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        肉用家畜骨骼肌肌纖維類型轉(zhuǎn)化的研究進(jìn)展

        2023-11-28 09:13:44姬正偉路宏朝馬海東
        家畜生態(tài)學(xué)報(bào) 2023年11期
        關(guān)鍵詞:酵解肌纖維骨骼肌

        姬正偉,路宏朝,馬海東,程 佳

        (陜西理工大學(xué) 生物科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 漢中 723001)

        骨骼肌是動(dòng)物機(jī)體的重要組成部分并占到肉用動(dòng)物機(jī)體重量的40%左右,是家畜肉產(chǎn)品的主要來源,在支撐動(dòng)物軀體、調(diào)控機(jī)體代謝、血糖平衡與體溫維持等方面發(fā)揮重要作用[1-3]。在高度特化的骨骼肌組織中,肌纖維作為構(gòu)成骨骼肌的基本結(jié)構(gòu)單位,形成于胚胎發(fā)育期并具有一定的興奮性以及收縮性,是由成肌細(xì)胞融合而成的多核條帶狀細(xì)胞并由肌膜所包裹,直徑10~100 μm,約占肌肉體積的75%~90%[4]。肌纖維具有不同種類型,并負(fù)責(zé)選擇性表達(dá)各自特定的基因,不同的肌纖維類型對(duì)應(yīng)不同的生物學(xué)功能且其組成在不同動(dòng)物品種以及不同動(dòng)物個(gè)體部位之間存在著較大的差異,而差異的結(jié)果將會(huì)直接影響到家畜肌肉代謝以及宰后的鮮肉品質(zhì),其中包括外觀品質(zhì)性狀以及食用肉品質(zhì)性狀[5-6]。

        一般情況下,在肌肉組織中能夠觀察到所有的肌纖維類型,即慢速氧化型肌纖維(Ⅰ型)、快速氧化-酵解型肌纖維 (Ⅱa型) 和快速酵解型肌纖維(Ⅱb型),其中Ⅰ型與Ⅱa型肌纖維在肌肉中的含量與肌肉品質(zhì)呈正相關(guān),Ⅱb型肌纖維則相反,不同肌纖維類型的肌肉占比促使氧化型肌纖維的外觀品質(zhì)諸如肉色、pH以及系水力等都要優(yōu)于酵解型肌纖維[7-8]。這表明肌纖維類型是調(diào)控家畜肌肉品質(zhì)特性的關(guān)鍵所在,特別是Ⅰ型肌纖維能夠促使肌肉呈現(xiàn)出優(yōu)良的表型特征[9],并能夠調(diào)控與改善肉質(zhì)。因此,通過深入探索肌纖維的組成與特性,以及影響肌纖維類型轉(zhuǎn)化的因素與機(jī)理,最終改善家畜的肌肉品質(zhì)一直以來都是國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)[10-11]。

        1 骨骼肌肌纖維類型及其特征

        1.1 骨骼肌肌纖維的分類

        骨骼肌為異質(zhì)性組織并由多種功能的肌纖維組成,不同類型的肌纖維在形態(tài)、代謝、生理、生化特性方面均不一致且肌纖維的分類方式與命名也不同。①依據(jù)代謝特征將肌纖維分為氧化型與酵解型,前者主要通過有氧代謝獲取能量,肉色呈紅色;而后者幾乎全部通過厭氧代謝獲取能量,肉色較淺。②依據(jù)收縮特性將肌纖維分為慢收縮Ⅰ型與快收縮Ⅱ型肌纖維,其中,Ⅰ型肌纖維多為紅肌纖維,Ⅱ型肌纖維為白肌纖維。③依據(jù)酶組織化學(xué)法進(jìn)行區(qū)分,最早三磷酸腺苷酶 (adenosine triphosphatase,ATPase) 染色法將肌纖維分為Ⅰ型和Ⅱ型。之后,依據(jù)ATPase對(duì)pH預(yù)孵化的敏感程度不同將肌纖維分為Ⅰ、Ⅱa和Ⅱb型。用琥珀酸脫氫酶 (succinate dehydrogenase,SDH) 染色法可將肌纖維分為紅白肌纖維,用煙酰胺腺嘌呤二核苷酸四唑還原酶 (nicotinamide adenine dinucleotide terazolium reductase,NADH-TR) 染色法可將肌纖維分為慢收縮氧化酵解型(SO)、快收縮氧化型(FO)、快收縮氧化酵解型(FOG)、快收縮酵解型(FG)[12]。④依據(jù)肌球蛋白重鏈 (myosin heavy chain,MyHC)亞型分類,可將肌纖維分為MyHCⅠ(慢速氧化型)、MyHCⅡa(快速氧化型)、MyHCⅡx(中間型)和MyHCⅡb(快速酵解型)[13]四種類型。

        以上四種肌纖維類型鑒別方法中,前兩種正逐漸被后兩種所取代。但許多肌纖維除了表達(dá)單一MyHC亞型外還共表達(dá)多種MyHC亞型或肌原纖維蛋白[14],這在一定程度上增加了肌纖維類型鑒別的難度。相信隨著分子生物學(xué)的發(fā)展,將會(huì)陸續(xù)出現(xiàn)更為細(xì)致的肌纖維分類依據(jù)和分類方法,能夠更加有助于今后對(duì)肌纖維的研究。

        1.2 骨骼肌纖維類型的特點(diǎn)

        不同類型肌纖維在收縮、代謝、生理、化學(xué)和形態(tài)特性等方面均不同。Ⅰ型(有氧代謝型)肌纖維位于骨骼肌深部且其毛細(xì)血管豐富,含有更多的線粒體,細(xì)胞色素與脂肪,漿膜中肌球蛋白含量高,外觀呈紅色,收縮緩慢且持久。Ⅱa型(快速氧化型)肌纖維位于骨骼肌中部且糖原含量較高,含有一定量的肌紅蛋白,顏色較紅,可通過有氧氧化與糖酵解進(jìn)行供能。Ⅱb型(酵解代謝型)肌纖維位于骨骼肌表層,細(xì)胞色素與肌紅蛋白含量較少,外觀呈白色,收縮快但持續(xù)時(shí)間短。Ⅱx(中間型)肌纖維位于肌肉的表層,收縮特性與代謝特性均介于Ⅱa與Ⅱb之間,外觀呈粉紅色,兼具有氧代謝和酵解代謝且所含酶系活性也居于紅、白肌纖維之間[14]??偟膩碚f,Ⅰ型和Ⅱa型屬于偏氧化型肌纖維,而Ⅱx和Ⅱb型屬于偏酵解型肌纖維。

        2 骨骼肌肌纖維類型轉(zhuǎn)化的影響因素

        2.1 運(yùn)動(dòng)對(duì)肌纖維類型轉(zhuǎn)化的影響

        不同類型、強(qiáng)度以及不同持續(xù)時(shí)間的運(yùn)動(dòng)均可刺激骨骼肌發(fā)生適應(yīng)性改變。一項(xiàng)Meta分析表明,中等強(qiáng)度持續(xù)的有氧運(yùn)動(dòng)(moderate continuous aerobic training,MCAT)可以促進(jìn)骨骼肌線粒體生物合成、提高機(jī)體有氧代謝的能力、增加毛細(xì)血管密度、延緩肌肉萎縮、上調(diào)Ⅰ型肌纖維比例[19]。Deshmukh等[20]的研究同樣發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)可以導(dǎo)致線粒體功能增強(qiáng),肌肉抗氧化能力與新陳代謝水平得到有效改善并促使線粒體功能發(fā)生重塑。大鼠8周低負(fù)荷耐力訓(xùn)練促使肌纖維向氧化型肌纖維轉(zhuǎn)化,而間歇速度訓(xùn)練則促使肌纖維向酵解型肌纖維轉(zhuǎn)化,并在肌纖維類型轉(zhuǎn)化過程中伴隨著CaMKⅡ/MEF2傳導(dǎo)途徑中CaN、CaMKⅡ、MEF2基因的高表達(dá)[21]。潘同斌等[22]采用大鼠力竭離心運(yùn)動(dòng)模型發(fā)現(xiàn)力竭運(yùn)動(dòng)組Ⅰ型肌纖維百分比明顯降低,而Ⅱ型肌纖維百分比明顯增加。可見,線粒體作為細(xì)胞能量的加工場(chǎng)所,運(yùn)動(dòng)對(duì)加速線粒體的生物合成發(fā)揮著重要作用,并可促使骨骼肌纖維MyHC亞型之間發(fā)生相互轉(zhuǎn)化。

        2.2 環(huán)境應(yīng)激對(duì)肌纖維類型轉(zhuǎn)化的影響

        低氧環(huán)境應(yīng)激是影響肌纖維類型轉(zhuǎn)化的重要因素之一。研究顯示,在急性低氧環(huán)境下SD大鼠腓腸?、裥图±w維比例極顯著減小,Ⅱa型肌纖維比例極顯著增大,Ⅱb型肌纖維比例顯著減小[29]。而低氧環(huán)境下大通牦牛骨骼肌纖維平均直徑相較于平原黃牛的肌纖維更細(xì),表明持續(xù)的低氧環(huán)境促使大通牦牛骨骼肌中Ⅰ型肌纖維的比例增加,同時(shí)引起骨骼肌的表面積密度無論是平均值還是不同部位肌纖維的密度相較于平原黃牛的更大[23]。

        溫度對(duì)肌纖維轉(zhuǎn)化具有調(diào)節(jié)作用。Yamaguchi等[24]在體外研究中發(fā)現(xiàn),小鼠成肌細(xì)胞在培養(yǎng)溫度升高時(shí)MyHCⅠ蛋白與mRNA表達(dá)量均上調(diào),而MyHCⅡx的mRNA表達(dá)量降低,這可能與激活過氧化物酶體增殖物激活受體輔助活化因子(peroxisome proliferator activated receptor-γ coactivator 1α,PGC-1α)通道有關(guān)[25]。而育肥豬在持續(xù)高溫的環(huán)境下背最長(zhǎng)肌紅肌纖維相對(duì)含量減少[26]。說明高溫在體內(nèi)以及體外影響肌纖維類型轉(zhuǎn)化的結(jié)果存在著一定差異。低溫同樣對(duì)肌纖維類型轉(zhuǎn)化起影響作用,張冬杰等[27]研究發(fā)現(xiàn),民豬與大白豬在低溫環(huán)境下背最長(zhǎng)肌,股四頭肌內(nèi)線粒體的數(shù)量變化趨勢(shì)一致,但背最長(zhǎng)肌內(nèi)線粒體數(shù)量的變化最為顯著,分別達(dá)到了1.6和1.7倍,表明低溫可促使背最長(zhǎng)肌中線粒體的生物合成,從而增強(qiáng)肌肉的氧化代謝水平。李忠秋等[28]研究發(fā)現(xiàn),民豬在寒冷環(huán)境36 h后MyHCⅠ和MyHCⅡa mRNA表達(dá)量均顯著高于常溫組,而MyHCⅡb mRNA表達(dá)量顯著低于常溫組 ,表明寒冷應(yīng)激能使得民豬肌肉中酵解型肌纖維向氧化型肌纖維進(jìn)行轉(zhuǎn)化,進(jìn)而增強(qiáng)肌肉的氧化代謝能力。

        2.3 營(yíng)養(yǎng)因素對(duì)肌纖維類型轉(zhuǎn)化的影響

        母體營(yíng)養(yǎng)與出生后營(yíng)養(yǎng)的供給水平是動(dòng)物骨骼肌生長(zhǎng)發(fā)育的物質(zhì)基礎(chǔ)并直接影響動(dòng)物出生前后肌纖維的生長(zhǎng)發(fā)育與類型的組成。當(dāng)提高杜長(zhǎng)豬日糧的能量水平后發(fā)現(xiàn)高能量飼料水平組中MyHCⅡa與MyHCⅡx型肌纖維比例均顯著高于低能量水平組,而MyHCⅡb的表達(dá)量極顯著低于低能量水平組[29]。在對(duì)母豬妊娠期與哺乳期進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)限飼后發(fā)現(xiàn),后代育肥豬背最長(zhǎng)肌中Ⅰ型肌纖維比例顯著降低,但在日糧中添加1%精氨酸后斷奶仔豬背最長(zhǎng)?、裥图±w維的比例顯著升高,與慢肌纖維相關(guān)基因的mRNA和蛋白表達(dá)量均顯著上調(diào)[30],同時(shí),禁食可誘導(dǎo)小鼠比目魚肌與腓腸肌中氧化型肌纖維比例上升,并促使C2C12細(xì)胞由酵解型向氧化型轉(zhuǎn)化[31]。Fahey等[32]研究發(fā)現(xiàn),母羊禁食后比目魚肌和腓腸肌中MyHCⅠ mRNA表達(dá)水平顯著上調(diào),表明禁食后兩種類型肌肉中氧化型肌纖維的比例均發(fā)生顯著性上升,但對(duì)趾伸長(zhǎng)肌纖維類型并無明顯的影響。此外,營(yíng)養(yǎng)不良可顯著提高3~7周齡豬菱形?、裥图±w維的比例,但對(duì)豬背最長(zhǎng)肌纖維類型的組成卻無明顯影響[33]。

        有越來越多的研究表明,許多植物自然來源的小分子可以參與調(diào)節(jié)肌纖維的形成,進(jìn)而影響骨骼肌的功能。如Wen等[34]首次發(fā)現(xiàn)番茄紅素(lycopene,LYC)可增強(qiáng)線粒體呼吸能力并通過AMPK信號(hào)通路增加慢肌纖維比例,從而提高骨骼肌的抗疲勞能力。接著研究了日糧中添加LYC對(duì)育肥豬肉質(zhì)、抗氧化能力和肌纖維類型轉(zhuǎn)化的影響,結(jié)果表明,日糧中添加200 mg/kg LYC改善了育肥豬宰后豬肉的顏色與營(yíng)養(yǎng)價(jià)值,以及顯著提高了育肥豬的抗氧化能力與MyHCⅠ/Ⅱa蛋白表達(dá)水平及慢肌纖維百分比,并顯著降低了MyHCⅡb/Ⅱx表達(dá)水平和快肌纖維百分比[35],表明LYC對(duì)肌纖維轉(zhuǎn)化具有潛在的有益作用。此外,日糧中添加0.25%亮氨酸(Leucine,Leu)顯著增加斷奶仔豬背最長(zhǎng)肌中MyHCⅠ、MyHCⅡa、Tnni1(Troponin I1, Slow Skeletal Type)、肌紅蛋白(Myoglobin,Mb)的表達(dá),同時(shí)降低了MyHCⅡb的表達(dá)水平。并顯著增加了SDH的活性與血清脂聯(lián)素(adiponectin,AdipoQ)濃度,脂聯(lián)素受體1(Adiponectin receptor-1,AdipoR1)、磷酸化腺苷酸活化蛋白激酶(p-AMPK)和 PGC-1α的蛋白表達(dá)水平以及AdipoQ、AdipoR1和AMPKα2的mRNA表達(dá)水平??傊?Leu可促使豬骨骼肌纖維類型由快肌向慢肌轉(zhuǎn)化,該作用可能是由AdipoQ-AMPK-PGC-1α信號(hào)通路介導(dǎo)的[36-37]。此外,胍基乙酸(Guanidinoacetic Acid)可作為日糧補(bǔ)充劑通過增強(qiáng)育肥豬基于PGC-1α的線粒體功能和激活CaN/NFAT通路,上調(diào)肌肉中MyHCⅠ mRNA的表達(dá)且與對(duì)照組相比具有更低的肌纖維橫截面積與直徑,促使骨骼肌纖維從快肌向慢肌的轉(zhuǎn)化[38-39]。Zhang等[40]研究發(fā)現(xiàn),通過在育肥豬飼料中添加0.3%丁酸鹽(Butyrate)可顯著提高肌肉組織特異性microRNAs和PGC-1α的表達(dá)水平,促進(jìn)育肥豬線粒體生物合成和氧化型肌纖維的形成,最終改善肉質(zhì)。另外,Chang等[41]研究結(jié)果表明,Butyrate還可能通過失活FoxO1與上調(diào)MEF2C (myocyte enhancer factor 2,MEF2) 促進(jìn)小鼠氧化型肌纖維的形成。

        當(dāng)下,基于生態(tài)環(huán)境保護(hù)國(guó)家頒布實(shí)施了禁牧、限牧的政策,通過對(duì)草食性動(dòng)物進(jìn)行大規(guī)模的人工運(yùn)動(dòng)而改善肌纖維類型的畜產(chǎn)品生產(chǎn)方式逐漸不可取。在該種背景下,動(dòng)物雖然可以接受日照與各種氣候環(huán)境的鍛煉,但同時(shí)也增加了動(dòng)物暴露于環(huán)境污染物與病理環(huán)境(寄生蟲、病毒、細(xì)菌)的風(fēng)險(xiǎn)[42-43],因此,采用營(yíng)養(yǎng)因素調(diào)控肉品質(zhì)是目前家畜養(yǎng)殖生產(chǎn)中比較可行的。因此,通過尋找天然安全的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)來調(diào)控肌肉代謝以及改變肌纖維類型對(duì)家畜肉品質(zhì)的改善具有重要的意義與價(jià)值[44-45]。

        3 骨骼肌肌纖維類型轉(zhuǎn)化的機(jī)理研究

        3.1 PGC-1α參與調(diào)控骨骼肌纖維類型

        越來越多的研究認(rèn)為,骨骼不僅作為動(dòng)力器官,還具有內(nèi)分泌功能。其分泌釋放的細(xì)胞因子或者多肽被稱為肌肉因子 (myokine) 。這些myokine可通過自分泌,旁分泌或內(nèi)分泌進(jìn)行調(diào)節(jié)骨骼肌內(nèi)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和代謝水平,也為骨骼肌和其他組織器官之間提供了分子聯(lián)系,并在協(xié)調(diào)肌肉再生和介導(dǎo)肌肉的可塑性中發(fā)揮著重要的功能[46-47]。

        過氧化物酶體增殖物激活受體γ輔激活因子1α (peroxisome proliferator activated receptor-γ coactivator 1α,PGC-1α) 是轉(zhuǎn)錄共調(diào)節(jié)因子超家族中的成員之一。該蛋白在機(jī)體能量代謝中發(fā)揮關(guān)鍵調(diào)控作用并處于細(xì)胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的交叉點(diǎn)。由于在調(diào)節(jié)線粒體生物合成及脂肪組織發(fā)育中功能的挖掘具有廣闊的應(yīng)用前景,PGC-1α作為潛在靶點(diǎn)的小分子化合物已然成為當(dāng)下研究的熱點(diǎn)。PGC-1α最早是由Spiegelman實(shí)驗(yàn)室在小鼠體內(nèi)發(fā)現(xiàn)的一種核轉(zhuǎn)錄輔激活因子,能夠應(yīng)答各類環(huán)境刺激和營(yíng)養(yǎng)信號(hào)的改變,且參與機(jī)體白色脂肪組織 (white adipose tissue,WAT) 的褐變,從而調(diào)節(jié)機(jī)體產(chǎn)熱。還可以選擇性結(jié)合多種轉(zhuǎn)錄因子并激活下游基因的表達(dá),包括肌細(xì)胞增強(qiáng)因子2 (myocyte enhancer factor 2,MEF2)、雌激素受體相關(guān)受體α (estrogen-related receptor α,ERRα)、甲狀腺受體 (thyroid receptor) 以及核呼吸因子 (nuclear respiratory factor,NRF) ,進(jìn)而協(xié)同調(diào)控動(dòng)物機(jī)體的多項(xiàng)生理進(jìn)程。PGC-1α在骨骼肌中也具有協(xié)調(diào)與肌肉收縮和代謝適應(yīng)性相關(guān)的核編碼基因與線粒體編碼基因的功能,并作為調(diào)節(jié)因子在骨骼肌中線粒體的生成和氧化代謝調(diào)控方面發(fā)揮特異性調(diào)節(jié)的作用[48-52]。

        PGC-1α可由肌肉組織中的熱量限制以及活化后的磷酸腺苷活化蛋白激酶 (AMP-activated protein kinase,AMPK) 誘導(dǎo)[53-54],從而促進(jìn)線粒體氧化酶基因以及肌酸激酶特異性表達(dá),增強(qiáng)線粒體呼吸以及脂肪酸的氧化作用。同時(shí),PGC-1α可通過共激活鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶 (calcineurin,CaN) 上調(diào)MEF2蛋白,并協(xié)同激活慢肌纖維相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄,導(dǎo)致小鼠骨骼?、蛐图±w維呈現(xiàn)出Ⅰ型肌纖維的特征,促使肌紅蛋白表達(dá)水平上升[55-57]。

        此外,運(yùn)動(dòng)亦可增加氧化型肌纖維比例,而過表達(dá)PGC-1α仍作為主導(dǎo)變量影響著近2/3的運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄[58]。PGC-1α還可以在sirtuin1 (SIRT1) 的參與下,與ERRα結(jié)合形成復(fù)合物調(diào)控HIF2α (hypoxia inducible factor-2α) 促使快肌纖維向慢肌纖維轉(zhuǎn)化[59]。目前已有研究表明,在對(duì)小鼠骨骼肌PGC-1a特異性敲除后發(fā)現(xiàn)小鼠肌纖維由Ⅰ型和Ⅱa型向Ⅱb與Ⅱx型肌纖維進(jìn)行轉(zhuǎn)變,并導(dǎo)致小鼠耐力下降,肌纖維損傷,以及跑步后炎癥標(biāo)志物的升高[60]。總而言之,PGC-1α可通過多條信號(hào)途徑影響肌纖維類型轉(zhuǎn)化且轉(zhuǎn)化具有導(dǎo)向性。

        3.2 FGF21參與調(diào)控骨骼肌纖維類型

        成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子21 (fibroblast growth factor 21,FGF21) 屬于FGFs亞家族-FGF19亞家族成員,是一種新型的參與代謝調(diào)控的關(guān)鍵因子,通過自分泌或循環(huán)代謝等多種途徑參與調(diào)節(jié)生物體發(fā)育、新陳代謝,以及維持組織間的相互聯(lián)系和肌肉骨骼穩(wěn)態(tài),可被視為治療肥胖和2型糖尿病的藥物靶點(diǎn)。FGF21主要在代謝活躍的器官中表達(dá),最早由Nishimura等[61]從小鼠胚胎組織中分離出來,其相對(duì)分子質(zhì)量約為20 kDa,由30個(gè)氨基酸的疏水性氨基末端和一個(gè)分泌型蛋白質(zhì)的典型信號(hào)肽序列構(gòu)成,而成熟的FGF21蛋白質(zhì)含有181個(gè)氨基酸殘基。直到2005年,FGF21作為一個(gè)新的代謝調(diào)節(jié)因子被發(fā)現(xiàn)具有生物學(xué)活性[62]。跟蹤近些年來與FGF21相關(guān)的研究報(bào)道后發(fā)現(xiàn),FGF21蛋白能夠增強(qiáng)機(jī)體在新陳代謝中對(duì)脂肪組織中糖類的攝取,調(diào)節(jié)能量損耗以及肥胖癥患者的葡萄糖和磷脂水平,以及促進(jìn)脂肪酸氧化的作用[63-64]。另外,FGF21也可介導(dǎo)肌纖維類型轉(zhuǎn)化,但FGF21通常不在骨骼肌中表達(dá),但可以被某些應(yīng)激狀態(tài)所誘導(dǎo)[65]。AMPK-SIRT1-PGC-1α是一條已知的調(diào)控肌纖維類型轉(zhuǎn)化的信號(hào)通路,在對(duì)小鼠腹腔注射FGF21后以內(nèi)分泌的方式作用于骨骼肌,進(jìn)而與KLB、FGFR相結(jié)合形成三元復(fù)合體從而發(fā)揮作用,并通過AMPK-SIRT1-PGC1α通路增強(qiáng)線粒體功能,可促進(jìn)比目魚肌肌纖維類型由快速酵解型向慢速氧化型轉(zhuǎn)化。此外,FGF21還通過CaN-NFATc3與Ca2+/CaMK通路促使慢肌中肌纖維類型由酵解型向氧化型轉(zhuǎn)化,而在特異性敲除FGF21后這種調(diào)控作用與相關(guān)的通路均被阻斷[66]。

        3.3 FHL3參與調(diào)控骨骼肌纖維類型

        LIM (Lin-Isl-Mce) 蛋白是一類富含半胱氨酸并具有鋅指結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)超家族,該家族的蛋白質(zhì)分子都包含有高度保守的氨基酸序列 (CX2CX17-19HX2CH2CX16-20C/H/D) ,即由兩個(gè)串聯(lián)且富含半胱氨酸和組氨酸的鋅指結(jié)構(gòu)組成并形成了具有Zn2+結(jié)合口袋的穩(wěn)定三級(jí)結(jié)構(gòu) (LIM結(jié)構(gòu)域) ,可分為以下四種類型:①LIM-同形域蛋白 (LIM-homeodomain,LIM-HD) ; ② LIM激酶 (LIM-kinase,LIM-K) ; ③LIM-only (LIM only protein,LIMO) ; ④ 其他LIM蛋白[67-68]。研究表明,FHL (four and a half LIM domain) 屬于LIM-only蛋白家族,包含有FHL1-4和ACT五個(gè)成員。其中,FHL3在骨骼肌中表達(dá)水平較高,盡管不能直接與DNA相結(jié)合,但可作為轉(zhuǎn)錄共激活子或共抑制子通過四個(gè)半LIM結(jié)構(gòu)域調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄因子的轉(zhuǎn)錄活性,可分別與肌分化因子MyoD、肌動(dòng)蛋白、轉(zhuǎn)錄因子MZF-1等蛋白質(zhì)相互作用,進(jìn)而對(duì)成肌細(xì)胞分化、細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)、骨骼肌形成起重要的調(diào)控作用[69]。

        徐在言等[70]在小鼠成肌細(xì)胞C2C12中干擾FHL3后MyHCⅠ和MyHCⅡa的表達(dá)分別發(fā)生不同程度的降低,而MyHCⅡb和MyHCⅡx表達(dá)量有所上調(diào),表明FHL3與MyHC各亞型基因間存在一定關(guān)聯(lián)。隨后有研究發(fā)現(xiàn),FHL3在細(xì)胞水平上能夠抑制MyHCⅠ/slow基因表達(dá)而促進(jìn)MyHCⅡa、MyHCⅡb基因表達(dá),但對(duì)MyHCⅡx表達(dá)無顯著影響。同時(shí)驗(yàn)證了FHL3可通過與pCREB(反應(yīng)元件結(jié)合蛋白)和p300蛋白互作上調(diào)MyHCⅡa基因表達(dá),并通過抑制MyoD轉(zhuǎn)錄活性下調(diào)MyHCⅠ/slow基因表達(dá)[68]。在使用RNA-Seq技術(shù)篩選寒泊羊肌肉生長(zhǎng)發(fā)育相關(guān)基因的研究中,篩選得到了TMOD4、FHL3和MYBPC1,表明FHL3可能參與寒泊羊肌肉發(fā)育的生物學(xué)過程,也可通過結(jié)合Sox15 (SYR-Box Transcription Factor 15) 共激活Foxk1 (Forkhead Box K1) 調(diào)控肌源性祖細(xì)胞數(shù)量和骨骼肌再生,并參與肌纖維類型轉(zhuǎn)化。通過在活體水平上驗(yàn)證FHL3對(duì)不同肌纖維類型的影響后發(fā)現(xiàn),FHL3轉(zhuǎn)基因小鼠MyHCⅠ表達(dá)量顯著下調(diào)而MyHCⅡa、MyHCⅡb表達(dá)量顯著上調(diào),對(duì)2月齡小鼠比目魚肌和股四頭肌ATPase染色和SDH染色均顯示,轉(zhuǎn)基因小鼠較野生型小鼠Ⅰ型肌纖維顯著降低,Ⅱ型肌纖維顯著增多[71-72]。

        3.4 MYH3參與調(diào)控骨骼肌纖維類型

        肌球蛋白重鏈3 (myosin heavy chain 3,MYH3) 基因編碼胚胎型肌球蛋白重鏈蛋白,控制肌肉的牽引滑動(dòng)。另外,MYH3表達(dá)量與骨骼肌纖維維度呈正相關(guān),可導(dǎo)致肌纖維特性差異。因此,MYH3與家畜的經(jīng)濟(jì)性狀具有較大關(guān)聯(lián)[73-75],MYH3的研究先后集中在對(duì)豬與牛生長(zhǎng)性狀的影響方面,在其他農(nóng)業(yè)動(dòng)物上的研究較少。近年來的研究表明,家畜基因組拷貝數(shù)變異 (Copy numbervariations,CNVs) 已成為單核苷酸多態(tài)性SNP (Single nucleotide polymorphism) 的重要遺傳變異性補(bǔ)充。CNVs是個(gè)體遺傳變異的重要來源,可通過對(duì)功能基因拷貝數(shù)產(chǎn)生調(diào)控作用,進(jìn)而影響到家畜產(chǎn)肉經(jīng)濟(jì)性狀[76]。Xu等[77]首次嘗試建立了候選基因CNVs與生長(zhǎng)性狀之間的相關(guān)性,結(jié)果表明MYH3基因的CNVs可以作為中國(guó)牛經(jīng)濟(jì)性狀的潛在標(biāo)志物而應(yīng)用于選育計(jì)劃。

        Cho等[78]探究了影響肌纖維類型的遺傳因素,確定了豬12號(hào)染色體上一個(gè)488.1kb的區(qū)域 (編碼MYH3) 影響著骨骼肌肉色與肌內(nèi)脂肪 (Instramuscualr Fat, IMF) 。在對(duì)韓國(guó)本土黑豬 (Korean native pigs,KNPs) 與長(zhǎng)白豬 (Landrace pig) 進(jìn)行肌肉形態(tài)學(xué)觀察后發(fā)現(xiàn),KNPs的肉色相較于長(zhǎng)白豬更紅,并具有清晰的大理石花紋,肌肉中含有大量的慢/Ⅰ型/氧化型骨骼肌纖維,且MYH3表達(dá)量高。隨后在MYH3轉(zhuǎn)基因小鼠上證明了該基因在KNPs的骨骼肌中控制著肌纖維類型,并首次在豬MYH3基因的2-kb啟動(dòng)子/調(diào)控區(qū)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)結(jié)構(gòu)變異 (6bp缺失) ,其中Q等位基因攜帶者顯示出比q等位基因攜帶者肉色紅度及IMF更高的特性,同時(shí)發(fā)現(xiàn)MYH3的5'側(cè)翼區(qū)的結(jié)構(gòu)變異消除了肌源性調(diào)節(jié)因子 (MYF5, MYOD, MYOG和MRF4) 的結(jié)合。Huang等[79]重新評(píng)估了該突變與潛在的商業(yè)應(yīng)用價(jià)值之間的因果關(guān)系,結(jié)果發(fā)現(xiàn)在6bp缺失位點(diǎn)或附近鑒定出了幾個(gè)新的變異 (包括一個(gè)4 bp的缺失) ,這些多倍體在多個(gè)品種中形成了四個(gè)單倍型。但MYH3的Q等位基因及其包含的單倍型對(duì)三個(gè)規(guī)模不同豬群的IMF、大理石花紋和肉色評(píng)分并沒有顯著的影響 (異質(zhì)性F6和F7豬的商業(yè)雜交杜洛克×(長(zhǎng)白×約克夏豬)) ,且肌肉中MYH3蛋白表達(dá)水平在單倍型組間并無顯著差異,表明MYH3基因的功能有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

        3.5 LncRNA參與調(diào)控骨骼肌纖維類型

        長(zhǎng)鏈非編碼RNA (long non-coding RNA,lncRNA) 在骨骼肌發(fā)育及代謝中的作用已成為新的研究熱點(diǎn)之一,其可通過結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子、吸附miRNA、作為核糖核蛋白的支架等多種方式發(fā)揮其功能,并可引發(fā)肌肉RNA轉(zhuǎn)錄譜在快肌與慢肌之間產(chǎn)生顯著性差異。近年來,高通量測(cè)序鑒定了大量參與骨骼肌生成相關(guān)的lncRNA,其可通過靶向關(guān)鍵因子參與肌纖維類型的轉(zhuǎn)化,然而LncRNA在動(dòng)物肌纖維類型轉(zhuǎn)化中的作用尚不明確[80-81]。Dou等[82]在豬MyHCⅡA和MyHCⅡX基因區(qū)間內(nèi)檢測(cè)到一條全長(zhǎng)約5 kb的lncRNA,并將其命名為MyHCⅡA/X-AS,主要在骨骼肌中表達(dá)并分布在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)。在敲低MyHCⅡA/X-AS后,快肌纖維的分子標(biāo)記MyHCⅡB和MyHCⅡX表達(dá)量顯著降低,而慢肌標(biāo)志基因MyHCⅠ和MyHCⅡA表達(dá)顯著升高 。同時(shí),過表達(dá)miR-130b與敲低MyHCⅡA/X-AS表型一致,表明MyHCⅡA/X-AS能夠作為分子海綿吸附miR-130b,解除miR-130b對(duì)MyHCⅡX的抑制作用,進(jìn)而維持豬快肌纖維的表型。由于lncRNA具有高級(jí)結(jié)構(gòu)且在各家畜品種間的保守性較低,其研究存在挑戰(zhàn)。但隨著RNA測(cè)序技術(shù)與生物信息學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,參與調(diào)節(jié)產(chǎn)肉性狀的主效lncRNA將會(huì)被陸續(xù)鑒定,可為進(jìn)一步揭示其分子作用機(jī)制與調(diào)控肌纖維類型轉(zhuǎn)化提供新視野,這對(duì)家畜肉產(chǎn)品品質(zhì)的改良尤為重要。

        3.6 其他肌纖維類型調(diào)控因子

        SOX6是SOX基因家族D亞家族的成員之一,在骨骼肌中大量表達(dá)并參與早期胚胎發(fā)育及器官的形成過程,是軟骨、肌肉、中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育過程中的重要調(diào)控因子,對(duì)肌纖維類型具有明顯的調(diào)控作用。研究表明,SOX6因子失活可導(dǎo)致小鼠與斑馬魚多種慢肌纖維基因表達(dá)上調(diào),而過表達(dá)SOX6可引起慢肌纖維基因表達(dá)下調(diào)。SOX6基因缺失能導(dǎo)致胎鼠骨骼肌中MyHC-β(對(duì)應(yīng)慢肌) 表達(dá)量顯著提高 ,慢肌纖維含量增加;同時(shí)快肌與慢肌中Myh7 (慢肌基因) 表達(dá)量均顯著提高,MyHCⅡb向MyHCⅡa與MyHCⅡx轉(zhuǎn)化,并伴隨慢肌特異性肌鈣蛋白Tnni1、肌紅蛋白表達(dá)量以及線粒體活性的顯著提高 ,表明Sox6作為慢肌纖維基因的轉(zhuǎn)錄抑制因子并在快肌纖維中大量表達(dá)[83-85]。Akirin1 (Mighy) 是肌肉生長(zhǎng)抑制素下游靶基因并在不同物種間廣泛表達(dá)且高度保守,是天然免疫反應(yīng)信號(hào)通路所必須的核內(nèi)因子,具有核定位信號(hào)以及與蛋白質(zhì)相互作用特性。據(jù)此Akirin1被推測(cè)作為輔因子而調(diào)節(jié)靶基因轉(zhuǎn)錄,并可能作為肌肉再生早期信號(hào)傳感器,參與myostain蛋白 (MSTN) 調(diào)控肌肉再生的關(guān)鍵步驟。有研究表明,敲除Akirin1后,肌肉的氧化程度降低,導(dǎo)致Ⅱa型肌纖維增加而Ⅰ型肌纖維減少[86-87]。FLCN (Folliculin) 是一個(gè)在進(jìn)化上保守的基因,并在多個(gè)物種里發(fā)現(xiàn)FLCN的同源基因,其可作為腫瘤抑制劑在多種生命活動(dòng)中發(fā)揮調(diào)節(jié)作用。FLCN的羧基末端可通過與其伴侶分子FLCN相互作用蛋白FNIP1 (folliculin interacting protein 1) 相結(jié)合形成FLCN-FNIP1復(fù)合體,從而作為負(fù)調(diào)節(jié)因子降低AMPK活性;敲除FLCN或FNIP1均可顯著增加骨骼肌中AMPK活性和PGC-1α表達(dá)水平,并明顯增加慢肌纖維比例,而在敲除PGC-1α基因后慢肌纖維比例呈現(xiàn)顯著性下降,表明FLCN/FNIP1通過抑制AMPK-PGC-1α信號(hào)通路調(diào)控肌纖維表型發(fā)生轉(zhuǎn)化,從而降低骨骼肌中慢肌纖維比例[54,88-89]。

        4 展 望

        骨骼肌纖維存在多種分類方法,分類方法不同,則肌纖維的類型不同。不同類型的肌纖維及其構(gòu)成在肌肉收縮、代謝、生理與形態(tài)特性等方面均存在顯著性差異。影響家畜肌纖維類型轉(zhuǎn)化的因素也存在多種。就不同因素對(duì)肌纖維轉(zhuǎn)化的機(jī)制探究,各種因素對(duì)家畜肌肉性狀的差異分析,各類肌纖維轉(zhuǎn)化因子的發(fā)現(xiàn),以及與MyHC各個(gè)亞型基因之間關(guān)系的研究均有利于下一步的動(dòng)物肉品質(zhì)的改善,進(jìn)而提高動(dòng)物育種的效果。

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