鱼类肌肉生长概述

鱼类肌肉生长概述摘要：在鱼类中，其肌肉体重占总体重的一半以上，因此该器官系统的大小变化被认为对其生长至关重要。

肌肉生长是一系列复杂过程后的最终结果，动物首先从环境中吸收营养，再将这些营养适当分配以增加肌细胞数量和大小。

本文简述了鱼类肌肉生长的理论基础及框架模型，旨在为鱼类增养殖提供一定的理论支持。

1.引言在许多鱼类品种中，生长是一种高度遗传的特性。

通过挑选一些生长速率更快的鱼类可以增加鱼类产量。

在水产养殖中，鱼类的快速生长是最重要的选择特征之一。

然而，使用所有鱼类个体含有相同基因组的同基因家系而带来的弊端，也说明了环境和生活史对于鱼类生长轨迹的影响是很重要的。

应激是影响生长最重要的生理因素之一，以及一些生物类应激源和非生物类应激源，包括一些日常孵化做法如处理和分级、水质较差和拥挤环境都能够抑制鱼类生长。

应激时，由于动物激活了一系列复杂的能量消耗途径以恢复体内稳态并保持其功能完整性，因此而改变了鱼类体内的能量状态。

由于某时刻动物可利用的生长能是一定的，应激的应对会浪费部分用于生长的能量基质，从而导致鱼类产量的减少。

动物面对所暴露的应激源时，能量需求的急剧增加为应激反应相关激素途径的激活所介导，包括下丘脑-垂体-肾间组织轴，导致皮质醇增加。

反过来，为了恢复稳态，该反应又会将能量基质动员和重新分配。

因此，应激和生长之间的联系错综复杂，并且本章突出介绍我们目前对于硬骨鱼中应激介导的生长抑制的研究，重点是皮质醇在肌肉中介导这些效应时所发挥的作用。

我们将本章分为三个主要部分：第一部分强调使用建模方法分析生长的资源分配；第二部分和第三部分描述了应激和/或皮质醇影响能量分配和调节生长促进剂时的潜在分子机制，从而分别影响肌肉生长。

本章还确定了主要的知识空白和未来的挑战方向。

2.生长的一种概念框架由于配子的生长已被讨论过，在这里，我们主要关注体细胞生长。

鱼类的生长被认为是长度和重量上的增加，这是一个复杂的过程，会被觅食活动、营养同化、能量基质分配和利用诸多因素所影响。

对于鱼类，其肌肉重量占比超过体重的一半，因此这种器官系统的大小变化对生长至关重要。

与其他动物模型不同，鱼类的生长是不确定性的，其既包括了新肌纤维的形成，也包括了现有肌纤维大小的增加。

虽然在大多数其他脊椎动物群体中，肌肉增生仅限于早期发育时期，但在硬骨鱼类中，成鱼50％以上的生长都是肌肉增生导致的。

因此，从生长的角度来看，鱼类结构的改变或许能最好地反映在肌肉蛋白质的增加中。

肌细胞中的大部分蛋白质合成发生在肌原纤维中并且与肌球蛋白重链蛋白质有关。

因此，MHC丰富度已经被提出作为结构生长以及支持结构如骨和软骨的标志物。

关于鱼类生长时的肌肉发育、结构和生理学的机制已有一些优秀的论述。

在本章中，我们主要关注于结构蛋白沉积时骨骼肌的生长，并且认为应激会影响整体能量的分配。

2.1生长的动态能量收支模型为了预测一定投喂量下的鱼体体重，如今已有多种模型用于表述生长。

其中，基于热力学定律的生物能模型可以定量评估动物生长期间不同过程中的能量分配，包括维持过程、生长过程、繁殖过程。

这些预测模型很好地符合了鱼类许多品种的生长曲线。

最近，动态能量收支模型对于生长预测愈加受到欢迎，因为该模型涵盖了生物体的整个生命周期并考虑了环境变量的影响。

这种模型已被广泛应用于包括硬骨鱼在内的多种脊椎动物物种。

表5.1 动态能量收支模型适用的鱼类品种品种学名欧鲽Pleuronectes platessa越洋公鱼Hypomesus transpacificus鲆鱼Platichthys flesus欧洲黄盖鲽Limanda limanda欧洲鳎Solea solea欧洲无须鳕鱼Merluccius merluccius胖头鱥Pimephales promelas小眼长臀鰕虎鱼Pomatoschistus microps小长臀鰕虎魚Pomatoschistus minutus绵鳚Zoarces viviparous短角床杜父鱼Myoxocephalus scorpius狼鲈Dicentrarchus labrax大西洋鳕鱼Gadus morhua大西洋鲱鱼Clupea harengus黍鲱鱼Sprattus sprattus欧洲鳀鱼Engraulis encrasicolus太平洋毛鳞鱼Mallotus villosus斑马鱼Danio rerio太平洋蓝鳍金枪鱼Thunnus orientalis细鳞大麻哈鱼Oncorhynchus gorbuscha红大麻哈鱼Oncorhynchus nerka银大麻哈鱼Oncorhynchus kisutch大麻哈鱼Oncorhynchus keta大鳞大麻哈鱼Oncorhynchus tshawytscha沙重牙鲷鱼Diplodus sargus金头鲷Sparus aurata泥荫鱼Umbra limiDEB描述了动物能量同化及其将能量分配给维持、生长和繁殖的速率，图5.1为其能量通路。

该模型假设能量供应由同化的营养素持续供应，且动物最大同化速率与其体表面积成正比。

能量同化是食物供应，摄取和肠道营养吸收能力共同的结果。

食物供应由外在因素决定，包括环境中的食物量以及因同类物种的密度和社会地位相关因素造成直接的食物竞争。

相反，摄食和营养吸收能力由内在因素决定，例如动物的食欲和活动，并受神经和内分泌系统的调节。

能量会被持续性分配到两个主要的区域，身体结构和成熟度，其中每个区域还需要分配一部分固定的维持能.结构区域包括了组成动物身体的所有成分，如肌肉和骨骼，而成熟度区域是指表示动物复杂性的一些组成成分，比如，其包括了脑部、免疫系统和性腺。

尽管后者仅占动物体重的一小部分，它们却消耗了大部分的能量。

比如，虽然人类大脑只占其体重的2％，但其消耗的能量占了能量消耗总量的20％。

在金鱼中也是如此，其大脑占总质量的1％，但消耗的能量却超过总能量预算的7％。

同样的，免疫系统的激活对于动物的质量占比很小，但其能量要求很高。

因此，成熟度所分配能量的增加对动物的良好发育是至关重要的，其会减少身体结构的资源分配额从而影响动物整体的生长。

图5.1 图为基于动态能量收支理论的鱼类能量流动图。

通过觅食，食物摄取和同化从环境中获取能量并将其转移到储备室。

然后将能量分配到结构或成熟度，并将其分配给维护部分。

在所提出的模型中，增长主要与结构所分配的能量额有关，因此其与蓝色能量路径正相关。

相反，分配给橙色隔室的能量增加时会对增长直接起反作用。

该图基于Kooijman提出的动态能量收支模型。

DEB模型还假设了要分配出结构和成熟度的一部分能量用作它们的维持能，并且重要的是，这部分能量往往是优先考虑的。

这可以在投喂限制的鱼类中得到说明，这时鱼类的生长和性成熟都会严重受损，这表明低能量摄入时，几乎没有能量分配给结构和成熟度。

不仅在常规的生长环境下，还在变化的环境中，DEB模型都可以充分理解分配给结构、成熟度和维持的能量额，为动物生长的预测提供了一种可行的工具。

在本篇综述中，动物从环境中汲取能量以形成肌肉结构的能力是鱼类生长最重要的一方面。

当应激增加能量消耗时，DEB 模型或许可以提供一个概念性框架，以探究应激源如何影响能量分配，继而影响生长。

2.2 肌细胞生长细胞增长要经历一系列复杂的过程，包括前体细胞的形成、增殖和分化，从而形成肌细胞，并与其他肌细胞形成多核细胞。

同样的，细胞肥大根本上是蛋白质沉积增加的结果，由蛋白质合成和蛋白质水解之间的平衡所调控。

我们才刚刚开始了解鱼类肌肉增生和肥大的机制。

2.2.1 成肌细胞的分化和融合与哺乳动物相反，鱼类增生性肌肉生长会发生在其整个生命周期中。

肌肉增生包含新生肌纤维的形成，并受到生肌调节因子的调控，包括肌源性分化蛋白、MYF5、肌细胞生成素和MRF4。

在哺乳动物中，MRF基因MYOD和MYF5是干细胞分化为肌源性祖细胞所必须的，并且MYOD/MYF5双敲小鼠会导致完全缺乏骨骼肌。

在骨骼肌生成期间，MYF5被发现是最先表达的，MYOD紧接其后。

在之后的肌肉发育期间，肌细胞生成素和MRF4调控从成肌细胞到肌细胞的分化，其后是细胞融合，这已经是肌生成过程的最后一步。

这4种MRFs已在鱼类中得到鉴定，并且它们的表达模式与哺乳动物肌肉生成过程中的表达模式相似。

肌细胞的融合是肌肉形成和发育过程中的基本步骤，也是一个高度调控的过程。

最近的研究表明，nephrin，KIRREL3L，myomaker和复杂的JAMB / JAMC蛋白在调节斑马鱼肌细胞融合中起着关键作用。

然而，关于应激和/或皮质醇刺激对于影响鱼类肌细胞生长和分化中所发挥作用的相关信息还很少。

2.2.2 肌肉分解组织蛋白质不断合成和降解，两个过程之间的平衡决定了肌肉的生长。

鱼类肌细胞中的蛋白水解似乎遵循在哺乳动物中观察到的一般机制，其中四种高度保守的系统发挥着最重要的作用，包括泛素-蛋白酶体系统，自噬-溶酶体系统，钙蛋白酶-钙蛋白酶抑制剂系统，以及凋亡蛋白酶系统。

其中，UPS和ALS最受关注，其占无血清鱼肌细胞总降解蛋白质的约55％。

研究表明，这两个系统受环境因素的调控，包括营养可用性和生长因子，这表明环境因素在肌肉生长和维持过程中发挥着关键作用。

UPS对于受损或存活时间较短的蛋白质的降解至关重要，其涉及两个主要步骤：通过多泛素化标记底物；通过蛋白酶体复合物降解。

第一步允许UPS成为选择性靶向蛋白，并通过涉及泛素连接酶的多步途径进行，包括两种在鱼组织中表达的蛋白质：ATROGIN-1和肌肉RING指蛋白-1。

然而，除了它们的表达之外，关于在鱼中起作用的UPS的潜在分子机制，目前可获得的信息有限。

与UPS不同，ALS是一种复杂的，绝大部分具有非特异性的系统，其可以降解细胞质的部分物质，并且在回收大型蛋白质和不是UPS目标的细胞器中起主要作用。

首先，其产生双脂质膜并在细胞内底物周围延伸，形成自噬体囊泡，将底物与细胞质隔离。

ALS所涉及的分子机制在酵母中进行了彻底研究，证明了自噬相关蛋白对于囊泡的形成所发挥的核心作用。

自噬体的形成始于ATG1复合物的组装，从而产生噬菌体组装位点或前自噬体结构。

然后由酶Vps34）与ATG6相结合来驱动吞噬体的延长，形成酵母和哺乳动物自噬所需的复合物。

复合物ATG2-ATG18 / WIPI被招募并且是自噬体成核所必需的。

在自噬体扩张期间，ATG8通过ATG12 / ATG5复合物与磷脂酰乙醇胺结合，使ATG8锚定在自噬体膜上并控制扩张。

哺乳动物表达了几种ATG8直系同源物，其中最重要的是LC3和GABARAP。

所有这些ATG在真核生物中都是高度保守的，并且最近已在硬骨鱼类中进行了鉴定。

表5.2 鱼中检测到的自噬相关蛋白及其在酵母中的同源物酵母蛋白鱼类相关蛋白品种组织ATG8 LC3B 虹鳟原代培养的成肌细胞和白肌LC3B 斑马鱼胚胎细胞LC3 斑马鱼胚胎GABARAPL1 虹鳟原代培养的成肌细胞和白肌GABARAP 斑马鱼胚胎ATG12 ATG12L 虹鳟原代培养的成肌细胞和白肌ATG12 斑马鱼胚胎ATG4 ATG4B 虹鳟原代培养的成肌细胞和白肌ATG5 ATG5 斑马鱼胚胎ATG5 智利羽鼬鳚原代培养的成肌细胞和白肌ATG7 ATG7 斑马鱼胚胎ATG6 POBECLIN1 牙鲆鳃BECLIN1 斑马鱼胚胎BECLIN1 草鱼肾脏ATG1 ULK1A 斑马鱼胚胎ULK1B 斑马鱼胚胎ATG9 ATG9A 斑马鱼胚胎ATG9A 斑马鱼胚胎ATG16 ATG16L1 智利羽鼬鳚原代培养的成肌细胞和白肌虽然ALS在鱼类肌肉生长调节中的作用尚不清楚，但其中重要蛋白质的高度保守性表明调节机制可能与哺乳动物相似。