張?chǎng)稳?邢通,張林,高峰

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院/江蘇省動(dòng)物源食品生產(chǎn)與安全保障重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/江蘇省肉類(lèi)生產(chǎn)與加工質(zhì)量安全控制協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京 210095)

雞肉具有較高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值、良好的感官特性,當(dāng)前肉雞產(chǎn)品已成為居民消費(fèi)中不可缺少的部分,是保障和平衡肉類(lèi)供應(yīng)的最主要產(chǎn)品。為了滿足日益增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求,科研人員不斷對(duì)生長(zhǎng)速度快、雞胸肉產(chǎn)量高的品種進(jìn)行選育[1]。然而,目前禽肉生產(chǎn)過(guò)程中正面臨一些新的問(wèn)題,快速生長(zhǎng)的肉雞品系在生長(zhǎng)率和胸肌產(chǎn)量提高的同時(shí)伴有如木質(zhì)化雞胸肉(wooden breast,WB)等肌肉疾病的發(fā)生[2]。與正常雞胸肉相比,WB的胸大肌頭部觸感堅(jiān)硬,尾脊突起,厚度變大,這些特性會(huì)降低人們對(duì)雞胸肉的感官評(píng)價(jià)[3]。肉品質(zhì)方面,WB的系水力和腌料吸收率較低,脂肪含量和膠原蛋白含量較高,從而造成適口性下降,這會(huì)影響到人們對(duì)雞胸肉的購(gòu)買(mǎi)欲望,對(duì)家禽行業(yè)造成一定的影響[4]。當(dāng)前國(guó)內(nèi)對(duì)WB的研究報(bào)道較少,本文將從WB的發(fā)病機(jī)制及肌肉修復(fù)2個(gè)方面進(jìn)行綜述,以期為解析WB的形成機(jī)制提供一些理論支持。

1 木質(zhì)化雞胸肉的發(fā)病機(jī)制

1.1 缺氧

血液將氧氣和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)輸送到身體的各個(gè)組織,同時(shí)把二氧化碳和廢物從組織中帶走[5]。Sihvo等[6]發(fā)現(xiàn),WB的毛細(xì)血管密度低于正常雞胸肉。Mutryn等[7]報(bào)道,WB的肌肉損傷程度和毛細(xì)血管密度明顯相關(guān)。WB的肌纖維直徑和橫截面積顯著高于正常雞胸肉,這可能是造成WB毛細(xì)血管密度下降的原因[8]。肌纖維尺寸變大會(huì)減少肌膜周?chē)晒┟?xì)血管使用的空間,增加氧擴(kuò)散和廢物清除的距離,導(dǎo)致供氧不足的發(fā)生,WB的形成與肌肉缺氧有著直接的關(guān)系[7-9]。氧分壓(PO2)和氧飽和度(SO2)是判斷機(jī)體是否缺氧的重要指標(biāo),Lake等[10]通過(guò)血?dú)夥治鰞x對(duì)肉雞的靜脈血進(jìn)行血?dú)鈾z測(cè),發(fā)現(xiàn)發(fā)生WB這一肌病的肉雞其PO2和SO2均顯著低于正常肉雞。Livingston等[11]報(bào)道,WB的嚴(yán)重程度與PO2降低顯著相關(guān)。WB的二氧化碳分壓(PCO2)顯著升高,提示W(wǎng)B中存在由肺通氣不足所導(dǎo)致CO2不能及時(shí)排除體外的現(xiàn)象[10,12]。

此外,在分子水平上缺氧誘導(dǎo)因子1α(hypoxia inducible factor-1α,HIF-1α)是細(xì)胞對(duì)缺氧反應(yīng)的主要調(diào)節(jié)因子。Malila等[8]報(bào)道,WB中的HIF-1α表達(dá)量顯著高于正常雞胸肉,HIF-1α的激活可能是導(dǎo)致WB纖維化發(fā)生的重要原因。缺氧條件下,HIF-1α能夠穩(wěn)定表達(dá)并積累,進(jìn)而激活細(xì)胞中的結(jié)締組織生長(zhǎng)因子、賴氨酸氧化酶、轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β(TGF-β)等諸多與膠原蛋白調(diào)節(jié)相關(guān)因子[13]。持續(xù)缺氧的狀態(tài)會(huì)使上述由HIF-1α所激活的因子過(guò)表達(dá),導(dǎo)致細(xì)胞外基質(zhì)過(guò)度累積而發(fā)生纖維化[14-15]。

1.2 離子穩(wěn)態(tài)失衡

在線粒體內(nèi)膜中,氧作為電子傳遞鏈末端的電子受體,當(dāng)細(xì)胞處于缺氧狀態(tài)時(shí),會(huì)導(dǎo)致線粒體的氧化磷酸化受到抑制,使ATP的生成量減少[16-17]。機(jī)體在正常生理狀態(tài)下,細(xì)胞膜上的鈉鉀泵通過(guò)主動(dòng)運(yùn)輸?shù)姆绞綄a+運(yùn)輸至細(xì)胞外,K+運(yùn)輸至胞內(nèi),這個(gè)過(guò)程需要ATP進(jìn)行供能[18]。當(dāng)ATP生成減少時(shí)會(huì)導(dǎo)致鈉鉀泵效率降低,使Na+滯留在胞內(nèi)[18],為了維持胞內(nèi)的離子平衡,細(xì)胞膜上的Na+/Ca2+交換器發(fā)生逆轉(zhuǎn),促使Na+外流,Ca2+內(nèi)流,以維持胞內(nèi)離子穩(wěn)態(tài)[17]。因ATP生成量減少以及能量的消耗,細(xì)胞膜上的鈣泵不能將Ca2+泵出細(xì)胞,這會(huì)造成細(xì)胞內(nèi)Ca2+的積聚,而大量的Ca2+內(nèi)流會(huì)通過(guò)激活胞內(nèi)的磷脂酶對(duì)細(xì)胞膜造成破壞,使得更多的Ca2+進(jìn)入細(xì)胞[17]。Zambonelli等[19]發(fā)現(xiàn)WB中的Na+和Ca2+含量均顯著高于正常雞胸肉。鈉含量的增加可能與SLC9A7基因轉(zhuǎn)錄升高有關(guān),該基因能夠編碼鈉/質(zhì)子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白[20]。對(duì)轉(zhuǎn)錄組測(cè)序后發(fā)現(xiàn),WB中與胞內(nèi)Ca2+濃度變化有關(guān)的基因相對(duì)于正常雞胸肉發(fā)生顯著變化,如磷脂酶A2能夠被Ca2+激活并對(duì)細(xì)胞膜造成損傷[7]。因此,由缺氧造成的胞內(nèi)離子紊亂,損傷細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能,導(dǎo)致肌纖維內(nèi)部水分轉(zhuǎn)移至肌原纖維網(wǎng)絡(luò)外,使肌肉中的不易流動(dòng)水變成自由水而加劇水分的流失,這可能是導(dǎo)致發(fā)生WB的系水力乃至肉品質(zhì)下降的重要原因。

1.3 氧化應(yīng)激

目前,胸肌缺氧和氧化應(yīng)激作為WB的誘因,在有關(guān)WB的多個(gè)組學(xué)研究中均得到印證[14,19]。在缺氧條件下,線粒體是活性氧(reactive oxygen species,ROS)產(chǎn)生的主要場(chǎng)所,也是ROS攻擊的重要靶點(diǎn)[21]。ROS會(huì)對(duì)線粒體膜及線粒體呼吸鏈復(fù)合酶等造成傷害,過(guò)量的ROS可能造成線粒體不可逆損傷[21]。潘曉娜等[3]發(fā)現(xiàn),WB肌肉中ROS濃度遠(yuǎn)超出正常雞胸肉水平,對(duì)WB組織的超微結(jié)構(gòu)觀察后發(fā)現(xiàn)WB中的線粒體出現(xiàn)腫脹和空泡化、內(nèi)部嵴大量分裂甚至消失的現(xiàn)象。而線粒體的結(jié)構(gòu)完整性遭到破壞是細(xì)胞滲透失衡和缺氧的典型表現(xiàn)[22]。當(dāng)線粒體結(jié)構(gòu)異常時(shí),會(huì)發(fā)生氧化應(yīng)激而促進(jìn)脂褐素的形成,脂褐素是在溶酶體中由細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)和脂質(zhì)過(guò)度交聯(lián)而形成的一種不可降解色素[23]。Hasegawa等[24]發(fā)現(xiàn)WB中萎縮肌纖維的細(xì)胞質(zhì)內(nèi)存在大量的脂褐素顆粒,提示較高水平的氧化應(yīng)激和脂褐素的積累與WB的發(fā)生有關(guān)。Abasht等[25]發(fā)現(xiàn)WB中出現(xiàn)了氧化應(yīng)激相關(guān)的生物標(biāo)志物,如1-甲基組氨酸的積累表明機(jī)體發(fā)生了氧化應(yīng)激,組氨酸衍生物肌肽和鵝肝肽含量的下降表明機(jī)體氧化還原平衡遭到破壞。WB中與氧化還原狀態(tài)有關(guān)因子的變化進(jìn)一步印證了Abasht等[25]的結(jié)果,如羰基、丙二醛和脂質(zhì)過(guò)氧化物的含量均顯著升高,表示發(fā)生WB機(jī)體存在由ROS過(guò)量生成所導(dǎo)致的氧化損傷[3-4]。由于缺乏ROS的清除機(jī)制,ROS導(dǎo)致的氧化應(yīng)激會(huì)不斷損傷細(xì)胞膜和線粒體膜,導(dǎo)致肌纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)和線粒體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化[26]。WB中大范圍的肌細(xì)胞膜完整性受損和蛋白質(zhì)氧化損傷可能是造成其肉質(zhì)性狀下降的主要原因[27]。此外,Xing等[28]發(fā)現(xiàn),發(fā)生WB肉雞的肝臟ROS和氧化產(chǎn)物水平升高,抗氧化能力增強(qiáng)。因此,我們推測(cè)由胸肌缺氧導(dǎo)致ROS增加,引起氧化還原穩(wěn)態(tài)的改變和氧化應(yīng)激的發(fā)生可能是導(dǎo)致WB機(jī)體損傷的開(kāi)端。

1.4 炎癥反應(yīng)

肌細(xì)胞缺氧會(huì)導(dǎo)致離子穩(wěn)態(tài)失衡及氧化應(yīng)激的發(fā)生,這會(huì)對(duì)肌細(xì)胞造成損傷[17,26]。炎癥是動(dòng)物機(jī)體對(duì)各種因素及其所引起的損傷產(chǎn)生的防御性反應(yīng),其基本變化包括炎灶局部組織細(xì)胞的變質(zhì)、滲出和增生,伴隨著白細(xì)胞增多[29]。機(jī)體在炎灶中所出現(xiàn)的細(xì)胞反應(yīng)主要是白細(xì)胞的滲出,白細(xì)胞是炎癥細(xì)胞的主要來(lái)源[30]。損傷的肌肉組織被炎癥細(xì)胞浸潤(rùn),可通過(guò)蘇木精-伊紅(HE)染色或馬松三色染色后觀察[31-32]。潘曉娜等[3]對(duì)WB進(jìn)行HE染色發(fā)現(xiàn),WB中部分退化的肌纖維被炎癥細(xì)胞所浸潤(rùn)。在炎癥反應(yīng)中,滲出的白細(xì)胞主要有中性粒細(xì)胞、嗜酸性粒細(xì)胞、淋巴細(xì)胞和在組織中廣泛分布的巨噬細(xì)胞等先天免疫細(xì)胞,它們與適應(yīng)性免疫應(yīng)答細(xì)胞(T細(xì)胞)共同構(gòu)成了炎癥細(xì)胞群體[29-30]。由缺氧導(dǎo)致的細(xì)胞損傷首先會(huì)激活中性粒細(xì)胞,將其招集至損傷部位,釋放ROS和蛋白酶,進(jìn)一步放大損傷和局部炎癥[33]。嗜中性粒細(xì)胞還能夠誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞浸潤(rùn)損傷部位,二者能夠?qū)?xì)胞碎片進(jìn)行清除[31]。巨噬細(xì)胞包括M1和M2兩種亞型,其中M1巨噬細(xì)胞是促炎細(xì)胞,在宿主抵抗感染的防御中發(fā)揮核心作用,而M2巨噬細(xì)胞與抑炎反應(yīng)相關(guān)[34]。Ferreira等[35]發(fā)現(xiàn)WB中巨噬細(xì)胞密度顯著高于正常雞胸肉。在炎癥發(fā)生階段,M2巨噬細(xì)胞和T細(xì)胞會(huì)對(duì)損傷部位的炎癥進(jìn)行清除[31]。其中輔助性T細(xì)胞按照功能的不同分為輔助性T細(xì)胞1(T helper 1 cell,Th1)和輔助性T細(xì)胞2(T helper 2 cell,Th2),二者分別以介導(dǎo)細(xì)胞免疫反應(yīng)和體液免疫反應(yīng)為主[36]。在正常生理狀態(tài)下,Th1和Th2相互抑制以保證機(jī)體的穩(wěn)態(tài);當(dāng)Th1/Th2平衡被打破時(shí)會(huì)導(dǎo)致機(jī)體功能發(fā)生異常[36]。Xing等[37]發(fā)現(xiàn),在WB中由Th1分泌的IL-1β、TNF-α及IL-6等促炎因子的mRNA表達(dá)水平顯著增加,而由Th2分泌的IL-4和IL-10等抑炎因子的mRNA表達(dá)量下降。這是由于Th1和Th2之間存在著相互抑制的作用,Th1和Th2之間的平衡狀態(tài)被打破可能會(huì)加重肌纖維的損傷和炎癥[38]。由此推斷,發(fā)生WB肉雞在生長(zhǎng)過(guò)程中其胸肌可能處于持續(xù)缺氧的狀態(tài),導(dǎo)致炎癥反應(yīng)持續(xù)存在而發(fā)生促炎刺激,造成細(xì)胞死亡。

2 木質(zhì)化雞胸肉中的肌肉修復(fù)

膠原蛋白增加造成組織纖維化以及異位脂肪沉積是WB的主要特征[39]。然而,目前還沒(méi)有一個(gè)明確的機(jī)制來(lái)解釋W(xué)B發(fā)生纖維化和脂肪沉積的成因。而衛(wèi)星細(xì)胞(satellite cells,SC)發(fā)生功能障礙、纖維-脂肪祖細(xì)胞(fibro/adipogenic progenitors,FAP)和轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β(TGF-β)的激活可能在WB的肌肉修復(fù)過(guò)程中均發(fā)揮重要作用。

2.1 衛(wèi)星細(xì)胞功能障礙

SC是一類(lèi)存在于肌細(xì)胞基底膜與肌膜之間的成體干細(xì)胞[40]。在正常情況下,成年動(dòng)物的SC處于休眠期,以靜止未分化的狀態(tài)存在[41]。在肌肉組織損傷后,由SC所介導(dǎo)的肌肉損傷修復(fù)和再生是一個(gè)精確調(diào)控的過(guò)程,SC能夠在激活后發(fā)揮良好的增殖和分化能力,在骨骼肌損傷的修復(fù)和再生過(guò)程中發(fā)揮重要作用[42]。Daughtry等[43]發(fā)現(xiàn),SC的數(shù)量和功能會(huì)隨胸肌厚度及質(zhì)量的增大而降低,推測(cè)現(xiàn)代肉雞較高的胸肌增重率可能與SC的激活及孵化時(shí)SC群的再生能力有關(guān)。Meloche等[44]發(fā)現(xiàn)WB中肌源性干細(xì)胞的活性增加。另有報(bào)道稱,WB的胸肌中與SC增殖和分化相關(guān)的成肌調(diào)控因子(包括Myf5、MyoD和Myogenin)的轉(zhuǎn)錄水平顯著上調(diào)[45-46]。而Ferreira等[35]發(fā)現(xiàn),輕度WB中肌衛(wèi)星細(xì)胞標(biāo)記物(Myf5+、MyoD+及Pax7+)占總細(xì)胞核比率顯著高于重度WB,表明肌肉的自我修復(fù)和再生能力隨著WB嚴(yán)重程度的增加而減弱。Velleman等[45]的研究表明,WB的肌肉修復(fù)重塑系統(tǒng)存在缺陷,WB的嚴(yán)重程度與SC介導(dǎo)的肌纖維再生過(guò)程中生長(zhǎng)抑制以及膠原交聯(lián)調(diào)節(jié)的改變有關(guān)。這表明WB中SC發(fā)生功能障礙可能是導(dǎo)致肌纖維修復(fù)受阻的重要原因。此外,一些研究表明,SC和血管細(xì)胞之間的信號(hào)傳遞是衛(wèi)星細(xì)胞激活所必需的[47-48]。由于衛(wèi)星細(xì)胞需要在毛細(xì)血管的21 μm范圍內(nèi)增殖,因此血管的形成是肌肉再生的必要條件[47-48]。而WB中毛細(xì)血管密度下降導(dǎo)致由血管提供的循環(huán)供應(yīng)減少,可能會(huì)引起由衛(wèi)星細(xì)胞介導(dǎo)的受損纖維的修復(fù)和再生受到抑制,此時(shí)結(jié)締組織會(huì)代替肌纖維而發(fā)生纖維化[8,49]。

2.2 纖維-脂肪祖細(xì)胞的分化

在肌肉損傷時(shí),FAP 能夠被嗜酸性粒細(xì)胞所釋放的IL-4激活,FAP 可以促進(jìn)衛(wèi)星細(xì)胞增殖分化融合,在骨骼肌愈合中發(fā)揮重要的作用[50]。WB胸肌中的血小板源性生長(zhǎng)因子受體α多肽(與細(xì)胞外基質(zhì)重塑相關(guān))表達(dá)量顯著上調(diào),表明在WB中大量的FAP被激活[39]。FAP是一種多功能的祖細(xì)胞,具有成肌分化或成脂分化及成纖維分化3 種不同的分化潛能,但不能分化成肌原細(xì)胞[51]。FAP可能參與了WB的形成,這與SC發(fā)生功能障礙有關(guān)。正常肌纖維再生條件下,FAP處于增殖狀態(tài),此時(shí)SC可以抑制FAP分化,并在肌纖維修復(fù)后誘導(dǎo)FAP凋亡[52]。而在WB中,血管化程度低可能會(huì)導(dǎo)致SC發(fā)生功能障礙,使其無(wú)法抑制FAP分化為成纖維細(xì)胞及脂肪細(xì)胞[53]。此外,WB中的IL-4表達(dá)量下降,提示可能發(fā)生了由IL-4所介導(dǎo)的信號(hào)失活而導(dǎo)致肌肉發(fā)生功能障礙,進(jìn)而刺激FAP的分化,造成骨骼肌中異位脂肪沉積和纖維化的發(fā)生[35,37,54]。目前,在WB中有關(guān)FAP的研究基本處于空白狀態(tài),而基于FAP的分化潛能推測(cè)其在WB的形成過(guò)程中可能發(fā)揮了重要作用。

2.3 轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β的激活

TGF-β是導(dǎo)致纖維化疾病發(fā)病的最有效的纖維化細(xì)胞因子,能夠被HIF-1α所激活[13,55]。TGF-β家族配體二聚體與其膜上相應(yīng)的Ⅱ型和Ⅰ型受體形成復(fù)合物,誘導(dǎo)Ⅱ型受體磷酸化Ⅰ型受體并激活其激酶活性,而后Ⅰ型受體招募并活化下游的Smad蛋白,誘導(dǎo)其進(jìn)入細(xì)胞核中并與DNA結(jié)合,調(diào)節(jié)與纖維化有關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄。值得注意的是,TGF-β的過(guò)表達(dá)也會(huì)促使成肌細(xì)胞向成纖維細(xì)胞轉(zhuǎn)化[56-57]。Xing等[55]報(bào)道,WB可能是通過(guò)激活TGF-β/Smad信號(hào)通路,促進(jìn)與膠原蛋白合成和交聯(lián)的調(diào)節(jié)因子表達(dá),增強(qiáng)肉雞胸大肌肌肉的細(xì)胞外基質(zhì)沉積而誘發(fā)嚴(yán)重的纖維化而形成的。

另一方面,TGF-β能夠通過(guò)調(diào)控成肌調(diào)節(jié)因子來(lái)影響SC增殖與分化。SC的增殖和分化受到成肌調(diào)節(jié)因子控制,TGF-β可作用于所有成肌調(diào)節(jié)因子的基本螺旋-環(huán)-螺旋區(qū)域,在不影響其結(jié)合活性的情況下,通過(guò)降低其轉(zhuǎn)錄活性來(lái)抑制SC的增殖與分化,進(jìn)而影響肌肉的修復(fù)與再生[57-59]。然而,目前尚無(wú)關(guān)于TGF-β激活與WB中由SC介導(dǎo)的肌纖維再生過(guò)程中生長(zhǎng)抑制之間聯(lián)系的報(bào)道,后續(xù)可針對(duì)此思路進(jìn)一步的探索。

3 結(jié)論與展望

WB常發(fā)生在生長(zhǎng)速度快、雞胸肉產(chǎn)量高的肉雞品系中。近年來(lái),WB的發(fā)生率不斷升高,對(duì)雞肉品質(zhì)及營(yíng)養(yǎng)價(jià)值造成惡劣影響,給現(xiàn)代肉雞產(chǎn)業(yè)帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。因此,在保證高生長(zhǎng)性能及雞胸肉產(chǎn)量的基礎(chǔ)上,降低WB的發(fā)生率是當(dāng)前肉雞生產(chǎn)中亟待解決的難點(diǎn)。

當(dāng)前研究證實(shí)WB的發(fā)生與組織缺氧、離子穩(wěn)態(tài)失衡、氧化應(yīng)激及炎癥發(fā)生息息相關(guān),WB的發(fā)生過(guò)程所涉及的各項(xiàng)生理變化及相互影響的作用機(jī)制錯(cuò)綜復(fù)雜。因此,迫切需要深入探索WB的發(fā)病機(jī)制并尋找有效的解決方案。此外,目前有關(guān)SC功能障礙、FAP的分化及細(xì)胞外基質(zhì)沉積的研究在WB中較少報(bào)道,這些可能是導(dǎo)致WB發(fā)生纖維化與脂肪沉積的重要原因。所以,后期可以通過(guò)對(duì)WB中SC和FAP的激活、分化及功能發(fā)揮情況進(jìn)行探索,進(jìn)一步明確WB中的肌肉修復(fù)機(jī)制,為降低WB的發(fā)生率提供理論支持。