大小和改善胫骨骨质量增加了肌肉生长抑制素基因突变在日本鹌鹑
Joonbum李1,
吴Kyun金
Kichoon李- 1俄亥俄州立大学动物科学系的,哥伦布,哦,美国
- 2家禽学系科学,乔治亚大学,美国佐治亚州雅典
生产大量的肉在短生长期从现代肉鸡家禽行业提供了巨大的经济效益。然而,可怜的骨造成的肉鸡品质快速增长是现代肉鸡产业的问题之一。发现和调查后的肌肉生长抑制素(MSTN)作为anti-myogenic因素增加肌肉质量目标击倒在各种动物模型,进一步积极MSTN基因突变对骨的影响品质报告MSTN基因敲除小鼠。虽然同样的有利影响肌肉的MSTN基因突变已在MSTN突变鹌鹑和鸡,骨质量的MSTN基因突变鸟没有调查,。在这项研究中,胫骨骨收集从MSTN突变体和野生型(WT)鹌鹑在4个月大的时候,分析了微型电脑断层扫描比较大小和力量的胫骨骨骨干和质量参数和干骨后端区域。长度、宽度、皮质厚度和胫骨骨的骨强度MSTN突变组WT组相比显著增加,表明积极的MSTN基因突变对胫骨骨大小的影响和力量。此外,骨矿物质含量和骨体积的骨干,生长板皮质骨,整个干骨后端,metaphyseal骨小梁和皮质骨MSTN基因突变组显著增加WT组相比,表明在整个胫骨骨矿化增加了MSTN基因突变。尤其是高骨矿物质密度(BMD)的骨干,更高的总表面干骨后端,和更高的BMD,小梁厚度,总量metaphyseal小梁骨MSTN基因突变组相比WT组建议改善骨质量和结构稳定性的骨干和干骨后端地区重要改变小梁骨MSTN基因突变。综上所述,MSTN可以被视为一个潜在的目标不仅增加肉类产量,但同时改善骨质量,可以减少发病率的腿骨烤焙用具行业的问题。
介绍
在现代家禽产业,快速增长的肉鸡提供巨大的经济效益,提供大量的肉在一个增长周期短。然而,腿部骨骼发育异常被认为是一个快速增长的肉鸡的主要问题(朱利安,2005;汤普金斯et al ., 2022 b;2022年,一个)。特别是身体的快速增长和骨的早期生长阶段肉用鸡建议骨质量差的主要原因之一,在快速增长的肉鸡(威廉姆斯et al ., 2000,2004年;汤普金斯et al ., 2022 a;2022 b)。减少经济损失和对动物福利的担忧造成的腿骨肉鸡的问题,遗传因素也应该考虑和调查除了其他方面包括营养和环境因素(垫片et al ., 2011;刘et al ., 2015;黄et al ., 2017)。
肌肉生长抑制素(MSTN)是一个主要anti-regulator肌肉增长和一直在研究各种MSTN基因变异的动物和人类(Grobet et al ., 1997;香农et al ., 1997;香农和李,1997年;Schuelke et al ., 2004;莫舍et al ., 2007;Bi et al ., 2016;Lv et al ., 2016)。最近开发的鸡和鹌鹑的突变MSTN基因显示身体和肌肉重量增加,证实了鸟类物种的anti-myogenic MSTN的函数(金正日et al ., 2020;李et al ., 2020)。此外,减少脂肪沉积,MSTN的另一个主要表型变异动物(香农和李,2002年;任et al ., 2020),也称MSTN变异鸟(金正日et al ., 2020;李et al ., 2020),表明哺乳动物和鸟类之间的MSTN的保存功能。
MSTN基因敲除小鼠表现出较高的骨矿物质含量(BMC),骨密度(BMD)、骨体积(BV)相比WT老鼠从双能x线吸收仪分析10周的整个身体的年龄(Suh et al ., 2020)。MSTN基因突变导致的形态变化,如额外的肋骨和骨盆倾斜MSNT变异猪(钱et al ., 2015和兔子Zhang et al ., 2019),分别被报道。然而,MSTN突变体的表型变化的骨头鸟还没有报道,。
根据MSTN的积极影响失活在小鼠模型(骨质量证明Suh et al ., 2020),这是假设MSTN的骨质量变异的鸟类可能得到改善与野生型相比(WT)控制。为了解决这个问题,4个月大的胫骨骨WT MSTN基因变异的鹌鹑,生成在我们先前的研究(李et al ., 2020),分析了微型电脑断层扫描(ct机)扫描。ct机是一种精确的评估方法,可以提供一个全面的概述建筑特点在禽类骨头(汤普金斯et al ., 2022 a;2022 b)。三维结构评估可以提供深入了解背后的遗传调制和骨骼特征改变。此外,强度测试是用于进一步证实通过测量ct机扫描质量。
材料和方法
动物保健和骨抽样
动物保健协议和实验程序批准的俄亥俄州立大学制度动物保健和使用委员会(IACUC;协议2019 a00000024-r1;2022年1月21日)批准。WT鹌鹑和鹌鹑纯合子单一氨基酸的缺失突变MSTN基因以前生产使用CRISPR / Cas9-mediated基因组编辑(李et al ., 2020),在这项研究中用作WT MSTN基因变异的鹌鹑,分别。鹌鹑都保持在美国俄亥俄州立大学家禽在哥伦布,俄亥俄州和美联储随意。鹌鹑在4个月大的时候被安乐死通过有限公司2吸入。安乐死后,胫骨骨的双腿从八WT采样和八个MSTN突变雄性。骨头滚单独用纸巾并存储在塑料管−20°C冷冻直到进一步分析。
分析胫骨骨
评估骨形态学变化和microarchitectural变化,左侧胫骨骨每组八个鹌鹑的收集,和肌肉被移除之前由ct机扫描分析。骨骼扫描显示一个标准协议在73千伏、136μA,和一个0.5毫米的铝过滤器,执行和分析SkyScan 1172 (SkyScan, Kontich,比利时)。像素大小是固定在25µm 0.25°旋转角是应用于每一个步骤。图像被转移到CTAn软件(CTAn SkyScan) 3 d结构建设和量化。胫骨干骨后端和骨干部分的骨头CTAn手动选择。皮质骨和骨小梁参数进行了分析,分别。以下参数量化:BMC、弹道导弹防御组织总量(电视)、BV、骨体积/组织体积或骨体积分数(BV /电视),小梁厚度(结核病。Th),总孔隙的体积(Po。V(合计)),总孔隙度百分比(Po(合计)),组织表面积(TS),骨表面积(BS)、骨表面每总量或骨表面密度(BS /电视)、骨表面/骨体积或特定骨表面(BS / BV) (陈和金,2020年)。所有的骨骼特征是高度相关的健康状况和骨强度在许多物种(陈et al ., 2020;汤普金斯et al ., 2022 a;b)。除此之外,整个骨长度和骨骼生长板宽度测量使用CTAn统治者工具衡量直线距离(图1 a, B)。大孔隙对血液的静脉和神经纤维通过(哈弗斯管)作为里程碑式的选择上的特定位置长骨生长板的宽度和皮质骨厚度测量使用CTAn软件统治者工具(图1一个)。皮质骨厚度计算平均厚度四个相反方向测量皮质mid-shaft (图1一个)。
图1。(一)。皮质厚度和广度都测量的插图。(B)。横向的观点4个月大的雄性鹌鹑胫骨骨。骨骼的长度与CTAn尺子测量工具。(C)。横向的观点从微ct扫描获得的胫骨骨干。(D)。横向的观点胫骨干骨后端与小梁骨(蓝色)和皮质(灰色)结构。横向的观点胫骨干骨后端骨小梁结构(底部)。(E)。的横向视图重建胫骨干骨后端的骨头(上)。横向的观点在胫骨干骨后端区骨小梁(底部)。
骨强度
右胫骨骨被用来分析骨强度的差异(BBS) WT与MSTN突变组。在测量BBS,骨头解冻之前3 h在室温和剩余的骨头断裂点周围的软组织被清洗。论坛是由三点弯曲试验使用材料试验机(TA稳定的微系统。XT + 100,稳定微系统公司,英国萨里郡)100公斤加载细胞和2毫米/秒的速度,直到骨头骨折。
统计分析
学生的t以及用于分析测量左胫骨骨大小和参数和右胫骨骨BBS与设定的显著性水平p< 0.05。
结果
MSTN基因突变的影响胫骨骨大小和力量
整个胫骨骨长度大于MSTN基因突变组相比WT组(表1;图1 b)。生长板骨宽度和生长MSTN组皮质厚度明显大于那些WT组(表1;图1 c)。此外,BBS的胫骨骨在MSTN组相比显著增加WT组(表1)。
表1。长度、宽度、皮质骨厚度和骨强度的4个月大WT MSTN基因突变和鹌鹑胫骨骨。
MSTN基因突变的影响胫骨骨生长板材料和结构属性
中间的骨干是一个轴的地区的胫骨骨,主要由一个紧凑的外骨层,称为皮质骨、髓腔内(图1 c)。使用ct机扫描,材料和结构属性的骨干和皮质骨进行了分析(表2)。整个生长板结构分析显示更高的BMC和BMD的胫骨骨的MSTN基因突变组相比WT组(表2)。虽然电视并没有显著的差异在两组之间,BV的骨干MSTN突变组高于WT组(表2)。此外,BS / BV和BS /电视,但不是废话,骨干的MSTN基因突变组明显不同于那些WT组(表2)。
表2。WT的生长特性和MSTN基因突变胫骨骨。
骨干区域作为一个主要组成部分,生长板骨密质MSTN基因突变组显示更高的BMC,相比电视,BV的WT组(表2)。然而,BMD,阿宝。V(合计)和Po(合计)生长的骨密质两组之间没有显著差异(表2)。
MSTN基因突变的影响胫骨骨metaphyseal材料和结构属性
不同于骨干,骨小梁形成内部干骨后端内外侧皮质骨区域(图1 d, E)。因此,metaphyseal骨小梁和皮质骨分别分析连同整个metaphyseal结构分析(表3)。整个胫骨干骨后端骨MSTN基因突变组显示更高的BMC,电视、BV、TS相比的WT组(表3)。然而,BMD整个干骨后端没有明显不同的两组(表3)。
表3。Metaphyseal WT MSTN基因突变和胫骨骨的性质。
metaphyseal的骨小梁,所有参数、BMC、骨密度、结核病等。Th,电视,显著增加MSTN基因突变组相比WT组(表3)。然而,干骨后端皮质骨的MSTN突变胫骨骨显示更高的BMC和BV,但不是BMD和电视相比WT胫骨骨(表3)。
讨论
鸟类的骨头快速增长、薄和相对密度比哺乳动物(2010年杜蒙特)。MSTN基因突变鹌鹑模型提供了一种新方法用于检查MSTN函数对于骨质量。作为anti-myogenic调节器,MSTN基因突变导致的体重增加鹌鹑在我们之前的研究(李et al ., 2020)。除了增加肌肉质量,基于当前数据,MSTN基因突变鹌鹑显示胫骨骨长度和宽度与WT鹌鹑相比,这是类似于MSTN基因敲除小鼠股骨骨皮质较厚的骨头长(Hamrick 2003)。虽然BMD在生长板皮质骨组之间保持不变,皮质厚度和论坛也增加MSTN基因突变组相比WT组,表明MSTN基因突变在鹌鹑增加骨密度,改善骨质量。的长骨骨干是上腹部主要由密集的皮质骨密质骨,激进的发展特点是在皮质骨骨干,和皮质骨生长板结构对结构强度至关重要(Isojima和西姆斯,2021年)。一般来说,皮质骨质量和厚度是高度相关的BBS (Augat Schorlemmer, 2006)。因此,显著提高BVMSTN基因敲除会导致更高的BBS,骨量的变化属性更好的骨质量的主要因素是在当前的研究中。
像骨干结果,显著增加BMC和BV的干骨后端MSTN组相比在WT组显示更多的矿化在干骨后端MSTN基因突变。此外,增加电视的全干骨后端MSTN基因突变组相比WT组也表明更广泛的MSTN基因突变组干骨后端。在干骨后端,更高的BMC,骨密度、结核病等。Th,和电视metaphyseal MSTN基因突变组骨小梁观察WT组相比,建议改善骨小梁质量MSTN基因突变。骨小梁骨密质相比是一个动态的结构。小梁骨质量的主要贡献者之一骨强度和质量(加里森et al ., 2011)。改变结构和降低骨矿物质含量/密度被报道在肉鸡致病性挑战模型(Raehtz et al ., 2018;汤普金斯et al ., 2022 b)。因此,改善骨小梁的质量能提高骨完整性面对压力条件。有趣的是,与高BMD整个骨干MSTN基因突变组BMD全干骨后端两组之间的相似。这可能是进一步支持的发现增加了22%的BMC整个干骨后端骨结果主要来自类似的增加率,19%,整个干骨后端骨的电视而不是MSTN基因突变组BMD的变化。
类似于胫骨骨的结构分析结果MSTN突变鹌鹑,生长板皮质骨厚度和BV,没有BMD的改进,在胫骨、肱骨骨MSTN基因突变小鼠相比WT老鼠(Suh et al ., 2020)。此外,骨小梁质量改善鹌鹑的MSTN基因突变所示肱骨骨小梁BMC(高Hamrick et al ., 2002),小梁在第五腰椎BMD (Hamrick et al ., 2003)。这些结果表明类似的功能MSTN基因在骨骼发育和质量监管,连同anti-myogenic函数,在哺乳动物和鸟类之间。在小鼠在体外研究中,直接影响骨重塑MSTN的状态通过促进破骨细胞分化(Dankbar et al ., 2015)和抑制成骨细胞分化(秦et al ., 2017)报道。MSTN基因突变可以积极影响骨形成率和减少骨吸收,最终导致一个更大的骨体积MSTN基因敲除小鼠(Suh et al ., 2020)。成骨细胞促进骨形成和矿物质沉积,而破骨细胞解决骨和启动骨重塑(松尾和老大2008)。这两个骨细胞的分化和活动是维持骨骼质量和完整性的关键(Alliston 2014)。研究使用老鼠在体外细胞模型表明,MSTN与监管机构基本骨内稳态的调节成骨细胞和破骨细胞活动(Ewendt et al ., 2021)。例如,研究使用小鼠成骨细胞的细胞MC3T3表明MSTN的增加水平促进骨骼生长抑制剂的表情如sclerostin(苏斯特),还有osteoclastogenic刺激器如RANKL (秦et al ., 2017)。此外,Runx2 MSTN也降低显著增加,这是一个基本osteoblastogenic监管机构,通过的下调WNT信号(秦et al ., 2017)。与当前的研究,很可能的活性成骨分化或osteoclastogenic分化可以由MSTN突变,从而积极影响骨形成率和重构状态,最终导致更大的骨体积在MSTN基因变异的鹌鹑。此外,在小鼠研究中,增加骨密度与成骨细胞的成骨分化的变化和MSNT抑制脂肪形成。众所周知,WNT通路是一个最重要的信号通路促进成骨细胞分化,和这个通路的激活显示anti-adipogenesis anti-chondrogenesis(但促进软骨细胞肥大)函数在骨形成过程中(Olivares-Navarrete et al ., 2011;李et al ., 2017;谜语和克莱门斯,2017)。WNT通路的激活可以阻止PPAR-gamma-induced脂肪形成和诱导RUNX2表达式,它提交间充质干细胞分化成成骨细胞表型(桑托斯et al ., 2010)。因此,WNT通路的规定,和成骨分化之间的交互和脂肪形成的分化可以在将来的研究中了解MSTN骨内稳态的关键。
鸡肌肉收益率一直被视为最重要的一个特征基因品种选择(贝利et al ., 2020)。然而,连续选择快速增长肌肉和高收益率肉鸡的重心转移,改变了生物力学结构(黄et al ., 2019)。肌肉和骨骼之间的发展不平衡出人意料地与代谢和骨骼疾病的发病率在现代肉鸡品种。肉鸡,大部分骨骼疾病发生在长骨(胫骨和股骨)(做饭,2000;阿克于兹Onbaşılar, 2020)。因此,腿部疾病在肉鸡福利问题的一个重要原因。缓慢生长鸡相比,快速增长的肉鸡具有矿物含量相对低,较高的孔隙度,降低BBS (威廉姆斯et al ., 2000)。显著增加在胫骨骨矿化MSTN基因突变所示高BMC和BV生长板和metaphyseal地区建议MSTN作为一个潜在的遗传因子,可以提高骨矿化,骨强度及结构完整性在快速增长的肉鸡。
总之,MSTN基因突变导致长,宽,厚,和更强的胫骨骨显著改善骨质量参数的骨干和鹌鹑胫骨干骨后端区域的骨头。目前的研究提供了科学证据的潜在应用MSTN不仅增加肉类产量,而且在家禽中提高骨质量。
数据可用性声明
最初的贡献提出了研究中都包含在本文/辅料,可以针对相应的作者进一步询问。
道德声明
动物研究是审查和批准的动物保健协议和实验程序批准的俄亥俄州立大学制度动物保健和使用委员会(IACUC;协议2019 a00000024-r1;2022年1月21日)批准。
作者的贡献
工作和KL的概念和设计研究。杰、欧美和DK执行实验和组织数据。杰、欧美和工作进行了统计分析。杰,欧美、工作和KL写了初稿的手稿。所有作者导致修订手稿、阅读和批准提交的版本。
资金
这项研究是由美国农业部国家粮食与农业研究所的资助项目(2020-67030-31338)。
确认
我们感谢玛德琳c Karolak和本杰明·m·波尔的支持在骨强度实验中,为她宝贵的援助和米歇尔Milligan校对这个手稿。
的利益冲突
作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。
出版商的注意
本文表达的所有索赔仅代表作者,不一定代表的附属组织,或出版商、编辑和审稿人。任何产品,可以评估在这篇文章中,或声称,可能是由其制造商,不保证或认可的出版商。
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关键词:肌肉生长抑制素、鹌鹑、胫骨骨ct机,长骨质量
引用:李J,汤普金斯Y, Kim d - h K金工作和李(2023)大小和改善胫骨骨质量增加了肌肉生长抑制素基因突变在日本鹌鹑。前面。杂志。13:1085935。doi: 10.3389 / fphys.2022.1085935
收到:2022年10月31日;接受:2022年12月12日;
发表:2023年1月04。
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安东尼Pokoo-Aikins、毒理学和霉菌毒素研究单位,美国国家家禽研究中心、农业研究服务(美国农业部),美国版权©2023年李,汤普金斯金,金和李。这是一个开放分布式根据文章知识共享归属许可(CC)。使用、分发或复制在其他论坛是允许的,提供了原始作者(年代)和著作权人(s)认为,最初发表在这个期刊引用,按照公认的学术实践。没有使用、分发或复制是不符合这些条件的允许。
*通信:吴Kyun金,wkkim@uga.edu;Kichoon李,lee.2626@osu.edu