白花海棠骨骼肌细胞增殖与分化温度调控的转录组学研究

《Comparative Biochemistry and Physiology Part D: Genomics and Proteomics》:Transcriptomic insights into temperature regulation of proliferation and differentiation in skeletal muscle cells of Nibea albiflora

【字体: 时间:2026年06月19日 来源:Comparative Biochemistry and Physiology Part D: Genomics and Proteomics 2.2

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  Jingru Zhang|Dong Liu|Wenzhi Cheng|Yulong Li|Haixia Zhao|Yijing Zhu|Xiaolong Wang|Yuxia Jian|Xue Wang|Fengxiang Gao|Fawen Hu山东省智能海洋牧场重点实验室(在

  
Jingru Zhang|Dong Liu|Wenzhi Cheng|Yulong Li|Haixia Zhao|Yijing Zhu|Xiaolong Wang|Yuxia Jian|Xue Wang|Fengxiang Gao|Fawen Hu
山东省智能海洋牧场重点实验室(在筹建中)底栖渔业养殖与增殖实验室,中国山东省青岛市266104,海洋科学研究所

摘要

肌发生是一个连续的过程,包括肌肉卫星细胞的激活、成肌细胞的增殖、分化以及最终融合形成多核肌管。硬骨鱼的肌肉具有不定量生长特性,且对环境温度极为敏感,但温度调控细胞增殖和分化的具体机制至今仍不完全清楚。在本研究中,我们从经济价值较高的海洋鱼类黄鼓鱼中建立了原代骨骼肌细胞培养体系,并结合形态学观察与比较转录组分析,研究了在28℃和20℃环境下,细胞在增殖和分化阶段的响应差异。表型分析显示,与20℃相比,28℃显著提升了成肌细胞的增殖能力和肌发生分化能力。转录组分析表明,在28℃下,分化过程会促进细胞外基质的结构构建、钙信号传导以及肌节组装,而增殖过程则增强焦点黏附、生长因子信号传导以及脂质代谢。在20℃下,分化过程与谷胱甘肽代谢及铁死亡相关,而增殖过程则涉及细胞因子与细胞因子受体的相互作用以及对信号通路的负向调控。作为内部对照,核心肌发生调控因子,尤其是肌生成蛋白,在28℃下的分化阶段显著上调。基于这些发现,我们提出了一种可验证的模型,即升高温度可通过钙离子依赖性的核心肌发生调控因子激活与细胞外基质-整合素信号传导的协同作用,从而推动肌节组装和肌肉生长。此外,我们还确定了黄鼓鱼中调控肌发生的关键差异表达基因。本研究为硬骨鱼骨骼肌的温度适应机制提供了理论依据,同时也为功能验证、标记辅助选择提供了候选基因,还为通过温度管理提升黄鼓鱼养殖产量提供了理论支持。

引言

在养殖鱼类中,骨骼肌占据了其体重的很大比例,因此其发育状况是决定鱼类生长性能和产量的关键因素(Johnston, 2006; Vélez et al., 2017)。与哺乳动物主要通过现有肌纤维的肥大来实现产后肌肉生长不同,硬骨鱼在整个生命周期内都表现出既有多核化又有肥大的不定量生长特征(Perez et al., 2023),这一特点使得鱼类肌肉生长极易受到环境因素的影响。肌纤维的形成过程被称为肌发生,它是由肌肉卫星细胞的激活启动的,这些细胞会经历增殖、分化,随后融合形成多核肌管,最终形成肌纤维(Feng et al., 2024)。这一发育过程由多种保守的生物学网络共同调控,包括基因(De Mello et al., 2024; Liu et al., 2026)、信号通路(Peng et al., 2025)、非编码RNA(Ge and Chen, 2011; Zhu et al., 2024)以及DNA甲基化(Koganti et al., 2020)等。
温度是影响变温硬骨鱼肌肉生长、生理功能及分布的主要环境因素(Mugwanya et al., 2022)。鱼类肌肉的不定量生长对温度极为敏感,温度会直接影响肌纤维的数量增加和大小增长(Johnston et al., 2011),越来越多的证据表明,温度会在组织和细胞层面深刻影响肌发生过程。在组织层面,胚胎期的温度会持续影响诸如海鲷、欧洲海鲈和斑马鱼等物种的肌纤维生成、肌肉circRNA表达以及整体生长情况(Balbuena-Pecino et al., 2019; Katsika et al., 2021; Schnurr et al., 2013)。在细胞层面,利用鱼类原代肌肉细胞或细胞系进行的体外研究已经证实,温度会调控成肌细胞的活性,这说明这类鱼类肌生成细胞是研究温度对细胞功能影响的理想模型,适用于不同物种和实验条件。例如,在斑点海鲈的成肌细胞中,28℃相较于21℃能更促进细胞的增殖、迁移和分化,同时还会激活HSF1、DNA复制、细胞外基质相关以及肌发生相关的转录通路(Zhang et al., 2022)。在大西洋鲟的细胞系中,适应28℃的环境相较于20℃时,会提升线粒体的可塑性、促进细胞增殖,并提高hsp70的表达水平(Lutze et al., 2024)。最新的研究还发现,非编码RNA如circRNA和miRNA以及DNA甲基化等表观遗传修饰在介导温度对鱼类肌肉发育的影响中起着关键作用(Rbbani et al., 2024; Sáez-Arteaga et al., 2024; Lin and Meegaskumbura, 2025)。尽管取得了这些进展,但温度调控成肌细胞增殖和肌发生分化的分子机制仍然不完全清楚,尤其是在大多数具有重要经济价值的海洋鱼类中。
黄鼓鱼是中国境内一种具有较高经济价值的海洋鱼类,其适宜生存温度为8–30℃,最佳生长温度为18–28℃(Yu et al., 2024)。作为典型的变温硬骨鱼,黄鼓鱼的生长性能和肌肉发育都会受到温度的影响。然而,目前关于温度对黄鼓鱼影响的研究主要集中在寒害方面,尚未有研究系统探讨温度变化对其生长和发育过程的影响。此外,现有的关于黄鼓鱼温度应激反应的研究大多是在脑、肌肉或肝脏等组织层面进行的。例如,Xu等人以及Zhao等人研究了黄鼓鱼在7.5℃和8.0℃的寒害环境以及10–28℃不同温度下的脑组织和肌肉组织的转录反应,找出了与寒害适应相关的信号传导、能量代谢以及应力诱导的细胞膜变化等通路(Xu et al., 2018),同时还确定了HMGB1、STAT4、Noct、C1q和CRT等关键基因(Zhao et al., 2021)。另外,代谢组学和生理学研究也表明,低温(8℃)和饥饿胁迫会导致黄鼓鱼生长受阻、肝功能下降以及肝脏免疫功能减弱(Song et al., 2019),并且发现谷胱甘肽代谢及其相关代谢物是胁迫条件下的关键通路和潜在生物标志物(Jiao et al., 2020a)。不过,这类基于组织水平的研究无法将骨骼肌特异性 的细胞自主转录程序与复杂的系统性信号区分开来,因此无法确定温度究竟是如何直接影响肌肉前体细胞而非其他类型细胞的。这样一来,温度在黄鼓鱼肌发生两个核心阶段——成肌细胞增殖和分化——中所发挥的阶段特异性分子机制就仍然没有被探索清楚。
为填补这一研究空白,我们建立了黄鼓鱼的原代骨骼肌细胞培养体系。利用这一体外模型,我们在28℃和20℃这两个无应激温度下,对处于增殖和分化阶段的骨骼肌细胞进行了形态学观察以及比较转录组分析。我们的研究目标包括:(1)阐明温度在成肌细胞分化 和增殖阶段所影响的特定分子通路;(2)识别与温度调控肌发生相关的关键差异表达基因。总体而言,本研究揭示了温度在分子层面如何影响黄鼓鱼骨骼肌细胞的增殖和分化,同时也进一步加深了我们对硬骨鱼骨骼肌温度适应机制的理解。

章节节选

组织分离与细胞培养

我们将健康的黄鼓鱼(体重范围:5.46–8.35克)用3-氨基苯甲酸乙酯甲磺酸盐(MS-222;浓度为40毫克/升)进行麻醉。在对鱼体表面进行75%乙醇消毒后,无菌地切下大约1立方厘米的背侧白色骨骼肌组织。该组织随后在含有1%青霉素-链霉素溶液(青霉素浓度为100单位/毫升,链霉素浓度为100微克/毫升;供应商为北京Solarbio)的磷酸盐缓冲液中冲洗,再将其切碎至大约1立方毫米的大小。

建立黄鼓鱼原代骨骼肌细胞培养体系

在光学显微镜下,我们可以观察到细胞成功从组织中迁移出来(即迁移阶段,记为M期)。此外,我们还在细胞增殖的24小时(P-24小时)、48小时(P-48小时)、72小时(P-72小时)阶段,以及肌发生分化开始后的24小时(D-24小时)、48小时(D-48小时)、72小时(D-72小时)和96小时(D-96小时)阶段对细胞进行了观察并拍照记录(见图1)。在增殖阶段,细胞会随着时间的推移不断分裂,从而使细胞数量逐渐增加。大部分细胞

讨论

在精准养殖领域,通过优化水温、溶解氧浓度和投喂速率等因素,可以实现提高生物量产量同时降低生产成本的目标(Chahid et al., 2021)。此前关于黄鼓鱼对温度反应的研究大多集中在接近其生存极限的寒害条件下,比如7.5℃或8℃的环境(Song et al., 2019),这些研究虽然为了解鱼类的应激适应机制提供了重要信息,但并未深入探讨温度所引发的

结论

综上所述,我们成功建立了黄鼓鱼的原代骨骼肌细胞培养体系,并在其最佳生长温度范围(28℃与20℃)内研究了温度对成肌细胞增殖和分化的细胞自主调控作用。表型分析结果显示,与20℃相比,28℃显著提升了细胞的增殖能力和分化能力。进一步的比较转录组分析表明,28℃会促进细胞的生长相关程序的启动,进而上调细胞外基质的构建

CRediT作者贡献说明

Jingru Zhang:负责原文撰写——初稿撰写、方法设计、概念构思。Dong Liu:负责结果可视化、概念构思。Wenzhi Cheng:负责结果可视化、软件操作。Yulong Li:负责研究监督、资金申请。Haixia Zhao:负责方法设计、数据整理。Yijing Zhu:负责数据整理、概念构思。Xiaolong Wang:负责方法设计、数据整理。Yuxia Jian:负责结果可视化、概念构思。Xue Wang:负责结果可视化、概念构思。Fengxiang Gao:负责研究资源保障、方法设计。Fawen Hu:负责原文撰写——审稿与编辑工作。

资助情况

本项研究得到了青岛市科技惠民示范专项项目[编号:26-1-5-xdny-19-nsh]、辽宁省重大科技专项项目[编号:2025JH1/11700001]以及山东省海洋科学研究所研发项目[编号:2024SDMSRI0203]的支持。

利益冲突声明

所有作者声明不存在任何利益冲突。
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