肌内脂肪即沉积于肌纤维内的脂滴以及位于肌纤维之间和肌束之间的肌细胞膜、肌内膜和肌束膜上的脂肪,是决定肉品质的关键因素之一[1]。肌内脂肪含量显著影响肉的大理石纹、嫩度、系水力、多汁性和独特风味。随着人们生活水平的提高,消费者对高品质肉类的需求日益增加,其中大理石纹作为消费者选购肉类时的一个直接参考指标[2]。肌内脂肪的分布是形成大理石花纹的关键,而其适宜的含量和适中的分布不仅有助于肉呈现出均衡丰富的口感,同时还有助于保持肉质鲜美多汁的特点。肌内脂肪细胞由间充质干细胞发育而来。在胚胎发育过程中,间充质干细胞分别发育形成成肌祖细胞和成纤维/成脂肪祖细胞,成肌祖细胞进一步发育成肌纤维、肌内棕色脂肪细胞和卫星细胞,成纤维/成脂肪祖细胞则发育成为成纤维细胞和白色脂肪细胞。由于成肌细胞和成纤维/成脂肪祖细胞都来源于间充质干细胞,因此调控间充质干细胞定型成为成纤维/成脂肪祖细胞可能是有效促进肌内脂肪沉积的手段[3]。脂肪细胞的分化定型以及脂肪的沉积具有一定的时序性,首先形成的是内脏脂肪细胞,随后是皮下脂肪细胞、肌间脂肪细胞,最后是肌内脂肪细胞。从胎儿出生前至断奶阶段是肌内脂肪细胞形成的关键时期。在牛胚胎发育过程中,肌内脂肪细胞最早在妊娠第180天左右出现,持续到出生后的第250天都是肌内脂肪细胞的增殖阶段。在动物断奶后的生长发育过程中,脂肪的沉积主要通过增加细胞内脂滴的数量致使细胞肥大来实现[4]。影响肌内脂肪形成的因素众多,其中营养因素对肌内脂肪沉积的影响最为直接。维生素A是一类具有视黄醇生物活性的化合物,其代谢产物包括视黄酸、视黄醛、全反式视黄酸和9-顺式视黄酸等。维生素A对畜禽生长发育至关重要,且畜禽无法自行合成,必须通过外界摄入。已有研究证实,维生素A能够影响畜禽肌内脂肪的沉积,且在不同的生长阶段添加不同剂量的维生素A对肌内脂肪沉积的效果存在差异[5]。因此,本文旨在综述维生素A对畜禽肌内脂肪沉积的影响及其调控机制,以期为深入研究营养调控畜禽肉品质提供参考,同时为探索畜禽肌内脂肪沉积的调节机制提供理论依据。
1 维生素A对畜禽肌内脂肪沉积的影响
1.1 母体妊娠阶段补饲维生素A对其子代肌内脂肪沉积的影响
肌内前体脂肪细胞的发育主要集中在妊娠晚期至断奶早期。这一阶段的母体营养管理对胎儿肌内前体脂肪细胞的形成起着关键作用,因为它不仅影响肌内前体脂肪细胞的数量,而且还会影响大理石花纹的形成。Jo等[8]以韩国本地肉牛为研究对象,在妊娠期间补充维生素A,发现可增加犊牛的出生体重和与肌肉和前体脂肪细胞发育相关基因的表达;在其子代31日龄时,维生素A补饲组背最长肌中过氧化物酶体增殖激活受体γ(PPARγ)、Krüppel样转录因子2(KLF2)和细胞外信号调节激酶(ERK)的表达水平显著升高;KLF2和ERK2基因在胚胎发育阶段和脂肪发生中至关重要,KLF2的高表达表明细胞维持在前体脂肪细胞状态。Wang等[9]对妊娠小鼠进行维生素A给药后发现,维生素A处理能够提高子代的初生重和断奶重,激活血管内皮生长因子A(VEGFA)和血管内皮生长因子受体2(VEGFR2)的信号传导,促进毛细血管生长,增加血小板衍生生长因子受体α(platelet derived growth factor receptorα,PDGFRα)阳性细胞的数量,并显著提高前体脂肪生成相关基因前脂肪细胞因子-1(Pref-1)、性别决定区Y框蛋白9(SOX9)、KLF2的表达以及成熟脂肪细胞标志基因PPARγ、葡萄糖转运子蛋白4(GLUT4)、脂肪酸结合蛋白4(FABP4)的表达。以上研究结果表明,对于小鼠和肉牛在妊娠晚期补充维生素A能够促进子代肌内前体脂肪细胞的发育。然而,对于其他畜禽的影响还需要进一步研究。此外,妊娠晚期补充维生素A的最佳补充剂量和时间尚不明确,需要更多的研究来确定最适宜的补充方案。同时,维生素A对子代的长期效应也需要通过更多研究来全面评估。
1.2 动物初生阶段补充维生素A对肌内脂肪沉积的影响
在畜牧生产中,肌内脂肪的沉积对于改善肉品质和大理石纹的形成至关重要。近年来,研究发现在动物初生阶段补充维生素A可调控肌内脂肪细胞的生成,促进肌内脂肪沉积[10]。在哺乳期间的大鼠幼崽每天补饲视黄醇棕榈酸酯,断奶时维生素A补饲组与对照组的体重没有显著差异,但维生素A补饲组大鼠的脂肪细胞数量和细胞增殖潜力显著高于对照组[11]。Harris等[12]研究表明,安格斯犊牛在出生和1月龄时分别肌肉注射150 000 IU维生素A可显著提高犊牛断奶时的体重,增加在438日龄屠宰时背最长肌的肌内脂肪含量。犊牛在出生第5天至2月龄期间每天补饲45 000 IU维生素A,可以在不影响其健康状况下提高生长性能,并促进背最长肌中与前体脂肪细胞发育相关基因锌指蛋白432(Zfp423)、ERK1、ERK2、Pref-1的表达,而脂肪沉积相关基因PPARγ、FABP4、CCAAT/增强子结合蛋白α(C/EBPα)的表达差异无统计学意义,表明犊牛初生阶段补充维生素A可促进前体脂肪细胞的发育,而对成熟脂肪细胞的影响不大[13]。进一步的研究在初生羔羊上也观察到了类似的结果。初生羔羊在1和30日龄时分别灌服30 000 IU维生素A,断奶后发现,通过灌服维生素A可显著提高其背最长肌中Zfp423和PPARγ的表达,进而促进了肌内脂肪的沉积[14]。羔羊出生时肌肉注射维生素A可以通过提高背最长肌的粗蛋白质、肌内脂肪含量和抗氧化能力来改善羔羊肉质[15]。张腱皓[16]研究表明,滩羊哺乳期补饲维生素A可提高羊肉的肉色和嫩度。由此可见,在畜禽生长发育的早期,通过补饲或肌肉注射补充维生素A不仅会提高畜禽的生长性能,还会促进肌内前体脂肪细胞生成相关基因的表达,增加前体脂肪细胞的数量和改善肉品质,但维生素A具体如何调控肌内前体脂肪细胞的生成还需进一步探索。
在探索畜禽肌内脂肪沉积的机制中,血管生成与脂肪生成的相互作用是一个重要的研究领域。血管生成与脂肪生成过程紧密相连,正是通过这些血管,营养物质和未分化的细胞被输送到脂肪组织。研究表明,位于血管壁中的细胞对脂肪细胞的生成产生促进作用[17]。此外,维生素A可能通过刺激血管的生成来促进肌内脂肪细胞数目的增多。犊牛出生时肌肉注射300 000 IU维生素A,在40日龄和断奶时,显著提高背最长肌中脂肪沉积相关基因PPARγ、Zfp423、FABP4和固醇调节元件结合蛋白1(SREBP1)的表达水平,以及PDGFRα和血管生成基因VEGFA的表达,促进肌内前体脂肪细胞的生成,提高肌内脂肪含量,有助于形成大理石花纹[18]。同年也有研究表明,在犊牛出生时和1月龄时分别肌肉注射150 000 IU维生素A,肌内甘油三酯含量较对照组提高了45%,而对整体脂肪含量没有影响;此外,维生素A通过上调VEGFA和VEGFR2的表达,促进毛细血管的发育,增加PDGFRα阳性细胞数量并促进肌内脂肪生成;然而,脂肪细胞最终分化阶段,视黄醇下调PPARγ和C/EBPα的表达,抑制脂质积累;从肌肉分离脂肪组织基质血管组分(stromal vascular fraction,SVF)细胞,在3D系统中培养SVF细胞并诱导血管和脂肪生成,发现视黄酸在脂肪生成的早期促进脂肪细胞和血管的生成,但在分化的终末阶段抑制脂肪细胞肥大,当VEGFA/VEGFR2信号传导被血管内皮生长因子抑制剂SU5416阻断时,维生素A未能促进血管生成和随后的脂肪生成,表明毛细血管及其生长因子在肉牛大理石花纹发育中起重要作用[19]。
以上研究表明,在畜禽生长发育的早期补充维生素A可通过上调VEGFA基因表达,刺激肌内毛细血管发育,从而增加肌内脂肪前体细胞数量并促进脂肪细胞形成,进而促进畜禽晚期肌内脂肪的沉积。尽管这些研究取得了一定的进展,但仍存在一些不足和问题。目前的研究多集中于反刍动物,对于其他畜禽品种的研究还相对较少,需要扩大研究范围。此外,维生素A对脂肪生成和血管生成的相互作用,还需要进一步深入探究。
1.3 畜禽育肥阶段补饲维生素A对肌内脂肪沉积的影响
高水平的维生素A能抑制脂肪细胞分化。添加维生素A使牛前体脂肪细胞中脂肪生成的生物标志物甘油醛-3-磷酸脱氢酶的活性降低[20]。在实际的畜牧生产中,维生素A的摄入与肉品质之间存在复杂的关系。在日本黑牛的研究中发现,15月龄后观察到血清维生素A含量与胴体大理石花纹评分之间存在负相关关系,提示维生素A可能对育肥牛肌内脂肪的沉积有抑制作用[21]。在以大麦为基础的饲粮中补充维生素A虽然提高了血清视黄醇含量,但并未改善生长性能,反而减少了胴体大理石花纹的形成[22]。在育肥猪的低蛋白质饲粮中分别添加3 000和6 000 IU/kg维生素A,结果显示,第10肋背膘厚度分别下降了11.9%和13.2%,并显示出降低肌内脂肪含量的趋势[23]。
在畜禽育肥阶段,适当限制维生素A添加水平可增加肌内脂肪的沉积,而对皮下和内脏脂肪的沉积无影响。相较于高剂量补饲维生素A的牛,低剂量补饲维生素A的牛大理石花纹评分更高,而未影响其他部位的脂肪沉积[24⇓-26]。低剂量维生素A的添加可改善牛肉的色泽、脂肪抗氧化能力、嫩度和系水力。研究表明,限制饲粮中维生素A添加能显著提高12月龄利鲁杂交阉牛背最长肌和臀中肌中肌内脂肪含量,有利于提高大理石花纹的评分等级,且对于牛肉的色泽、抗氧化性以及嫩度等都有所提升;然而,饲粮中不添加维生素A,牛肉的品质却不如添加1 100 IU维生素A的效果好,且缺乏维生素A超过150 d后会导致阉牛出现严重的临床缺乏症;此外,限制维生素A的摄入对牛肉营养成分以及眼肌面积、胴体重、屠宰率等常规屠宰指标无不良影响[27]。李军涛[28]以15月龄的安格斯和秦川黄牛杂交的一代肉牛为研究对象,分别饲喂添加0、1 100、2 200、4 400 IU/kg DM维生素A的饲粮,结果显示,1 100 IU/kg DM维生素A饲粮有利于牛大理石花纹的形成,并改善背最长肌和臀中肌的牛肉色泽、脂肪抗氧化能力和系水力,降低背膘厚和滴水损失。在其他畜禽育肥期限制维生素A的摄入中得到了类似的结果。限制杂交育肥猪(大白×长白×杜洛克)饲粮中维生素A的添加,能够提高背最长肌中肌内脂肪含量,而对生长性能和胴体品质无不利影响[29]。此外,限制维生素A的摄入还可提高猪肉中饱和脂肪酸的含量[30]。这表明,在实际的畜禽养殖中,在育肥期可适当地限制饲粮中维生素A的水平,这不仅有利于养殖成本的降低,还有利于提高其肉质,生产高品质肉产品。
畜禽限制或补充维生素A的适宜日龄被认为是影响肌内脂肪含量的重要因素。Oka等[21]认为,在和牛15~29月龄期间限制饲粮中维生素A的水平可以促进肌内脂肪的生成,但23~29月龄期间限制维生素A的摄入对肌内脂肪的含量没有显著影响。Kawachi[31]报道,在13~19月龄期间限制肉牛饲粮中维生素A的水平会提高肌内脂肪含量。然而,在育肥后期,持续减少饲粮中维生素A的供给并非推荐做法,因为这样可能会引发关节炎、肌肉水肿等疾病的发生,进而影响畜禽生长速率和胴体品质。以日本和牛为例,养殖者通常在11~30月龄期间饲喂精料,以促进肌内脂肪的沉积,但仅在育肥中期限制维生素A的摄入[32]。Wang等[33]分别研究了不同生长阶段(12和24月龄)和补充不同水平维生素A(0、1 100、2 200和4 400 IU/kg DM)对利木赞×鲁西杂交育肥肉牛生长性能、胴体特征和肉品质的影响,结果表明,适量补充维生素A(2 200 IU/kg DM)可以提高12月龄肉牛的平均日增重,而过量补充(4 400 IU/kg DM)则会降低平均日增重。也有研究建议,在育肥阶段饲粮中维生素A的含量为3 300~7 260 IU/kg[34]。在畜禽育肥期间,通过调整饲粮中维生素A的供给量,可以有效促进肌内脂肪的沉积,这一发现为改善肉质提供了新的思路。然而,当前在研究畜禽饲粮中补充或限制维生素A的措施上仍存在一些问题和不足。尽管限制维生素A的摄入有助于促进肌内脂肪的沉积,但维生素A的限制水平在不同畜禽品种和不同生长阶段可能存在差异,需要进一步研究以确定最适的补充或限制水平。
Kruk等[35]研究发现,12月龄的安格斯阉牛在限制维生素A摄入10个月后,肌内脂肪含量增加了46%;通过计算机图像分析大理石花纹图像发现,这归因于维生素A的限制摄入会增加大理石花纹斑点的数量和增大大理石纹斑点的形状,而未影响肌内脂肪细胞和皮下脂肪细胞的大小。这表明,维生素A影响大理石纹斑点的数量和大小与脂肪细胞的增殖有关,这也许可以解释为什么限制维生素A特别影响肌内脂肪的沉积而不是皮下脂肪沉积。不同品种的畜禽对限制同等水平维生素A的肌内脂肪沉积效果存在差异。育肥期间限制维生素A的摄入对和牛和安格斯牛的大理石花纹形成有积极作用,但对韩牛的大理石花纹形成无显著影响[36]。Knutson等[37]研究表明,限制维生素A的摄入可促进安格斯牛大理石花纹的形成,而对西门塔尔牛则无显著影响,表明降低维生素A的水平对高大理石花纹倾向的品种效果更为显著。
根据上述研究结果,育肥阶段过量添加维生素A可能会降低机体肌内脂肪含量。相反,适量限制维生素A的摄入则可能提高肌内脂肪含量,抑制脂肪动员和脂质分解,同时不会对其他部位的脂肪沉积产生影响。因此,在适当的育肥期内适量限制饲粮中维生素A的水平,可以为生产者提供一种有效的方法,以提升高品质肉类的生产效率和大理石花纹的水平。
2 维生素A调节畜禽肌内脂肪沉积的作用机制
2.1 维生素A介导表观遗传修饰调控脂质相关基因转录表达
表观遗传修饰涉及DNA甲基化、组蛋白修饰、染色质重塑和非编码RNA的调控等多种机制[38]。营养因素在畜禽肌内脂肪沉积中扮演着至关重要的角色[39]。维生素A作为一种关键营养因素,通过表观遗传调控机制影响脂肪形成和脂质代谢的关键基因,提高肌内脂肪含量和改善肉品质[40]。Zfp423能促进脂肪祖细胞向脂肪前体细胞的分化,脂质含量高的脂肪细胞Zfp423表达量同样较高[41-42]。Zfp423启动子上存在丰富的胞嘧啶-磷酸-鸟嘌呤(cytosine-phosphoric acid-guanine,CpG)位点[43]。多梳抑制复合物2(polycomb repressive complex 2,PRC2)在Zfp423表达和脂肪成脂过程中扮演着关键的中介角色[44]。PRC2的DNA结合亚基及其DNA结合活性对于细胞中染色质结合和CpG靶向至关重要[45]。PRC2可通过对组蛋白进行甲基化修饰,改变染色质结构,实现特定基因的表达沉默状态。PRC2的核心亚基之一是多梳抑制复合物2亚基增强子(enhancer of zeste 2 polycomb repressive complex 2 subunit,EZH2)[46]。它可使组蛋白H3第27位赖氨酸残基发生一、二、三甲基化(H3K27mel、H3K27me2、H3K27me3),从而抑制基因表达[47]。PRC2与Zfp423启动子中的CpG位点结合,导致Zfp423启动子内组蛋白的甲基化,进而抑制脂肪生成。维生素A的存在会促使PRC2复合物从Zfp423启动子上解离,引发组蛋白去甲基化反应,提高Zfp423的表达,促进脂肪的合成[48]。研究显示,Zfp423启动子区域的H3K27me3和EZH2的mRNA表达水平和蛋白含量较低,与Zfp423较低的DNA甲基化和较高的mRNA表达量相一致,且Zfp423的表达会促进成脂相关基因PPARγ的表达[49]。
综上所述,维生素A通过调控甲基化影响脂肪细胞中Zfp423等基因的表达,进而调节脂质沉积。DNA甲基化和去甲基化在调控动物肌内脂肪沉积中扮演关键角色,但相关研究还不太深入,其具体作用和机制尚未完全明确,仍需深入研究和探索。
2.2 维生素A介导转录因子调控脂质相关基因转录表达
转录因子是一类具有特殊结构的蛋白质,它们通过与DNA序列的特定区域结合,形成激活或抑制转录的复合物,以此调节基因的表达。脂肪生成过程受到多种转录因子的精确调控,包括PPARγ、Pref-1、SREBP1和激活蛋白-1(activator protein-1,AP-1)等[50]。
2.2.1 过氧化物酶体增殖激活受体(PPAR)
2.2.2 Pref-1
2.2.3 SREBP1
SREBP1在脂肪组织中具有高表达水平,并且直接调控多个关键的脂质代谢基因的表达。研究表明,猪背最长肌中SREBP1的表达与肌内脂肪含量呈正相关[59]。在猪原代肌内脂肪细胞中,抑制SREBP1表达会导致其相互作用的基因PPARγ和C/EBPα,以及与脂肪生成相关的基因脂肪酸合成酶(FAS)、FABP4和细胞死亡诱导DFFA样效应子C(cell death inducing DFFA like effector C,CIDEC)的表达均显著降低,同时显著减少脂肪沉积,表明SREBP1通过调控与脂质沉积相关基因的表达,影响肌内脂肪细胞的脂质沉积[60]。全反式视黄酸可以通过RXR诱导SREBP1表达,从而上调成脂基因相关的表达[61]。此外,视黄酸本身也可通过调节SREBP1表达来影响脂质积累[62]。
2.2.4 AP-1
AP-1是一种异二聚体蛋白转录因子,由3种不同的Jun蛋白(c-Jun、JunB和JunD)和5种不同的Fos蛋白(C-Fos、V-Fos、FosB、FRA1和FRA2)共同组成[63-64]。研究表明,C-Fos参与调节脂肪细胞生长和分化,对启动脂肪细胞发育所需的一系列特异性转录因子级联至关重要[65]。在山羊的肌内前体脂肪细胞中,过表达C-Fos显著下调PPARγ、CCAAT/增强子结合蛋白β(C/EBPβ)、C/EBPα、脂肪细胞蛋白2(adipocyte protein 2,AP2)、SREBP1等成脂标志基因的表达,并抑制肌内前体脂肪细胞脂质积累,干扰C-Fos后显著促进脂质沉积[66]。此外,C-Fos在PPARγ、C/EBPβ和C/EBPα启动子上有多个潜在结合位点。全反式视黄酸通过增强RARγ和C-Fos蛋白之间的相互作用,降低C-Fos与PPARγ2启动子的结合活性,进而导致PPARγ2表达下调并抑制脂肪细胞分化[67]。
综上所述,转录因子在脂肪生成和分化中发挥着重要作用,维生素A可通过调控PPARγ、Pref-1、SREBP1、AP-1的表达影响脂肪合成代谢。
2.3 维生素A介导信号通路调控脂质相关基因转录表达
2.3.1 MAPK信号通路
多种信号通路直接或间接影响肌肉内脂肪的积累过程。丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)家族,包括ERK、c-Jun氨基末端激酶(c-Jun N-terminal kinase,JNK)和p38丝裂原激活蛋白激酶(p38 mitogen-activated protein kinases,p38 MAPK)在脂肪生成过程中发挥着重要的作用[68]。研究表明,在肌肉损伤修复模型试验中,抑制p38 MAPK可显著下调PPARγ和C/EBPα以及CD36的表达,从而减少肌内甘油三酯的含量[69]。在肉鸡中可通过p38 MAPK/ATF2信号通路调控肌内脂肪的沉积[70]。通过对牛的背最长肌进行蛋白组学测序分析发现,肌内脂肪沉积含量与MAPK通路相关的蛋白表达成正比,表明MAPK通路可能通过调节脂肪生成相关基因的表达来影响脂肪沉积[71]。视黄酸可通过伯基特淋巴瘤受体1(Burkitt lymphoma receptor 1,BLR1,也称为CXCR5,是一种推定的蛇形异源三聚体G蛋白偶联的CXC趋化因子受体)调控细胞丝裂原活化蛋白激酶激酶(MEK)的表达,影响细胞的生长周期和分化[72]。
2.3.2 核因子-κB(NF-κB)信号通路
2.3.3 Janus蛋白酪氨酸激酶(JAK)/信号转导与转录激活子(STAT)信号通路
JAK/STAT信号通路被广泛认为是细胞信号传导的关键枢纽。JAK家族包括4个非受体酪氨酸激酶成员:JAK1、JAK2、JAK3和TYK2;STAT家族由7个不同的因子构成,包括STAT1、STAT2、STAT3、STAT4、STAT5a、STAT5b和STAT6[75]。视黄醇与视黄醇结合蛋白4(retinol binding protein 4,RBP4)结合后,通过血液循环运输到靶细胞外,被细胞膜上的蛋白——受视黄酸刺激6(stimulated by retinoic acid 6,STRA6)转运到细胞内。研究表明,STRA6不仅是视黄醇的转运蛋白,RBP4和视黄醇的复合物还能诱导STRA6磷酸化,激活JAK2和STAT5的磷酸化,激活的STAT5易位到细胞核中调节靶基因的表达,从而上调抑制胰岛素信号传导的细胞因子信号转导抑制因子3(suppressor of cytokine signaling 3,SOCS3)和PPARγ的表达,促进脂质的积累[76]。
2.3.4 Wnt信号通路
综上所述,多种信号通路在肌肉内脂肪积累过程中发挥关键作用。维生素A可介导MAPK、NF-κB、JAK/STAT、Wnt信号通路等,调控脂质相关基因转录表达,调节肌内脂肪沉积。这些信号通路在肌肉内脂肪形成过程中发挥着重要作用,为调控肌肉脂肪沉积提供了新的研究视角。
3 小结与展望
综上所述,维生素A在调节畜禽肌肉内脂肪沉积方面扮演着重要角色。在畜禽不同的生理阶段,补充维生素A对其肌肉内脂肪生成的作用不同。在妊娠和初生阶段,维生素A的补充有助于肌内前体脂肪细胞的生成,从而在育肥阶段促进肌肉脂肪的沉积;相反,在育肥阶段限制维生素A的摄入,能够促进肌内脂肪的合成,同时抑制脂肪的动员和分解过程。尽管在探讨维生素A对肌内脂肪积累的调控作用及其分子机制方面已有众多研究,并取得了一定的成果,但仍有许多问题亟待解决。例如,维生素A如何精准调控肌内脂肪的沉积,以及其与脂肪细胞因子和脂肪代谢产物之间的相互作用和转录激活机制;同时,维生素A与其他营养物质之间的协同效应及其对肌内脂肪沉积的联合影响也需进一步研究。未来的研究应深入探讨这些关键问题,以阐明维生素A如何精确调控畜禽肌内脂肪沉积,进而提高肉品质,为维生素A在畜禽肉品质营养调控方面的深入研究奠定理论基础。