肌肉量的下降会严重地影响健康问题，降低生活质量，增加发病率和死亡率的风险。肌肉生长抑制素（Myostatin，MSTN）是转化生长因子β家族的成员，是骨骼肌生长和发育的主要调节因子。已有研究表明，MSTN的突变改变了猪肠道微生物群的组成。然而，MSTN缺失如何影响肠道微生物群尚不清楚。2023年4月，延边大学全林虎/康锦丹教授团队在生物学著名期刊Elife（Nature Index期刊）上发表了题为“Fecal transplant from myostatin deletion pigs positively impacts the gut-muscle axis”的研究论文，该研究揭示了肌肉生长抑制素MSTN基因缺失对肠道微生物群变化的调节途径，以及肠道微生物群与骨骼肌生长和功能之间的关系。该研究中16s rRNA测序和分析部分由诺禾致源提供。肌肉生长抑制素缺失猪的粪便移植对肠肌轴有积极影响

研究背景

遗传变异已被证明会影响肠道菌群的组成，而肠道菌群对肌肉生长发育也有影响。短链脂肪酸(SCFAs)是肠道微生物群衍生的代谢物，从肠腔吸收并影响宿主骨骼肌质量和代谢。它们主要通过G蛋白偶联受体(GPR)参与调节脂质和葡萄糖代谢，其在骨骼肌发育中发挥作用的机制仍需进一步阐明。

研究路线

研究结果

1.MSTN缺失促进骨骼肌生长并改变猪肠道微生物群的组成  

研究人员使用TALEN基因组编辑技术，以MSTN基因两个等位基因缺失2bp和4bp的MSTN^-/-猪为研究对象。结果发现MSTN^-/-猪具有更高的骨骼肌质量和肌纤维横截面积(CSA)。对MSTN^-/-和野生型猪的粪便样本采用基于16s rRNA测序分析，比较了其肠道菌群的多样性和丰度情况。结果表明，MSTN缺失会改变肠道微生物的组成结构，富集了产生SCFAs的微生物。

图1 MSTN缺失促进猪骨骼肌增大并改变肠道菌群组成

2. MSTN缺失导致肠道结构和屏障功能的改变

肠道环境和屏障功能的变化会影响肠道菌群的组成。研究人员观察到MSTN^-/-猪的肌层变厚，皱襞变长，平滑肌蛋白α-SMA和calponin-1的表达增加。此外，紧密连接相关基因TJP1和OCLN的表达量较高。肠紧密连接受MLCK和MLC调控，发现MSTN^-/-猪的肠道中MLCK和p-MLC的水平降低。MSTN受体SB431542抑制剂处理IPEC-J2细胞后，导致MLCK和p-MLC水平降低，从而诱导紧密连接因子TJP1和OCLN的高表达。这些结果表明，MSTN基因缺失会通过MLCK/MLC通路影响肠屏障功能。

图2 MSTN缺失改变猪肠道结构和紧密连接

3. MSTN−/−猪粪便微生物群移植改变小鼠体内微生物群组成

为了确定来自MSTN^−/−猪的肠道微生物群对骨骼肌的影响，研究人员将来自MSTN^−/−和WT猪的粪便微生物移植到小鼠体内。移植WT猪粪的小鼠命名为WT-M，移植MSTN^−/−猪粪的小鼠命名为KO-M。结果发现，KO-M小鼠的肌纤维具有较大的横截面积和较高的快速收缩糖酵解型肌肉质量，且肠道微生物群与WT-M相比发生了显著变化。功能预测分析表明，KO-M的肠道微生物功能主要是与次级代谢物的生物合成有关的途径。

图3 MSTN^−/−猪粪便微生物群移植改变小鼠体内微生物群组成

4. 戊酸通过GPR43激活Akt/mTOR信号促进骨骼肌质量增加

研究人员对小鼠结肠内容物脂肪酸组成进行了质谱分析，结果表明，SCFAs在KO-M中的浓度高于在WT-M的浓度，特别是戊酸和异丁酸的浓度显著较高。进一步，探究了戊酸处理对体内骨骼肌表型的影响，发现戊酸可通过GPR43激活Akt/mTOR信号传导，诱导IIb/糖酵解型肌纤维生长并增加腓肠肌（GA）质量。此外，戊酸还改善了糖皮质激素地塞米松（Dex）诱导的肌肉萎缩。

图4 戊酸通过GPR43激活Akt/mTOR通路促进骨骼肌生长

结论  

   肌肉生长抑制素MSTN基因缺失会改变肠道结构和屏障，重塑肠道微生物群
   肠道微生物代谢产物-戊酸通过GPR43激活Akt/mTOR途径，促进快速收缩糖酵解型骨骼肌生长