Pdk2通过调节葡萄糖和脂质代谢来调控大口黑鲈（Micropterus salmoides）的骨骼肌生长

《Aquaculture》：Pdk2 regulates skeletal muscle growth in largemouth bass ( Micropterus salmoides) via modulation of glucose and lipid metabolism

骨骼肌生长与糖脂代谢协同调控机制研究显示， largemouth bass 中 Pdk2 通过抑制葡萄糖氧化和糖原合成，促进脂肪酸β-氧化及肌原细胞增殖，导致肥胖组肌肉脂滴积累和纤维增生。该发现为鱼类营养代谢调控和育种优化提供了新靶点。

　　

朱鑫|曾伟|聂林涛|孟洋洋|程佳|潘亚雄|楚玉英

中国长沙大学生物与化学工程学院，长沙410022

摘要

骨骼肌的生长与葡萄糖和脂质代谢密切相关。然而，协调这些过程的具体分子机制仍不明确。在这项研究中，我们从同一养殖群体中选取了两个表型组，分别命名为“瘦型”和“肥型”大口黑鲈（Micropterus salmoides）。组织学观察发现，肥型组的肌肉纤维中脂滴含量高于瘦型组，且肥型组的肌肉纤维平均直径较小。对这些组进行转录组分析后发现，丙酮酸脱氢酶激酶2（Pdk2）可能是调控葡萄糖和脂质代谢以及肌肉纤维生长的关键因子。在体内实验中，通过siRNA抑制Pdk2可上调快肌中的脂生成基因，导致三酰甘油积累增加，但总胆固醇水平未发生变化，从而验证了其功能。组织学分析表明，Pdk2的敲低增强了快肌纤维中的糖原沉积，这与糖原合成相关基因的上调一致。此外，直径小于20微米的肌肉纤维数量显著增加，表明肌肉纤维增生得到增强。这一效应归因于肌母细胞的增殖和分化增强，这通过溴脱氧尿苷标记细胞数量的增加以及Myf5、MyoD和MyoG的表达得到证实。总体而言，本研究提示Pdk2可能在促进葡萄糖和脂质代谢的同时，对肌母细胞增殖起抑制作用。这些发现不仅加深了我们对大口黑鲈生长过程中能量代谢与肌母细胞增殖相互关系的理解，还为水产养殖的遗传改良提供了潜在的分子靶点。

引言

水产养殖已成为全球提供高质量蛋白质的关键产业，对于应对人口增长和饮食转变带来的挑战具有重要意义（Norman等人，2019；Colgrave等人，2021；Fiorella等人，2021）。根据联合国粮食及农业组织（FAO）的最新统计数据，2022年全球水产养殖产量超过1.2亿吨，使其成为水产品的主要来源（联合国粮食及农业组织，2022）。在这一快速发展的行业中，提高经济效益是一个重要目标。其中，优化营养策略至关重要，尤其是脂质和葡萄糖代谢的调控，因为它们在鱼类发育的关键生理过程中发挥着基础性和多方面的作用，包括生长表现、繁殖成功和免疫能力（Xirouchaki等人，2016；Zhou等人，2020；Olsen等人，2021；Li等人，2023）。葡萄糖代谢对个体生长的影响是复杂的，因为它涉及能量供应、激素调节以及细胞的组成和功能（Hargreaves，1998；Xirouchaki等人，2016；Richter等人，2025）。同样，脂质沉积会降低肌肉的胰岛素敏感性并影响葡萄糖的利用（Boden和Chen，1995）。过多的脂质沉积会干扰细胞的正常代谢过程并引发慢性炎症（Wu和Ballantyne，2017）。此外，脂质沉积还会对肌肉质量产生负面影响。过高的脂质含量可能导致肉质油腻，从而影响消费者的接受度（M?rk?re等人，2001）。鉴于脂质和葡萄糖代谢对鱼类生长和质量的多方面影响，遗传选择是优化脂质沉积和葡萄糖代谢的有效方法。因此，识别这些途径中的关键调控节点并理解其机制对于推进旨在提高水产养殖物种生长特性的精准育种计划至关重要。

骨骼肌占鱼类体重的很大比例，通常超过40%，其生长对于提高水产养殖的生产力和效率至关重要（Mommsen，2001；Valente等人，2013）。在骨骼肌发育过程中，脂质代谢在支持肌生成方面起着关键作用（Watt和Hoy，2012；Lipina和Hundal，2017）。特别是，脂质代谢通过脂肪酸的β-氧化生成ATP，为肌肉蛋白质合成和肌纤维肥大提供能量（Neess等人，2015；Vieira-Lara和Bakker，2024）。除了能量供应外，脂质代谢还为骨骼肌生长提供必需的营养物质（Hocquette等人，1998；Hargreaves和Sprit，2020）。例如，脂肪酸是细胞膜的重要组成部分，确保肌细胞的结构完整性和功能（De Carvalho和Caramujo，2018）。此外，脂质代谢还参与生物活性分子的生物合成，如激素和信号因子，这些分子调节肌生成分化和肌肉发育（Schmitz-Peiffer，2000；Kiens，2006）。这些过程突显了脂质代谢在骨骼肌生长中的多方面作用，包括能量和营养供应、胰岛素敏感性的调节以及激素调节。因此，适当的脂质代谢和利用对鱼类肌肉的生长和发育至关重要。然而，脂质过度积累会影响鱼类的健康和质量。因此，理解脂质代谢与肌生成之间的相互作用对于优化水产养殖实践和推进遗传选择以提高养殖鱼类的产量和肌肉质量至关重要。

作为全球最具经济价值的淡水肉食性鱼类之一，大口黑鲈（Micropterus salmoides）因其快速的生长速度和高市场需求而在全球水产养殖中受到越来越多的关注（Yu等人，2024）。肌肉发育的效率是决定生产周期和经济效益的关键因素（Kankainen等人，2012）。然而，即使在标准化的饲养条件下，个体间的生长差异仍然显著。尽管已经应用遗传选择来提高生长表现，但生长调控的分子机制，特别是代谢和遗传驱动因素，仍不甚清楚（Valente等人，2013；Triantaphyllopoulos等人，2020）。快肌是鱼类最重要的肌肉组织，通常占鱼类体重的40%–60%（Weatherley等人，1987）。它构成了鱼肉的主要部分，并直接影响其可食用质量，如嫩度、保水能力和pH值（Lefevre等人，2007）。相比之下，慢肌在肌肉质量中所占比例较小，通常局限于侧线以下的区域（Liu等人，2022）。为了阐明大口黑鲈快肌生长差异的分子机制，本研究对来自同一群体的两组大口黑鲈进行了比较转录组和功能分析，这两组在体型、体表指数和肝体指数上存在差异。这项研究加深了我们对大口黑鲈快肌生长过程中代谢调控的理解，并为选择性育种计划提供了潜在的分子靶点。

实验鱼类养殖和采样

所有动物实验均遵循ARRIVE指南进行，并获得了中国长沙大学动物护理和使用委员会（IACUC）的批准（批准编号：CCSU-2023-13）。本研究使用的大口黑鲈来自中国湘阴县水产科学研究所。所有鱼类均健康，来自同一养殖群体。它们在适宜的室内养殖系统中饲养

肥型与瘦型大口黑鲈快肌的组织学观察

分类后的肥型组和瘦型组在体重和长度上相当，但在体表指数和肝体指数上存在显著差异（表1）。从外观上看，肥型组的腹部更丰满（图1A），而瘦型组的腹部则较为纤细（图1B）。Oil Red O染色显示，肥型组的快肌中脂滴积累明显多于瘦型组（图1C、D和I）。

讨论

Pdk2是PDK家族中的关键调控酶，通过磷酸化介导的丙酮酸脱氢酶复合物失活来发挥催化作用（Harris等人，2002）。这种酶修饰有效地限制了丙酮酸进入线粒体三羧酸循环（TCA）的流量（Stacpoole，2017）。Pdk2促进了脂生成底物的积累，包括乙酰辅酶A、二羟基丙酮磷酸和3-磷酸甘油酸（Wu等人，2018；Woolbright等人

结论

本研究发现Pdk2的表达升高，抑制了葡萄糖氧化和糖原合成，可能导致快肌的能量供应不足（图8）。这种代谢不足显然会触发脂肪酸β-氧化的上调，以补偿细胞能量需求，从而使主要能量来源从碳水化合物转变为脂质（图8）。此外，乙酰辅酶A进入TCA循环的流量减少可能不仅

CRediT作者贡献声明

朱鑫：撰写——原始草稿、方法学、概念设计。曾伟：撰写——原始草稿、实验研究。聂林涛：验证、实验研究、数据管理。孟洋洋：数据可视化、实验研究。程佳：方法学、数据管理。潘亚雄：验证、软件应用。楚玉英：撰写——审稿与编辑、监督、资金争取。

利益冲突声明

作者声明与任何个人、机构或组织均无财务或其他利益冲突。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（2022YFD2400802）和国家自然科学基金（U21A20263）的支持。