家禽骨骼肌(主要是胸肌和腿肌)不仅是主要的运动器官,也是重要的动物蛋白,约占鸡肉产量的40%
[1]。因 此,肌肉生长发育对家禽产肉量起到决定性的作用。我国地方优质鸡的骨骼肌产肉量远低于国内、外快大型肉鸡,使得饲养成本偏高,无法适应分割品市场,饲养规模日益萎缩
[2]。目前,地方鸡的优质风味被普遍认为具有极强竞争力,但持续的、基础的、系统的相关育种指标体系和基因功能研究数据库仍在量变构建阶段,尚无法从质变的层次带来突破。脂肪是组成动物机体不可或缺的重要成分,也是动物能量代谢过程中的重要物质,其主要作用是储存能量
[3]。肌内脂肪细胞是指存在肌肉组织中的脂肪细胞,存在肌肉纤维之间,是肌肉能量储备的一部分,肌内脂肪含量对鸡肉的质地、口感和风味有显著影响。研究表明,肌内脂肪含量较高的鸡肉口感更加嫩滑,风味也更为丰富
[4]。因此筛选出影响肌肉发育和脂肪沉积的重要候选基因具有重要的理论和实践意义。
生长因子受体结合蛋白10(Growth factor receptor bound protein 10,
GRB10)、unc-51样自噬激活激酶2(Unc-51 like autophagy activating kinase 2,
ULK2)和磷酸肌醇-3-激酶调节亚基1(Phosphoinositide-3-Kinase regulatory subunit 1,
PIK3R1)是富集在mTOR信号通路上的3个基因。mTOR信号通路是细胞内一个关键的调控系统,影响细胞生长、自噬和死亡。它在多种疾病如癌症、关节炎和糖尿病中起作用。mTOR信号通路在肿瘤中经常被激活,它不仅调节基因转录和蛋白质合成以调节细胞增殖和免疫细胞分化,而且在肿瘤代谢中起着重要作用,因此,mTOR信号通路在细胞生理和疾病中的多面性作用是目前的研究热点
[5]。而有研究报道,3个基因在众多生理过程中均发挥着重要作用。
GRB10是一种众所周知的Src同源2结构域连接蛋白,在多种器官中过表达,包括胰腺、脑和脂肪组织
[6-7],可负调控胰岛素/IGF信号传导
[8-9];
GRB10在肌肉中的特异性消融会影响小鼠的肌肉大小和葡萄糖代谢
[10];沉默的
GRB10可以通过急性内质网应激被重新激活,在肝脂肪变性的早期发展中起着重要作用
[11]。
ULK2是丝氨酸/苏氨酸激酶家族的一员,在哺乳动物细胞自噬的启动中起重要作用,它还参与许多其他生物学过程,包括细胞命运决定、代谢、转录控制和肿瘤发生
[12];
ULK2缺乏还会导致肌肉力量受损,并导致肌纤维萎缩和变性,且它对于骨骼肌中泛素化蛋白质聚集体的降解和稳态至关重要
[13];癌基因
YBX1促进
ULK2作为转录因子的转录和表达,从而增强自噬和脂肪生成
[14]。
PIK3R1是磷酸肌肽3激酶的调控亚基
[15],具有肿瘤抑制潜能。miR-F4-C12通过靶向
PIK3R1调节去势公猪皮下脂肪组织的积累
[16]。综上,目前对
GRB10、
ULK2和
PIK3R1的研究主要集中在对哺乳动物肌肉大小及葡萄糖代谢、肌纤维萎缩和变性、脂肪生成、自噬及人类疾病调控等研究
。在家禽上,
GRB10、
ULK2和
PIK3R1在肌肉发育和脂肪沉积中的作用尚未有相关研究。
本研究使用了专门化品系S3、F和H系作为试验素材,系统分析了这3个品系鸡的屠宰性状、脂肪代谢和肌纤维特性的差异。通过对GRB10、ULK2和PIK3R1在不同品系的肝脏、胸肌、腿肌、皮脂和腹脂组织、脂肪细胞以及成肌细胞增殖与分化期的表达变化进行研究,初步揭示了这些品系肌肉发育和脂肪沉积的规律。此外,研究结果为后期配套系组合的筛选提供了科学依据,有助于进一步深入研究这些基因在脂肪沉积和肌肉发育过程中的具体作用机制。
1 材料与方法
1.1 试验材料
本研究S3系、F系和H系母鸡为江苏省家禽科学研究所自主培育的专门化品系。S3系为性连锁矮小鸡,中速型,具有黄羽、青胫、节粮等特点;F系为中、快速型肉鸡品系,具有黄麻羽、高脚青胫、生长速度高等特点;H系为慢速型肉鸡品系,具有黄羽、黄脚、肉质佳等特点。
1.2 屠宰指标的测定
试验鸡群在相同环境与管理条件下饲养,分别在鸡的0、2、5、10和15周龄时每个品系各取6只母鸡,采集肝脏、胸肌、腿肌、腹部脂肪和皮下脂肪组织,-80 ℃保存,用于后续基因荧光定量分析 。在10和15周龄各品系屠宰30只母鸡,测定胸、腿肌重、腹脂重、全净膛重和半净膛重,计算腹脂率、胸肌率和腿肌率。
1.3 脂质指标测定
准确称取胸肌,按重量(g)∶体积(mL)的比例,加入9倍体积的无水乙醇,冰浴条件下匀浆10 min,后离心取上层清液待测,而血清则是在鸡的翅静脉采血,室温静置沉淀后离心, 分离血清待测,测定方法按照甘油三酯(TG)、总胆固醇(T-CHO)、磷脂(PL)、高密度脂蛋白胆固醇(HDL-C)和低密度脂蛋白胆固醇(LDL-C)含量等参照南京建成生物工程研究所试剂盒说明书进行。
1.4 肌纤维与脂肪细胞的测定
取15周龄中每个品系的胸肌和腹脂,每个品系各取3个样品,胸肌石蜡组织切片制作和测定参照杨朝永等
[17]的方法进行,而脂肪切片制作和测定参照杨烨城
[18]的方法进行。
1.5 细胞培养和诱导分化
选择19胚龄的鸡胚胸肌组织提取肌内脂肪细胞,提取方法参考张欣
[19]的方法进行,并使用含有10%胎牛血清(BI,以色列)和1%青霉素溶液(Gibco,美国)的DME/F12培养基(HyClone,美国)进行培养;成肌细胞则选择13胚龄鸡胚胸肌组织,提取方法参考张欣
[19]的方法进行,使用含有20%胎牛血清和1%青霉素溶液的DMEM/HIGHGLUCOSE培养基(HyClone,美国)进行培养。肌内脂肪细胞用0.1%油酸(Sigma,美国)诱导分化,成肌细胞用2%马血清(普诺赛,中国)诱导分化。
1.6 总RNA提取及反转录
总RNA的提取参照试剂盒说明书进行(南京诺唯赞,中国),用PrimerScript TM RT Master Mix(Perfect Real Time)试剂盒(Takara,日本)进行cDNA的反转录。
1.7 引物设计和荧光定量
实时荧光定量PCR(Real-timefluorescentquantitativePCR,RT-qPCR)的引物使用Oligo7软件进行设计,引物见
表1。引物合成由生工生物工程(上海)股份有限公司完成,
GAPDH作为内参基因。RT-qPCR程序按照试剂盒说明书进行(QIAGEN,德国)。
1.8 基因的生物信息学分析
通过PathCards数据库(
https://pathcards.genecards.org/)对3个基因共有的通路进行检索,将富集在同一通路上的所有基因用STRING数据库(
https://cn.string-db.org/)进行蛋白互作分析,采用MOCOE算法,分析
GRB10、
ULK2、
PIK3R1和其他基因的互作关系。
1.9 数据分析
应用SPSS软件进行单因素方差分析、多重比较(Duncan法)和相关性分析,P>0.05表示差异不显著,P<0.05表示差异显著。
2 结果与分析
2.1 不同品系不同日龄对脂质指标的影响
由
表2得知,血清中TG、CHO、LDL-C和HDL-C含量在2、5、10和15周龄存在显著的品系差异。在2周龄时,F系的血清LDL-C含量显著高于S3系和H系(
P<0.05)。5周龄时S3系的血清TG含量显著低于F系和H系(
P<0.05);与S3系和H系相比,血清中的LDL-C的F系含量显著较高 (
P<0.05)。10周龄时LDL-C含量F系显著低于H系 (
P<0.05),S3系与F系和H系的差异不显著(
P>0.05)。在15周龄时,血清中的TG和LDL-C的含量在H系显著低于S3系和F系(
P<0.05);HDL-C含量F系显著高于S3系和H系(
P<0.05)。
由
表3中得知,胸肌组织中TG、CHO和PL含量在2、5、10和15周龄存在显著的品系差异。2周龄时S3系胸肌组织中的TG和CHO含量均显著高于H和F系(
P<0.05);5周龄时胸肌组织中CHO含量F系显著高于S3系和H系(
P<0.05)。10周龄时胸肌组织中CHO与PL含量均为S3系显著低于H系(
P<0.05),F系与S3系和H系差异不显著(
P>0.05)。15周龄时胸肌组织中TG含量均为S3系显著高于F系和H系(
P<0.05)。
2.2 10和15周龄不同品系对屠体性状的影响
由
表4可知,10周龄时F系在体重、全净膛重、腿肌重、腹脂重和腹脂率均显著高于S3系和H系(
P<0.05),而全净膛率S3系显著高于H系和F系(
P<0.05),胸肌重和胸肌率中S3系显著高于H系,腿肌率中F系和H系显著高于S3系(
P<0.05)。15周龄时F系在体重、全净膛重、胸肌重和腿肌重均显著高于S3系和H系(
P<0.05),其中全净膛率S3系显著高于H系和F系(
P<0.05),腿肌率中F系和H系显著高于S3系(
P<0.05);腹脂重和腹脂率中S3系和F系显著高于H系(
P<0.05)。
2.3 不同品系胸肌组织肌纤维组织学特性及腹脂组织脂肪细胞体积变化
不同品系肌纤维组织学特性及脂肪细胞体积统计结果如
表5所示。3个品系母鸡15周龄胸肌和腹脂的石蜡切片中,H系肌纤维直径显著低于F系和S3系(
P<0.05),而肌纤维密度显著高于S3系和F系(
P<0.05),S3系和F系在肌纤维直径和密度上差异不显著(
P>0.05),肌纤维横截面积中H系显著低于S3系和F系(
P<0.05);脂肪细胞的体积中,S3系显著高于F系和H系(
P<0.05),F系和H系差异不显著(
P>0.05)。
2.4 基因在不同品系不同组织中的表达
2.4.1 不同基因在肝脏组织中的表达
采用RT-qPCR检测
GRB10、
ULK2和
PIK3R1在0、2、5、10和15周龄时肝脏组织的表达。结果表明
GRB10在0和10周龄时,H系表达显著高于S3和F系(
P<0.05)(
图1);5和15周龄时,F系表达显著高于S3系和H系(
P<0.05);2周龄时,S3系显著高于F系和H系(
P<0.05)。
PIK3R1在0和2周龄时H系显著高于S3系和F系(
P<0.05);10和15周龄时H系显著高于S3系(
P<0.05)。
ULK2在0、2、10和15周龄中,H系的表达量最高,显著高于其他2个品系(
P<0.05);5周龄时,F系表达量最高,显著高于S3系和H系(
P<0.05)。
2.4.2 不同基因在胸肌组织中的表达
图2结果表明,
GRB10和
PIK3R1在各个周龄上,S3系的表达量显著高于F系和H系(
P<0.05)。
ULK2在F系0周龄时的表达最高,显著高于其他2个品系(
P<0.05);2、5、10和15周龄时,S3系的表达量是最高的,显著高于其他2个品系(
P<0.05)。
2.4.3 不同基因在腿肌组织中的表达
由
图3得知,
GRB10在0、5和15周龄中,S3系鸡腿肌组织中的表达显著高于其他2个品系(
P<0.05);在2和15周龄中,F系的表达显著高于S3系和H系(
P<0.05)。
PIK3R1在0、2和5周龄时,S3系的表达显著高于其他2个品系(
P<0.05);在10和15周龄时,H系的表达显著高于S3系和F系(
P<0.05)。
ULK2在0周龄F系的表达量最高,并随着周龄的增长表达逐渐下降。
ULK2在2、5、10和15周龄时,S3系的表达量最高,显著高于其他2个品系(
P<0.05)。
2.4.4 不同基因在皮脂组织中的表达
由
图4可知,
GRB10在0、2和10周龄时,F系皮脂中的表达量最高,在2和10周龄时显著高于S3系和H系(
P<0.05);在5周龄时,S3系的表达量最高,显著高于其他2个品系(
P<0.05)。
PIK3R1在0和10周龄H系的表达量最高,显著高于S3系和F系(
P<0.05);在2周龄时,S3系的表达量最高,显著高于其他2个品系(
P<0.05);在5周龄时,F系的表达量最高,显著高于S3系和H系(
P<0.05)。
ULK2在0、2、5和10周龄中,F系的表达量最高,显著高于其他2个品系(
P<0.05)。
2.4.5 不同基因在腹脂组织中的表达
由
图5可知,
GRB10在各个周龄中,F系的表达量最高,S3系的表达量最低,F系显著高于S3系(
P<0.05);
PIK3R1在2和10周龄时,H系的表达量最高,显著高于其他2个品系(
P<0.05),5和15周龄时F系的表达量最高,5周龄时F系显著高于其他2个品系(
P<0.05);
ULK2在2和10周龄时,F系的表达量最高,其中2周龄时F系显著高于S3系(
P<0.05);在5和15周龄时,H系的表达量最高,15周龄时H系显著高于F系(
P<0.05)。
2.5 3个基因在不同类型细胞中的表达
2.5.1 不同基因在成肌细胞上的表达
由
图6可知,
GRB10在成肌细胞增殖期显著高于分化期(
P<0.05);
PIK3R1在成肌细胞的表达如杨苗苗等
[20]的结果所示,
PIK3R1在增殖期显著高于其他分化期(
P<0.05)。
ULK2在增殖期表达量显著高于分化期(
P<0.05)。
2.5.2 不同基因在肌内脂肪细胞上的表达
由
图7得知,
GRB10在肌内脂肪细胞增殖期50%表达量显著高于其他时期(
P<0.05)。
PIK3R1增殖期100 %显著高于增殖期50%和分化3、5 和7 d(
P<0.05)。
ULK2的表达量分化1 d显著低于增殖期(
P<0.05)。
2.6 3个基因的KEGG通路分析
由
表6得知
,GRB10富集在了mTOR信号通路;
PIK3R1主要富集到了磷脂酰肌醇信号系统、mTOR信号通路、胰岛素信号通路和肌动蛋白细胞骨架调节等信号通路;
ULK2富集到了自噬-动物和mTOR信号通路等信号通路,这3个基因共同富集在mTOR信号通路(
表6)。将富集在mTOR信号通路的全部基因,提交到STRING数据库,分析基因之间编码蛋白质的相互作用。聚类显示,
PIK3R1为MOCOE算法的第四簇,与INS(胰岛素),INSR(胰岛素受体)及IGFIR(胰岛素样生长因子1受体)形成互作关系环。
ULK2和
PIK3R1没有与通路上的基因形成互作关系。
2.7 不同基因与屠宰性状的相关性分析
将候选基因表达量与10和15周龄的屠宰性状进行相关性分析(
表7),结果表明,
GRB10表达与S3系鸡的腿肌率呈显著正相关(
r=0.74,
P<0.05);
ULK2表达与S3系鸡的腿肌重(
r=0.74)、腿肌率(
r=0.81)、腹脂重(
r=0.71)、腹脂率(
r=0.74)呈显著正相关(
P<0.05),与H系鸡的腹脂重呈显著正相关(
r=1.00,
P<0.05);
PIK3R1表达与S3系鸡的腿肌重(
r=0.75)、腿肌率(
r=0.89),与F系鸡的胸肌重(
r=0.85)、胸肌率(
r=0.84),H系鸡的胸肌率(
r=0.70)呈显著正相关(
P<0.05)。
3 讨 论
脂类在血液中存在和运输的形式有TG、TC、HDL-C和LDL-C,其含量的高低在一定程度上是机体脂肪代谢的水平的直接反映
[21]。家禽的身体是通过其TG的浓度来判断其对脂肪的摄取和代谢情况。一般而言,家禽机体TG含量水平越低,表示其脂代谢水平越高;反之,则越低。在血液中,LDL-C是一种重要的生物活性物质,它可以把肝脏产生的内源性胆固醇运输给机体的各个组织和细胞,用于代谢和利用,HDL-L的核心作用在于协助胆固醇从其周边组织转移至肝脏,以便于其再次被利用或排出体外
[22]。血液中高密度脂蛋白的浓度能够反映出动物体内胆固醇逆向转运的能力,高密度脂蛋白在血液中的浓度愈高,机体逆转胆固醇转运的功能也愈强。本研究结果表明TG、CHO、PL含量在不同品系鸡的不同发育时期胸肌组织中呈现动态变化规律,TG、TC、LDL-C和HDL-C含量在不同品系鸡的不同发育时期血清中也呈现出动态变化规律,胸肌中TG含量在2和15周龄时S3系显著最高,CHO在2和5周龄时H系显著最低,10周龄时CHO和PL的含量则是H系显著最高;血清中TG含量在5周龄时F系显著最高,15周龄时F系显著高于H系,LDL-C在2、5和15周龄时F系显著最高,HDL-C含量在15周龄时F系显著最高,本结果提示不同品系在不同发育时期表现出不同的脂肪沉积能力,从而影响各品系最终的脂肪沉积量。
有研究表明肌纤维是肌肉组织的重要组成部分,肌纤维的直径和密度与肉质的嫩度有重要相关,即肌纤维直径越小,密度越大,肉质越细嫩
[23]。H系的肌纤维直径最小,肌纤维密度最大,S系肌纤维直径最大,肌纤维密度最小,F系的肌纤维直径和肌纤维密度与S3接近,无显著差异。屠宰试验结果表明F系在体重、全净膛重、胸肌重、腿肌重、腹脂重均显著高于S3系和H系,全净膛率S3系显著高于H系和F系,本结果将为后期配套系组合中母系母鸡或父系母鸡的筛选提供数据参考。
对
GRB10、
ULK2和
PIK3R1富集的KEGG通路查询得知,这3个基因共同富集在mTOR信号通路。研究表明五味子B通过AMPK/mTOR通路激活自噬来抑制肝脂肪变性并促进脂肪酸氧化
[24];极低蛋白饮食通过部分依赖于下丘脑mTOR信号传导的机制诱导小鼠的食物摄入量和体重减少
[25];哺乳动物雷帕霉素靶标(mTOR)信号通路在调节蛋白质合成中起关键作用,以维持肌肉蛋白质周转和营养作用
[26];鱼蛋白通过Akt/mTOR信号通路促进骨骼肌肥大
[27],揭示mTOR通路在动物脂肪调控和肌肉发育过程中起重要的作用。本研究选择富集在mTOR通路上的
GRB10、
ULK2和
PIK3R1基因,研究3个基因在不同品系脂肪组织、肌肉组织、脂肪细胞和成肌细胞上的表达差异,对进一步丰富mTOR通路在脂肪沉积和肌肉发育中的功能具有重要的意义。本研究结果表明
GRB10、
ULK2和
PIK3R1在不同品系鸡肝脏、腹脂、胸肌、腿肌和皮脂组织均有表达,并呈现明显的品系和组织差异性。在肌内脂肪细胞中
GRB10在增殖期50%的表达量显著高于其他时期,
PIK3R1在增殖期100%表达量显著于其他时期,
ULK2在分化1 d时显著低于增殖期;在成肌细胞中
GRB10和
ULK2在增殖期也表现出显著高于分化期的趋势,
PIK3R1增殖期的表达量也高于分化期,
GRB10表达与S3系鸡的腿肌率呈显著正相关;
ULK2表达与S3系鸡的腿肌重、腿肌率显著正相关,
ULK2表达与S3系鸡腹脂重、腹脂率呈显著正相关,与H系鸡的腹脂重呈显著正相关;
PIK3R1表达与S3系鸡的腿肌重、腿肌率与F系和H系鸡的胸肌率呈显著正相关,以上结果提示,
GRB10、
ULK2和
PIK3R1不同程度地参与了鸡的肌肉发育和脂代谢过程,可作为鸡脂肪沉积和肌肉发育新的候选功能基因,后期将会通过功能基因敲减/过表达在脂肪细胞和成肌细胞上对3个基因的功能进行进一步地验证。
4 结 论
不同品系鸡在不同发育时期胸肌组织和血清中脂质指标呈现波浪式的变化规律;GRB10、ULK2和PIK3R1基因在肝脏、腹脂、胸肌、腿肌、皮脂组织、脂肪细胞和成肌细胞中均有较高的表达,并呈现显著地品系和组织差异性;GRB10、ULK2和PIK3R1表达均与胸肌和腿肌性状呈不同程度的显著相关,ULK2的表达与腹部脂肪性状显著相关,表明这3个基因可能在不同的发育时期不同程度地参与了肌肉发育和肌内脂肪沉积的调控,可作为鸡肌肉发育和肌内脂肪沉积新的候选基因。
“国家重点研发计划农业生物种质资源挖掘与创新利用”重点专项资助(2021YFD1200803)
现代农业产业技术体系建设专项(CARS-41-Z05)
江苏省种业振兴揭榜挂帅项目((JBGS(2021)109
JBGS(2021)029))