《Aquaculture》：L-arginine enhances skeletal muscle energy metabolism and maintains mitochondrial homeostasis to promote locomotor function in zebrafish embryos
编辑推荐：
本研究以斑马鱼为模型，探究L-精氨酸对胚胎骨骼肌发育及能量代谢的影响。结果表明，0.5 mg/mL精氨酸显著提高胚胎存活率、孵化率及运动能力，促进骨骼肌结构发育、增强线粒体功能及能量代谢，其机制涉及CaMKK2/AMPK/SIRT3/PGC-1α信号通路，并增强抗氧化能力。该研究为揭示精氨酸在鱼类骨骼肌健康发育中的作用提供新证据。
邱艳陈|姜卫丹|吴佩|刘阳|马耀斌|任红梅|金晓婉|冯琳|周晓秋
四川农业大学动物营养研究所，成都611130，中国
摘要
骨骼肌系统在胚胎阶段形成，这一过程决定了肌肉纤维的数量并影响骨骼肌的功能。能量代谢在骨骼肌的生长、发育和成熟中起着至关重要的作用，因此维持代谢平衡至关重要。L-精氨酸被认为是一种必需的营养素，参与多种生理过程，并且是动物发育的重要调节因子。然而，关于其在胚胎发生过程中对肌肉发育的作用机制的信息仍然有限。因此，我们利用斑马鱼（Danio rerio）作为模式生物，研究了精氨酸对胚胎发生期间骨骼肌发育、能量代谢和线粒体稳态的影响。我们的研究结果表明，精氨酸能够促进斑马鱼胚胎的发育，表现为存活率和孵化率提高、体长增加以及自发运动能力增强。随后我们发现，精氨酸通过改善肌肉结构和成分、上调肌生成调节因子的表达以及增强骨骼肌的收缩功能来促进骨骼肌的发育。此外，精氨酸通过CAMKK2/AMPK/SIRT3/PGC-1α信号通路促进骨骼肌的能量代谢（包括磷酸肌酸系统、葡萄糖和脂质代谢以及三羧酸循环），从而提高ATP水平，最终增强运动性能。精氨酸还通过促进线粒体生物发生、线粒体动态和线粒体自噬来增强线粒体功能。另外，精氨酸通过Nrf2信号通路提高抗氧化能力，并改善斑马鱼胚胎的抗凋亡能力。总之，本研究揭示了精氨酸促进斑马鱼胚胎运动功能的潜在机制，即通过改善骨骼肌发育和功能、调节能量代谢以及维持线粒体稳态来实现。
引言
鱼类每年为人类饮食提供大量的高质量蛋白质，其中骨骼肌是主要成分（Zhang等人，2023年）。骨骼肌对于调节运动、能量储存和代谢健康至关重要（Mukund，2020年）。骨骼肌系统的建立发生在胚胎发育阶段，这一过程决定了肌肉纤维的数量，并进而影响鱼类的肌肉生成。因此，在早期阶段确保最佳的胚胎发育非常重要（Dietrich等人，2022年；Yan等人，2021年）。研究表明，外源性营养因子如氨基酸可以促进卵母细胞的成熟和早期胚胎的发育。L-精氨酸是一种对生物体至关重要的氨基酸，在调节细胞能量代谢（Stancic等人，2017年）、蛋白质合成（Dou等人，2023年）和骨骼肌功能（Liang等人，2018a）方面起着关键作用。许多最新研究表明，精氨酸对动物胚胎发育有显著影响。重要的是，精氨酸的充足性与小鼠囊胚的体外生长密切相关（Zhang等人，2022年）。猪胚胎在体外培养时需要精氨酸（Kong等人，2012年）。在体外受精的猪胚胎培养基中添加精氨酸已被证明可以提高囊胚的形成率（Kong等人，2012年）。这些发现表明精氨酸在动物早期胚胎发育中至关重要，但其对鱼类发育的具体机制尚不清楚。因此，需要探索精氨酸对鱼类胚胎骨骼肌发育和功能的影响。
了解动物骨骼肌生长和发育的调控机制是提高肌肉质量的重要途径。肌肉纤维的发育从肌节开始，逐渐发展为肌原纤维，最终形成肌肉纤维（Yang等人，2021年）。肌肉纤维的发育受到肌生成调节因子（MRFs）的显著影响（Chen等人，2021年）。研究表明，在妊娠早期给母猪补充L-精氨酸可以通过上调新生猪的肌生成基因表达来改善肌纤维的形成和发育（Berard，2010年）。作为肌肉收缩基本单位的肌节长度在骨骼肌的发育和功能中起着关键作用。骨骼肌收缩可以改变细胞骨架蛋白的产生和肌肉纤维密度，从而影响骨骼肌的生长和发育（Russell等人，2023年）。研究发现，一氧化氮（NO）可以通过改变肌原纤维蛋白的翻译后变化来影响粗丝的收缩调节（Kumar等人，2022年）。此外，NO还可以增加Ca2+的敏感性，从而激活肌球蛋白，进而增加肌肉的收缩力。鉴于精氨酸是动物体内NO合成的底物，我们推测精氨酸可能会影响鱼类的胚胎骨骼肌发育和功能。需要进一步深入研究这些效应的潜在机制。
早期胚胎发育需要大量的能量来促进细胞生长、分裂和分化（Park等人，2021年）。因此，确保身体能量代谢的正常稳态变得至关重要。线粒体作为细胞的能量生产者，对于多种信号传导过程至关重要，包括但不限于能量代谢、钙稳态和凋亡调节（Butera等人，2021年；Tsai等人，2022年）。这些功能对肌肉的整体健康和质量有显著贡献（Kim和Triolo，2017年）。线粒体质量控制系统包括线粒体生物发生、分裂和融合以及线粒体自噬，它们共同维持正常的线粒体功能（Bian等人，2024年）。CaMKK2是AMPK的上游激酶，当钙浓度升高时可以直接磷酸化T172位点，从而调节PGC-1的转录活性并促进线粒体生物发生（Ahsan等人，2022年）。NO信号传导是线粒体功能和生物发生的公认调节因子。在哺乳动物模型中，NO可以激活AMPK/PGC-1α轴，这是线粒体生物发生的主要调节因子（Pappas和Wilkinson，2023年）。先前的研究表明，精氨酸可以在孵化期间增加肉鸡胸肌的能量储备。此外，研究还表明精氨酸可以通过AMPK通路促进C2C12细胞中的NO表达（Jobgen，2022年）。研究还发现精氨酸可以改善小鼠骨骼肌的线粒体功能（Chen等人，2020年；Mabalirajan等人，2010年）。然而，目前尚不清楚精氨酸是否通过增强线粒体质量控制来影响胚胎骨骼肌的能量代谢，这需要进一步研究。
斑马鱼（Danio rerio）作为一种脊椎动物，由于其体积小、繁殖能力强和发育速度快等优点，在实验研究中具有其他动物模型的优势（He等人，2023年；Wang等人，2016年）。斑马鱼和哺乳动物骨骼肌中调节肌生成的转录组是保守的，它们在组织学和超微结构上具有相似性（Dou等人，2008年；Dubińska-Magiera等人，2016年）。斑马鱼模型已被广泛用于胚胎发育和骨骼肌发育的研究。因此，本研究使用斑马鱼作为研究模型，探讨精氨酸在胚胎发生期间调节肌肉发育和能量代谢的作用机制。我们的结果可能为理解精氨酸在水中动物骨骼肌发育中的作用提供新的见解。
实验部分
伦理声明
所有实验均按照四川农业大学动物护理咨询委员会（中国）（CQY2022114011）的指南进行，并得到了相关机构委员会和所有参与者的批准。
斑马鱼的饲养和胚胎发育评估
本研究使用从EzeRinka供应商（南京，中国）购买的野生型成年斑马鱼，在28±0.5°C和14/10小时光照/黑暗周期的受控条件下进行饲养。为了获得胚胎，在
筛选促进斑马鱼胚胎发育的最佳精氨酸剂量
如图1和图2所示，0.1–0.7 mg/mL的精氨酸浓度在48-120小时时显著提高了胚胎存活率，而1 mg/mL的精氨酸在120小时时显著降低了胚胎存活率（线性或二次方关系，P < 0.05）。0.5–0.6 mg/mL、0.5 mg/mL的精氨酸在60小时、72小时和84小时时显著提高了胚胎孵化率（线性或二次方关系，P < 0.05）。然而，在84小时时，1 mg/mL的精氨酸显著降低了胚胎孵化率
讨论
L-精氨酸是一种内源性氨基酸，在蛋白质合成、免疫功能和整体健康中起着关键作用（Hoseini等人，2020年）。在体内，它是蛋白质合成的主要氮源，同时对于确保各种营养素代谢的协同平衡至关重要，这对身体发育不可或缺（Chen等人，2019年；Jobgen等人，2022年）。我们之前的研究表明，精氨酸可以促进草鱼的生长并增加
结论
总体而言，我们的结果表明，0.5 mg/mL的L-精氨酸处理可以促进斑马鱼胚胎的早期发育，增强骨骼肌的发育和代谢。这些有益效果可能是由CaMKK2/AMPK/SIRT3/PGC-1α信号通路驱动的，该通路改善了线粒体功能和能量代谢。值得注意的是，较高浓度（例如1 mg/mL）具有抑制作用甚至毒性，这强调了浓度依赖性
作者贡献声明
邱艳陈：写作——审稿与编辑、撰写初稿、数据可视化、研究设计、概念构思。姜卫丹：数据管理、概念构思。吴佩：方法学设计、研究实施、数据分析。刘阳：项目管理、方法学设计。马耀斌：资源协调、项目管理。任红梅：结果验证、监督。金晓婉：数据可视化。冯琳：写作——审稿与编辑、项目管理、研究实施、资金筹集。周晓秋：
伦理批准和参与同意
所有实验均按照四川农业大学动物护理咨询委员会（中国）的指南进行。
资助
本研究得到了国家自然科学基金（32172988）、四川省科技创新人才项目（2023JDRC0043）、国家杰出青年科学基金（32425056）、四川省现代农业产业技术体系创新团队（SCCXTD-2024-15）、四川省自然科学基金重点项目（2025ZNSFSC0011）的财政支持。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
作者感谢这些团队的工作人员提供的宝贵帮助。感谢Home for Researchers的支持。
