)系的信號研究在大多數(shù)情況下仍然限制于對細胞因子和趨化因子的作用研究。近來研究發(fā)現(xiàn)，脂肪組織分泌的外泌體參與了這種聯(lián)系，用來自于胰島素耐受機體的外泌體靜脈注射到野生型B6小鼠中誘導(dǎo)正常小鼠產(chǎn)生了胰島素耐受的表型[58]。資料顯示，脂肪細胞能分泌外泌體，將外泌體中的活性物質(zhì)傳遞到自身或其他的細胞發(fā)揮功能作用。

外泌體還具有富集或特異性選擇包裹活性分子(如脂肪酸和miRNA)的作用[59]。用棕櫚酸處理細胞后發(fā)現(xiàn)其所分泌的外泌體中富含棕櫚酸[56]。微陣列結(jié)果顯示，外泌體中大約有1 300個基因，其中許多基因并不出現(xiàn)在供體細胞的胞質(zhì)中[49]。不同來源的外泌體成份雖然有較大差異，但也有相對保守的成份，如表面標(biāo)記蛋白CD63等[60]。骨骼肌外泌體能夠特異性選擇包裹miRNA。外泌體中主要參與肌肉細胞分化的miR-181a、miR-146a、miR-1、miR-206、miR-133a以及miR-378表達上調(diào)，而參與肌細胞增殖的miR-381和miR-93表達下調(diào)[61]。此外，Montecalvo等[62]證實，來源于鼠樹突細胞的外泌體含有200多個miRNAs，其中5個miRNAs特異性存在于非成熟樹突細胞的外泌體，58個miRNAs存在于成熟樹突細胞的外泌體中。這種選擇性的miRNA輸出也存在于人的細胞系中[63]。

3 展 望

目前有關(guān)肌肉和脂肪互作的研究主要集中在人和鼠上，在家畜上相關(guān)報道不多。盡管越來越多證據(jù)表明，肌肉因子和脂肪因子以內(nèi)分泌的方式作用于兩個組織之間，促進組織間的通訊和交流。但是肌肉與脂肪生長發(fā)育是由一個復(fù)雜的、多層次的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)所決定。近年來，一系列研究表明，動物肌肉與脂肪組織的發(fā)育及調(diào)控，除了受到關(guān)鍵功能基因的影響外，還受到多種因素的調(diào)控，包括代謝產(chǎn)物、轉(zhuǎn)錄因子在基因轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控，非編碼RNA(如miRNA)在轉(zhuǎn)錄和翻譯上的調(diào)控以及基因功能代償效應(yīng)等。事實上，對單一關(guān)鍵基因進行人為干預(yù)的效果并不理想。外泌體作為一種新型“細胞信號”，攜帶多種活性因子，相對于單分子調(diào)節(jié)物，如細胞因子來說，外泌體對靶細胞具有更強的功能集成作用，也介導(dǎo)了不同組織或細胞間的聯(lián)系。但外泌體是否參與肌肉與脂肪之間的信息聯(lián)系及調(diào)節(jié)作用，其機制如何還鮮有報道。因此，洞察新的細胞因子、代謝物質(zhì)、特別是外泌體功能信息，明確它們在骨骼肌、脂肪和全身代謝中的作用，為人體健康、豬肉品質(zhì)以及動物營養(yǎng)代謝等提供新的治療和作用靶點方面具有重要的理論和應(yīng)用價值。