维生素A调节肉内脂肪组织和肌肉发育:促进高质量的牛肉生产

Dong Qiao Peng , Stephen B. Smith and Hong Gu Lee，2021

引言

在牛的生长过程中，肌内脂肪组织和肌肉的发育取决于细胞增生（脂肪细胞数量增加）和肥大（脂肪细胞大小增加）。根据先前研究的结果，其他脂肪组织仓库（例如，肾周和皮下）主要从胎儿阶段发展为棕色脂肪组织。肌内脂肪的增生阶段被认为是从妊娠晚期开始发展的，但没有证据表明肌内脂肪组织最初发育为棕色脂肪组织。肌肉内脂肪的增生性生长会持续到断奶后，并且取决于向谷物为主日粮过渡的时间；此后，肌内脂肪的后期发展以组织肥大为主。对于肌肉发育，成肌细胞的增生从早期（在胚胎体节发育之后）持续到妊娠中期，之后肌肉的生长是肌纤维肥大。维生素 A 是一种脂溶性化合物，是正常免疫功能、视力、细胞增殖和分化所必需的。在这里，我们回顾了维生素 A 在牛的肌内脂肪组织和肌肉发育中的作用。维生素 A 在体外调节增生和肥大实验。早期补充维生素A和育肥期限制维生素A对肉牛产生相反的效果。在一些体内试验中，适当的维生素 A 补充和限制策略会增加肌内脂肪组织的发育（即大理石花纹或肌内脂肪）。此外，在体外试验中，成肌细胞/肌管的增生和肥大受到维生素 A 的影响。此外，一些研究报告了酒精脱氢酶 1C (ADH1C) 基因型和维生素 A 饲料限制之间的相互作用，为促进大理石花纹和/或肌肉内脂肪组织的发展，这取决于维生素 A 限制的时间和水平。因此，维生素A的饲喂策略对牛的大理石花纹和肌肉发育有明显的影响，有助于提高牛肉的品质。

介绍

近年来，随着国民经济水平的提高，越来越多的消费者愿意为高品质的牛肉买单，肉牛生产者也从高品质的牛肉生产中受益。在肉牛生产中，牛肉质量和数量是美国、韩国、日本等许多国家牛肉分级制度中最关键的两个因素。维生素A是一种脂溶性维生素，是维持牛健康视力和主要生理功能的必要物质。首次在日本阉割和牛胴体中发现维生素A与大理石纹评分呈负相关。大量关于育肥期肉牛维生素A限制策略下脂肪细胞发育的研究以及体外模型研究支持了这一结论。此外，在人体和大鼠细胞模型的体外试验表明，维生素A上调前脂肪细胞基因，但会下调脂肪的生成水平。此外，最近对安格斯肉牛的研究报告称，仅在出生阶段补充维生素A可促进最终大理石花纹的发育。综上所述，维生素A饲喂策略对不同阶段肉牛大理石纹发育有不同的影响。与此同时，在体内和体外研究中也研究了维生素A供体与肌肉发育之间的关系。这些研究表明，维生素A对肉牛的脂肪细胞和肌肉发育有积极的影响。

维生素A的消化、代谢和生理功能

维生素A是一种脂溶性化合物，许多动物都需要它，包括反刍动物。反刍动物可以从植物来源(如类胡萝卜素，或维生素原A)和饲料添加剂(如视黄醇或视黄醇酯，或预制维生素A)中吸收维生素A。在反刍动物体内，维生素A化合物进入小肠后，含有消化脂质成分的混合胶束被运输到肠粘膜细胞。在肠上皮细胞(粘膜细胞)中，类胡萝卜素和预形成的维生素A在多种酶的作用下转化为视黄醇或视黄醇酯，包括β-胡萝卜素15,15 ' -单加氧酶、卵磷脂:视黄醇酰基转移酶和酰基辅酶A：视黄醇酰基转移酶。视黄酯主要通过淋巴循环系统转运至各种组织，包括肝脏，但也以乳糜粒的形式存在于血管系统中。在肝细胞中，乳糜微粒残余物中含有的视黄醇酯被吸收并水解为视黄醇，用于其他靶点的进一步生理功能细胞。视黄醇转运到靶细胞后，可被视黄醇(retinol dehydrogenase, RDH)和醇脱氢酶(alcohol dehydrogenase, ADH)可逆氧化成视网膜。视黄醛被醛脱氢酶(RALDH或ALDH)氧化后可转化为视黄酸。

维生素 A 的许多生理功能是通过视黄醛和视黄酸实现的。视黄酸通过与视黄酸反应元件、视黄酸受体 (RAR)、类视黄酸 X 受体 (RXR) 结合的因子调节基因表达。全反式和 9-顺式视黄酸是调节基因表达的主要亚型。此外，细胞视黄酸结合蛋白（CRABP1 和 2）可有效结合视黄酸并参与将视黄酸转运至细胞核。之前的论文综述了 CRABP1 可以通过调节视黄酸的分解代谢来平衡视黄酸的浓度，并通过 CRABP1-视黄酸复合物介导视黄酸的非转录功能。 CRABP2 可能通过将视黄酸传递给 RAR 来抑制细胞增殖，这也参与前脂肪细胞分化的调节。多余的视黄醇在重新酯化为视黄酯后储存在肝脏的星状细胞中。肝脏是维生素 A 的主要储存场所，95% 以上的维生素 A 以视黄酯的形式存在于肝脏中；星状细胞约占视黄醇酯总储存量的大约80%。

维生素 A 的多种生理功能已经确定。维生素 A 参与用于夜视的视紫红质（视觉紫色）的形成，并且是正常上皮细胞功能所必需的。维生素 A 和类胡萝卜素通过清除过氧自由基和单线态氧而具有抗氧化活性。其他研究表明，类视黄醇通过细胞溶质视黄醇结合蛋白和细胞溶质视黄酸与细胞增殖、分化和基因表达有关。

犊牛在胎儿期和出生后脂肪组织和肌肉组织的发育

胎儿期和出生后棕色和白色脂肪组织的发育

棕色脂肪组织 (BAT) 和白色脂肪组织 (WAT) 在牛的妊娠中期或晚期发育。肾周脂肪组织最初与 BAT 不同，但皮下脂肪组织也表达解偶联蛋白-1（UCP1，BAT 的标志）并含有棕色和白色脂肪细胞的混合物。WAT负责储存能量，BAT主要负责新生儿热量来源，WAT 和 BAT 都对母体营养和内分泌环境敏感 。脂肪组织质量的增加涉及增生（细胞数量增加，即脂肪细胞祖细胞增殖）和肥大（细胞大小增加，即脂肪生成和甘油三酯积累）。

活畜动物的脂肪组织有四种主要类型：内脏、皮下、肌肉间和肌肉内脂肪组织（也称为大理石花纹）。内脏脂肪组织（在本讨论中包括肾周脂肪组织）首先发育，然后是育成牛的皮下、肌间和肌内脂肪。如上所述，新生犊牛的皮下脂肪组织（可能还有接缝脂肪组织）含有棕色和白色脂肪细胞的混合物，这可能与胎儿期作为 BAT 的表现不同。但是，胎儿肌肉不表达UCP1，因此胎儿肌肉的发育不太可能是在胎儿初期发育为BAT的肌内脂肪组织。肌肉内脂肪组织的祖细胞存在于牛肌肉中，但脂质合成和甘油三酯积累发生在断奶后，直到小牛过渡到高能量、以玉米为基础的日粮。皮下和肌肉内脂肪组织（可能还有所有脂肪组织库）保留了在成年牛中增殖的能力，因此牛脂肪组织质量最初通过增生增加，然后主要通过肥大而增加。

胎儿期和出生后的肌肉发育

在哺乳动物中，骨骼肌占体重的 50% 以上，肌肉质量由肌纤维的数量和大小决定。骨骼肌生长在胚胎发育早期开始，此时来自体节的成肌细胞经历广泛增生，直到大约妊娠中期，随后在产前增加肌管和细胞尺寸。从妊娠晚期开始，随着新的肌原纤维添加到现有的肌纤维中，肌肉会因肥大而质量增加。具体而言，初级胚胎肌纤维从妊娠 30 天开始发育并持续 3 个月，主要肌纤维成熟为慢速 I 型肌纤维。次级肌纤维在初级肌纤维发育终止时产生，并持续到妊娠中期。这些次级肌纤维主要分化为快速 II 型肌纤维，少数发育为 I 型肌纤维，其肌纤维类型可根据出生后的情况转化为其他肌纤维类型。肌纤维的总数在妊娠中期左右固定（牛受孕后约 180 天）。基于牛肌肉中纤维的快和慢肌球蛋白重链 (MyHC) 亚型表达，第三肌纤维发育从妊娠 110 天开始，并在出生时保持未分化状态。据报道，牛在出生后 3 周具有 I、IIa 和 IIX 型真性MyHC异构体。

维生素A与肌内脂肪组织增生和肥厚

大理石花纹（也称为肌内脂肪）是肌肉表面聚集的白色条纹和斑点，这深刻地影响了牛肉的多汁性、嫩度和风味。大理石花纹的积累取决于肌内脂肪细胞发育的增加，这通常与单不饱和脂肪酸的增加有关。

补充维生素A与牛只肌内脂肪组织的发育

维生素A与大理石花纹评分之间的关系首先在日本和牛中观察到；育肥期维生素 A 的限制增加了大理石花纹的发育。随后，关于维生素 A 状态和大理石花纹评分影响的研究在其他牛只品种的中进行，例如安格斯杂交阉割牛、西门塔尔阉割牛、育肥母牛和韩国本土阉割牛（表 1）。一些研究表明限制维生素 A 会增加大理石花纹，但其他研究报告说限制维生素 A 没有显着影响。多年来，有一个事实一直被忽视，即饲料中（类胡萝卜素）可能含有大量的维生素 A 等价物，这可能会影响维生素 A 限制饲喂的效果。需要对饲料中的维生素 A 含量进行广泛评估，以更好地限制肉牛的维生素 A 的摄入。与国家研究委员会 (NRC) 对肉牛的需求相比，在维生素 A 限制摄入期间，似乎需要极低水平或无维生素 A摄入，包括在维生素 A 补充试验前补充低量或无维生素A摄入，并在育肥期间提高大理石纹评分和/或肌内脂肪 (IMF)。

表1，研究报告限制维生素A摄入和牛只大理石花纹或肌间脂肪的关联

一项对脂肪组织营养基因组学调控的综述假设，大理石花纹发育是在产前阶段（妊娠晚期，直至约250天）和产后阶段开始的，这与前脂肪细胞增生有关。妊娠晚期口服维生素A（78,000 IU/d）可增加犊牛出生体重，增加肌肉相关mRNA表达[肌源性因子5（Myf5）、肌源性因子6（Myf6）、成肌细胞决定蛋白1 (MyoD)] 和前脂肪细胞（Krüppel 样因子 2 (KLF2)] 发育。安格斯犊牛在出生时和1月龄时注射维生素 A 会导致平均屠宰日龄438天时的胴体性状中肌内脂肪组织沉积增加。我们之前的研究还报道，口服维生素 A 补充剂也增强了新生韩国本土犊牛的生长性能，并促进了前脂肪细胞 [锌指蛋白 423 (Zfp423)、前脂肪细胞因子1（Pref-1）]和肌肉（MyoD，Myf6，肌细胞生成素）在遗传水平上的发育。此外，大鼠在早期生长阶段摄入维生素A会导致大鼠肥胖。这些结果表明妊娠后期和新生犊牛补充维生素 A 促进前脂肪细胞发育，进而间接促进牛后期肌内脂肪组织沉积。因此，这些研究表明，在早期发育阶段，补充维生素 A 通过前脂肪细胞增生过程促进脂肪形成祖细胞。然而，在育肥阶段，补充维生素A会刺激脂质氧化，因此限制维生素A会增加脂肪细胞肥大引起的脂质积累。

维生素A、前脂肪细胞增生和脂肪细胞肥大

关于维生素 A 对脂肪生成和随后肌内脂肪组织发育的影响，已有多项研究，如图 1 所示。在脂肪形成分化期间（脂肪细胞肥大），视黄酸的作用受 RAR 和靶基因启动子区域的 RXR 家族。特别是，在早期分化阶段，全反式维甲酸补充剂可抑制脂肪形成标记基因的表达，例如脂肪酸结合蛋白 4 (FABP4)、过氧化物酶体增殖物激活受体γ (PPARγ) 和 CCAAT/增强子结合蛋白 alpha ( C/EBPα）。视黄酸通过刺激成熟脂肪细胞中与脂质氧化和分解代谢相关的 PPARα/β/δ 来抑制脂质积累。以及激活 Wnt/β-连环蛋白信号通路 [Wnt 家族成员 1 (Wnt-1)、Wnt 家族成员 4 (Wnt-4)、Wnt 家族成员 10 (Wnt10b) 和 β-catenin] 在 3T3-L1 细胞中，这可能与视黄酸诱导的脂肪生成抑制有关。补充 9-顺式视黄酸可通过降低 3 个 T3-L1 细胞中的 PPARγ 和 RXR 水平来抑制脂肪生成，并在亚汇合的大鼠肝癌细胞中诱导肝脏 FABP 基因表达高于油酸引起的诱导。此外，全反式维甲酸补充剂可激活成熟脂肪细胞中的 RAR 和过氧化物酶体增殖物激活受体 β/δ (PPARβ/δ)，刺激转化生长因子 β-效应蛋白（mothers against decapentaple gic homolog 3, Smad3 ), 阻断了 CCAAT/增强子结合蛋白 β (C/EBPβ) 的磷酸化，从而减少了脂肪生成。维生素 A 通过增加 UCP 基因家族的表达来降低细胞三酰甘油含量并上调脂肪酸氧化速率。此外，Zfp423 启动子中的去甲基化被视黄酸破坏。有趣的是，最近的一项研究表明，视黄酸补充剂通过正负功能调节脂肪生成和细胞增殖，这取决于分化期间视黄酸的剂量；脂肪酸氧化仅在特定浓度下发生。

近年来，视黄酸对前脂肪细胞增生的影响越来越受到关注。之前的研究表明，Pref-1、Sox-9、Wnt-10b、Zfp423 和 KLF2 在前双细胞中高水平表达，但在成熟脂肪细胞中没有表达。视黄酸通过激活细胞视黄酸结合蛋白 2/视黄酸受体 (CRABP-II/RAR) 通路抑制脂肪细胞分化，但降低成熟脂肪细胞中 Pref-1、Sox-9 和 KLF2 的表达，通常仅在前脂肪细胞中高表达。此外，在胚胎干细胞中视黄酸处理的脂肪形成过程中需要激活 ERK/MAPK 通路。这些结果总结在图 1 中，这表明视黄酸通过激活相关基因并通过信号通路刺激祖细胞增殖，在前脂肪细胞增生的发展中起着至关重要的作用。当进入成脂分化期时，维甲酸表现出抑制脂质积累和下调相关基因表达的作用。矛盾的是，低水平的维生素 A 补充剂也会促进脂肪形成。

图1，视黄酸补充剂起着从前脂肪细胞发育到脂肪细胞沉积的各种作用。基因全称是前脂肪细胞因子-1（Pref-1）、Krüppel样因子2（KLF2）、锌指蛋白423（Zfp423）、Wnt家族成员10b（Wnt-10b）、脂肪酸结合蛋白4（FABP4） )、过氧化物酶体增殖物激活受体 γ (PPARγ)、CCAAT/增强子结合蛋白 α/β (C/EBPα/ β)、甾醇调节元件结合蛋白 1c (SREBF1c)、细胞外信号调节激酶 1/2 (ERK) , 丝裂原活化蛋白激酶 (MAPK), 视黄酸结合蛋白 (RABP), 视黄酸受体 γ (RARγ)