《Sustainable Food Technology》：Targeted modulation of FGFR1 enhances myogenic differentiation for cultured meat production
编辑推荐：
本文针对培养肉产业化中肌细胞终末分化效率低的关键瓶颈，研究人员通过多标准虚拟筛选等方法，发现并验证了两种小分子化合物（dovitinib和甲基麦角新碱）可靶向调控FGFR1，有效促进猪肌肉干细胞（PMSCs）的肌源性分化（肌球蛋白重链/MyoG表达上调、肌管形成增强），为高效、低成本培养肉生产提供了新策略。
在全球人口增长和气候变化背景下，传统畜牧业面临着资源消耗大、温室气体排放多、动物福利争议等多重挑战。细胞农业，特别是培养肉技术，为生产可持续的动物蛋白提供了一条前景广阔的新途径。然而，要将实验室的“肉饼”变成货架上的商品，还面临不少技术难关。其中，如何高效地将肌肉干细胞诱导分化成多核、成熟的肌纤维（也就是“成肉”的关键步骤），是影响最终产品的“口感”和产量的核心挑战。肌肉干细胞自身有很强的增殖能力，但要让它们“放下”增殖，专心“合体”去形成肌肉纤维，就需要精准调控细胞内部的分子开关。科学家们发现，一个名为“成纤维细胞生长因子受体1”（FGFR1）的蛋白在其中扮演了“刹车”角色——当它活跃时，细胞就保持增殖；抑制它，则能有效驱动肌源性分化。那么，能否找到一种“化学扳手”，来精准调控这个“刹车”呢？这正是本项研究要回答的问题。
研究人员瞄准了FGFR1这个关键靶点，开启了一场寻找高效、安全、低成本“肌细胞分化促进剂”的探索。他们利用计算机模拟（分子对接）从872个化合物中初步筛选，又通过避免干扰关键分化通路p38α MAPK、评估化合物溶解性及成本，最终锁定了两种极具潜力的候选者：一种是已知的多靶点激酶抑制剂dovitinib，另一种则是临床上用于产科催产的药物——甲基麦角新碱。随后，他们运用分子动力学模拟验证了候选化合物与FGFR1蛋白结合的稳定性，并通过饱和转移差核磁共振（STD-NMR）技术在溶液中直接“看”到了分子间的相互作用。在细胞层面，研究团队先在经典的小鼠成肌细胞C2C12模型中验证了化合物促进肌管形成、上调肌球蛋白重链（MHC）和生肌调节因子（MyoG）等关键肌源标志物的功效，并发现了两种化合物在分化不同阶段（早期和晚期）的差异化优势。最后，为了证明方案在培养肉目标细胞——猪肌肉干细胞（PMSCs）中的“实战”价值，他们进行了验证实验。这项研究成果发表于《Sustainable Food Technology》期刊，为培养肉的产业化推进提供了重要的科学依据和技术方案。
为开展此项研究，研究人员运用了多项关键技术。首先是计算化学方法，包括针对FGFR1酪氨酸激酶结构域的分子对接虚拟筛选，以及后续的分子动力学模拟，以评估化合物结合的稳定性和能量。其次是生物物理验证技术，即饱和转移差核磁共振（STD-NMR），用于在溶液环境中直接证实化合物与FGFR1蛋白的结合。核心的细胞生物学功能验证则是在C2C12小鼠成肌细胞和从一周龄仔猪半腱肌中分离的原代猪肌肉干细胞（PMSCs）上进行的，通过细胞活力检测、免疫荧光染色观察肌管形态、以及蛋白质印迹法（Western blot）定量肌源性标志物表达，全面评估了化合物对肌源性分化的促进作用。
3.1 计算机in silico化合物筛选
研究团队首先对872个化合物进行虚拟筛选，旨在寻找能高亲和力结合FGFR1、且避免与关键分化调节因子p38α MAPK发生脱靶结合的小分子。以已知抑制剂dovitinib为参照，初步筛选出261个潜在化合物。通过针对p38α MAPK的反向筛选、基于三个模型的溶解度预测以及成本评估，最终从五个候选化合物中确定了甲基麦角新碱为首要命中化合物，其成本远低于其他候选，具备规模化应用潜力。
3.2 结构动力学与结合识别
分子动力学模拟分析显示，dovitinib和甲基麦角新碱与FGFR1形成的复合物均表现稳定，特别是甲基麦角新碱的复合物波动更小。结合自由能分解分析揭示了二者与FGFR1结合的关键“热点”残基，包括Leu484、Val492和Leu630等，这些残基对稳定复合物起主要作用，且与已知抑制剂AZD4547的作用位点有重叠，表明它们作用于相似的活性口袋。分子力学/广义波恩表面积（MM/GBSA）计算进一步确认二者的结合主要由疏水相互作用驱动。
3.3 端点结合自由能
对分子动力学轨迹最后20纳秒的分析计算了结合自由能。dovitinib和甲基麦角新碱与FGFR1的结合自由能分别为-21.84 ± 8.06 kcal mol-1和-23.05 ± 6.86 kcal mol-1，表明两者都具有很强的结合能力，且结合主要得益于有利的范德华相互作用。
3.4 STD-NMR光谱实验验证
饱和转移差核磁共振实验为化合物与FGFR1的直接结合提供了实验证据。对于甲基麦角新碱，其STD信号与分子动力学模拟预测的关键结合质子位置高度一致，特别是与残基Val492的接触，强有力地证实了其与FGFR1的特异性结合。dovitinib也显示出结合信号，但实验与模拟结果存在一定差异，可能源于其结合模式的动态性或存在多种瞬时构象。
3.5 利用dovitinib和甲基麦角新碱增强C2C12分化
在细胞功能验证中，两种化合物在C2C12细胞中都展现出促进肌源性分化的能力，但具有时间和浓度依赖性。dovitinib在低浓度（0.3125–0.625 μM）下可显著增强早期分化阶段的肌球蛋白重链表达，而在晚期分化阶段（2.5 μM）则能有效提升肌管融合指数。甲基麦角新碱在5 μM浓度下能显著促进早期肌管融合，在晚期则表现出剂量依赖性的肌球蛋白重链表达上调。这提示两种化合物可能在不同分化阶段发挥作用：dovitinib更倾向于促进晚期肌管成熟，而甲基麦角新碱是有效的早期融合驱动因子。
3.6 Dovitinib和甲基麦角新碱在肌源性分化过程中增加MHC和MyoG表达
蛋白质印迹结果进一步定量证实了上述发现。在早期分化阶段，dovitinib（0.625 μM）使肌球蛋白重链表达提升约4.5倍，甲基麦角新碱（5 μM）使其提升约2.6倍。两者均能显著上调生肌调节因子（MyoG）的表达。这些数据共同表明，通过抑制FGFR1，这两种化合物能有效启动并增强成肌细胞向成熟肌纤维的分化程序。
3.7 在猪肌肉干细胞（PMSCs）中的转化验证
在更具转化意义的猪肌肉干细胞模型中，两种化合物表现出不同的药理学特征。dovitinib的治疗窗口较窄，低浓度（0.3125 μM）可增强分化，但1.25 μM即表现出细胞毒性。相比之下，甲基麦角新碱展现出稳健的剂量依赖性促分化效果，5 μM能显著提高分化指数，且线性回归分析显示其剂量与分化效果呈显著正相关。这突显了甲基麦角新碱在用于培养肉生产的猪源细胞中具有更好的应用潜力和安全性。
本研究得出结论，dovitinib和甲基麦角新碱是通过抑制FGFR1信号通路来增强肌源性分化的有效调节剂。它们在C2C12和猪肌肉干细胞中均能上调MyoG和MHC等关键分化标志物，并促进肌管形成。特别值得注意的是，dovitinib和甲基麦角新碱表现出阶段依赖性的效应，这提示了一种潜在的双阶段分化策略：可以用dovitinib作为“启动开关”来触发早期肌源性程序，再用甲基麦角新碱来驱动和维持后续的肌管融合与成熟。dovitinib作为“金标准”抑制剂验证了靶向FGFR1这一机制的有效性；而甲基麦角新碱作为一种已获临床批准、成本低廉的化合物，则为寻找具有类似结合模式的天然、食品级FGFR1拮抗剂（如植物化学物）提供了先导结构。这项研究为改善培养肉系统中肌肉组织的形成效率和质量一致性提供了一种实用的小分子调控策略，对推动细胞农业的规模化发展具有重要意义。
