RyR1介导的钙离子信号通路在肌肉间充质细胞成肌成脂分化中的作用及其调节

Myo- and adipogenic differentiation are competing physiological processes during skeletal muscle development. The balance between them impacts the cell composition and muscle characteristics, and thereby influence pork meat quality. In our previous study, we discovered that the coincident variations existing in the expression of Cav1.1- ryanodine receptor1 (RyR1)-Ca2+ release - CaM signal is closely associated with the tendency of myo- or adipogenic differentiation of muscle mesenchymal stem cells. Therefore, we raised a hypothesis that RyR1may exert a role in modulating lean rate and meat quality especially the occurrence of PSE（pale, soft, extrude) meat in pigs. In this application, site-directed mutagenesis, siRNA interference and over-expression are employed to study the role of RyR1 in modulation of myo- and adipogenic differentiation in muscle mesenchymal stem cells. Furthermore, the determination mechnism of mesenchymal stem cell fate is to be focused on through tracking the linkage among RyR1, released Ca2+, Ca2+ dependent signal pathway, mesenchymal stem cell differentiation, and cell niche from the physiological and nutritional views. We would scan nutrients or plant-derived bioactive components capable of regulating myo- and adipogenic differentiation of skeletal muscle by an in vitro model using skeletal mesenchymal stem cells first and then verified on animal feed trial during the key window period of muscle development, to estabolish a feasible nutritional stragtegy to modulate skeletal muscle development and intramuscular fat deposition.

成肌、成脂分化是骨骼肌发育中的两个相互竞争的生理过程，其平衡影响着骨骼肌的细胞组成以及肌肉生物学特性，进而影响着肉的品质。本课题组在研究中发现，间充质干细胞成肌或成脂分化命运的差异与Cav1.1-RyR1- Ca2+ -CaM表达关系密切。在此基础上，提出了“RyR1可能通过调节骨骼肌的成肌、成脂分化平衡影响猪的瘦肉率和肉品质”的原创性科学假设。本研究拟通过定点突变、SiRNA干扰以及慢病毒转染超表达技术，探索RyR1在骨骼肌间充质干细胞成肌、成脂分化中的功能及其作用机制；围绕RyR1，从第二信使（Ca2+信号）、信号通路、间充质干细胞分化、细胞微环境等生理和营养调节的角度，研究肌肉间充质干细胞分化命运的调节机制；利用间充质干细胞模型，筛选具有调节成肌、成脂平衡的生物活性物质，并在猪骨骼肌发育的窗口期，通过饲喂试验，探索营养调控猪骨骼肌发育以及脂肪沉积的途径。

成肌和成脂是骨骼肌早期发育中两个相互竞争的重要生理过程，它们的动态平衡影响着骨骼肌的细胞组成，进而影响着肉的品质。本项目利用本实验室建立的差速贴壁法分离猪新生期骨骼肌成肌祖细胞和成脂祖细胞，本研究围绕RyR1，胞内 Ca2+信号通路、间充质干细胞分化、细胞微环境等生理和营养调节的角度，研究揭示肌肉间充质干细胞分化命运的调节机制。研究发现，猪新生期骨骼肌成肌祖细胞和成脂祖细胞都表达D29+CD31−CD34−CD90+CD105+的间充质干细胞Marker，这不同于鼠、人的肌源性和脂源性祖细胞，这也预示了猪新生期的成肌/成脂谱系定向分化过程还没有结束。利用转录组和表达谱分析，揭示了RyR1介导的胞浆Ca2+信号通路可能在猪间充质干细胞成肌或成脂分化中发挥着重要作用进而影响着猪的瘦肉率和肉品质。在此基础上，分析比较了成肌细胞、成脂细胞的蛋白质组表达以及瘦肉型猪（大白猪）和脂肪型猪（莱芜猪）的成肌祖细胞的蛋白质组表达谱，研究揭示了成肌和成脂在不同类型猪骨骼肌发育中的动态稳态平衡现象。相对于脂肪型猪，瘦肉型猪成肌谱系的成肌分化潜能显著强于脂肪型猪，而两者成脂谱系的成脂分化潜能相似。单细胞RNA测序和蛋白质组学联合分析显示，成肌谱系细胞的比例更高和分化能力更强是瘦肉型猪瘦肉生长速度快、肌内脂肪含量低的主要原因。相对低浓度的胞内Ca2+有利于成肌谱系保持较强的分化潜能。本项目探索了RyR1介导成肌的细胞分子机制。研究发现，RyR1表达的急剧增加时成肌分化过程必需的，RyR1表达急剧升高导致内质网（ER）应激信号激活，成肌细胞在协调内质网应激过程中走向凋亡或者成肌分化，其中RyR1介导的Ca2+释放在成肌分化过程中起了双刃剑的作用，这表明RyR1是一个重要潜在的成肌和肌纤维发育的调节靶蛋白。研究筛选了具有调节胞内RyR1-Ca2+功能的精氨酸，以期通过饲喂精氨酸强化日粮，促进肌肉发育、高猪肌肉生长效率，并为提高肌内脂肪含量提供可能的调节途径。