肌肉生长抑制素（Myostatin，MSTN）基因作为一种重要的肌肉调控基因，在畜禽生产中具有较强的研究价值和应用潜力。MSTN基因又名生长分化因子-8，其具有1个TGF-β超家族的典型结构，仅有一个开放阅读框，含有375个氨基酸残基，且编码区含有3个外显子和2个内含子，不同物种的心脏、肝脏、肾脏等器官均有表达，但其主要在动物骨骼肌中表达[1-2]。MSTN基因的结构包括信号肽、前肽和成熟肽3个部分，其中成熟肽是其功能的关键执行者。该基因通过抑制肌肉细胞的增殖和分化来调控肌肉生长[3]。Dschietzig[4]研究表明，MSTN功能在脊椎动物中高度保守，通过激活素受体（ActRIIB）-SMAD2/3信号通路抑制成肌细胞分化，这一机制为跨物种研究提供了理论基础。比利时兰牛因天然MSTN基因突变产生的“双肌”表型，直接验证了该基因在突破肌肉生长生理上限中的核心作用，为基因编辑靶向调控奠定了理论基础[5]。
近年来，随着分子生物学技术的快速发展，MSTN基因在畜禽生产中的研究取得了一定进展。基因编辑技术的创新应用尤为突出[6]。Xu等[7]通过卵母细胞电穿孔技术获得MSTN敲除鸡，胸肌质量增加24%。在猪和鸡中，通过基因编辑技术敲除MSTN基因，能够显著提高肌肉质量并改善肉质[8]。MSTN基因的突变或敲除可以显著提高肌肉生长速率和瘦肉率，从而提升畜禽的生产性能。此外，MSTN基因的表达调控机制也受到广泛关注，其表达受多层级调控网络影响，如miR-27 a通过结合MSTN 3'UTR抑制翻译[9]；牛胚胎期MSTN启动子区甲基化水平与肌纤维数量呈显著负相关[10]。为进一步了解MSTN基因在畜禽生产中的作用机制及其应用潜力，本文从MSTN基因的表达调控机制以及其在畜禽遗传改良中的应用等方面，系统综述了该基因在畜禽生产中的研究进展。通过整合前沿研究成果，为相关理论探索和生产实践提供参考。
1 MSTN基因的作用机制
1.1 信号转导途径
MSTN基因作为肌肉生长的负调控因子，其调控涉及多种信号途径共同协调参与。骨骼肌生长发育依赖于成肌细胞的增殖和分化，当成肌细胞开始分化时，细胞增殖会在细胞周期中被阻止，最终导致肌管的形成。MSTN主要通过Smad途径来发挥其功能。TGF-β/Smad通路依靠TGF-β受体和受体底物Smad蛋白家族信号分子相互作用来完成细胞信号的传输。在细胞外，MSTN蛋白不具有活性，与其受体结合才能发挥作用。该蛋白在骨骼肌细胞中的转导机制如下：MSTN蛋白首先与细胞膜表面的Ⅱ型受体ActRIIB结合，进而激活Ⅰ型受体ALK4/5；活化的Ⅰ型受体磷酸化调节型Smad蛋白R-Smad（Smad2和Smad3），促使R-Smad与共同介质Smad（Smad4）结合，形成具有转录活性的异源四聚体复合体；复合体转移到细胞核以调控下游基因表达。
1.2 调控Myf5和MyoD的表达
成肌调节因子（MRFs）基因家族在成肌细胞增殖与分化过程中发挥着关键作用，其中Myf5和MyoD作为该家族的核心因子，对肌肉生长和肌形成具有重要的调控功能[11-13]。当肌卫星细胞被激活时，MyoD等肌肉调节因子开始表达，促使卫星细胞聚集并融合形成肌管，促进肌纤维的肥大和肌肉的发育[14]。MSTN基因通过限制肌卫星细胞增殖和分化来拮抗肌肉再生。具体来说，MSTN通过上调Id1-3（DNA结合蛋白的抑制子）的表达，阻断MyoD和Myf5的正常功能，从而降低成肌细胞的增殖和分化能力。但MSTN的上调可能会引发MyoD的异常高表达，造成过度分化，从而抑制成肌细胞前体及其增殖能力，降低肌肉生长速度和产肉量。
1.3 调控CDK2基因的表达
Arora等[15]研究表明，MSTN可能通过Smad信号通路抑制CDK2的表达。具体而言，活化的Smad2/3可抑制转录因子对CDK2基因的激活，从而降低其mRNA水平。除信号通路调控外，MSTN还可能直接作用于CDK2的启动子区域，与特定的转录因子结合，抑制CDK2基因的转录。此外，MSTN可能通过表观遗传机制，如DNA甲基化或组蛋白修饰，影响CDK2的表达水平[16]。例如，MSTN可能导致CDK2启动子区域的高甲基化，抑制其转录活性。在骨骼肌负调控过程中，MSTN基因会降低CDK2的表达并同时上调p21的表达，使CDK2细胞周期活性降低，进而抑制Rb蛋白磷酸化，这些变化导致成肌细胞阻滞在G1期，无法正常进入S期，最终阻碍细胞周期进程[17]。
1.4 与其他调节因子的互作
MSTN通过与多种信号分子相互作用，共同调控骨骼肌的生长与稳态维持，如胰岛素样生长因子-1（IGF-1）、哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mTOR）等。其中，IGF-1作为一种重要的信号调节因子，对机体细胞的增殖与分化具有重要的调控作用。而MSTN可拮抗IGF-1的促生长效应，从而维持肌肉生长的平衡。在分子机制上，IGF-1能够激活PI3K/Akt信号通路，促进骨骼肌细胞增殖、成肌细胞分化，并诱导C2C12肌管肥大及肌卫星细胞数量增加[18]。经过磷酸化的Akt可以显著降低转录因子FoxO的活性，并阻止其进入细胞核发挥作用，进而抑制与肌肉萎缩相关的基因表达。
2 MSTN基因在畜禽生长中的作用
2.1 调控骨骼肌的发育
MSTN通过抑制肌纤维的增生与肥大来调控骨骼肌的发育。例如，龙定彪等[19]通过实时荧光定量PCR方法探讨了MSTN基因在荣昌猪和长荣猪中的表达情况，结果显示，随着这两种猪的体重逐渐增加，MSTN基因在其背最长肌中的表达水平明显提升。而MSTN基因突变可打破该抑制效应，通过促进肌纤维肥大和增生来推动骨骼肌生长。Peng等[20]研究发现，与野生小鼠相比，MSTN基因突变型小鼠的骨骼肌肌纤维的数量和DNA量都显著增加。朱琳等[21]对各14头MSTN突变型鲁西牛和野生型鲁西牛的骨骼肌进行HE染色切片，观察并比较其肌纤维横截面积与肌间脂肪含量，发现突变型牛骨骼肌的肌纤维面积明显大于野生型牛，但两者的骨骼肌肌纤维个数无明显差异；同时突变型牛4种骨骼肌中MSTN mRNA表达量均显著低于野生型、突变型牛的mRNA表达量，证实MSTN基因突变可通过下调自身基因表达调节肌肉细胞发育分化，进而促进肌纤维横截面积增大。
2.2 影响脂肪酸的合成与代谢
骨骼肌细胞或脂肪组织中MSTN基因的缺失会对脂肪产生诸多影响。研究发现，突变型牛与野生型牛的MSTN基因的表达不同[22]。当MSTN基因被敲除时，肌肉组织中的脂肪酸转运蛋白会显著下调，进而抑制脂质氧化途径中的柠檬酸合酶活性，从而导致脂肪含量的降低。杨明[23]和Zhang等[24]的研究发现，小鼠脂肪组织中MSTN的缺失会使脂肪组织受到不同程度的损伤，这与脂肪酸氧化增强以及线粒体活性增加密切相关。与野生型动物相比，MSTN的敲除或抑制能够显著降低肌内脂肪含量，从而阻碍脂肪细胞的沉积[25]。MSTN基因还与脂肪细胞的转化密切相关，Lin等[26]研究发现，敲除MSTN基因的小鼠脂肪合成受阻，瘦蛋白的产生也明显减少。郭亚男等[27]研究发现，MSTN敲减后主要通过调控其下游转录因子SMAD3与Cpt1b基因启动子的结合，上调Cpt1b的表达，从而促进肌内脂肪酸的β氧化代谢。
MSTN还可以通过改变骨骼肌线粒体的功能来影响脂肪酸代谢。研究表明，MSTN突变对于改变马骨骼肌线粒体结构具有重要意义[28]。MSTN的缺失突变后，三羧酸循环中的三种关键限速酶的表达受到抑制，最终将导致三羧酸循环反应减弱[29]。Ploquin等[30]研究发现，MSTN缺失的肌肉组织中线粒体功能会受到影响，具体表现为数目减少，柠檬酸合酶活力减弱，同时肌间线粒体呼吸下调，基底耗氧量增加。敲除MSTN基因后，小鼠对肌肉组织中的线粒体功能产生了显著影响，其增加了β-线粒体脂肪酸的氧化活性，而三羧酸循环和氧化磷酸化过程则受到抑制[29]。Fournier等[31]研究表明，通过阻断棕色脂肪细胞MSTN/ActRIIB信号通路，可以大幅提升线粒体功能和呼吸系统的运作效率。
3 MSTN基因在畜禽育种改良中的应用
3.1 MSTN基因多态性分析
目前，已经在牛、马、山羊、绵羊、猪、鸡、鸭等畜禽的MSTN基因中检测到了SNPs位点，且其中一些关键SNPs位点可作为肉用性状选育的分子标记，具备作为分子标记辅助畜禽育种的潜在应用价值。MSTN基因的SNPs位点具有保守性，在外显子和内含子区中均能检测到。例如，刘晓琴等[32]在长白猪、大白猪、杜长大、通城猪、莱芜猪和五指山猪6个不同猪种的MSTN基因中共检测到16个SNPs。吴志培[33]在牛羊亚科动物MSTN基因及其受体基因（ACVR2A、ACVR1B、ACVR2B、TGFBR1）的突变特征研究中发现，MSTN基因全长序列上共鉴定出23个氨基酸突变位点，其中4个受体基因序列均表现出极强的保守性，在检测范围内仅发生极少数突变；且在牛、山羊的MSTN基因区间检测到的SNP位点绝大多数为低频突变，在牛中检测出的261个SNPs位点中有57个SNPs位点在第三外显子上；在山羊中共检测出253个SNPs位点，其中有18个在第三外显子上；宋绍征等[34]和刘铮铸等[35]研究发现，山羊MSTN基因的内含子中存在SNPs位点，影响其生长性状；牦牛MSTN基因的内含子中存在影响生长性状和肉用指数的SNPs位点，使野生突变型牦牛的胸围指数和肉用指数等性状得到提升[36]。
现已在肉牛MSTN基因上分析鉴定出6个与“双肌”性状的出现密切相关的变异位点。冀德君等[37]研究了普通牛、瘤牛、大额牛和牦牛MSTN基因的变异情况，该基因的外显子区核酸序列共发现7个SNPs位点。常春芳等[38]研究表明，雷琼牛MSTN基因的第三密码子上共存在4个突变位点且均属于同义突变。利用液相捕获测序技术对杜泊羊、滩羊和小尾寒羊的MSTN变异位点进行分析，获得具有显著差异的rs129059715位点，该位点能够显著影响绵羊的生长性状，改善屠宰性能、肉品质、脂肪酸含量，所以将其作为产肉性能和肉品质的潜在候选标记[39]。张磊等[40]研究发现，3'-UTR-272位点的突变能够显著改善东佛里生羊的体斜长性状；而5'-URT-176位点的突变能够显著影响其胸围特征。因此，3'-UTR-272和5'-URT-176位点可以作为东佛里生羊及其杂交群体肉用性状选育的分子标记。
3.2 MSTN基因突变型优质个体
为提高肉牛产肉性能，可通过MSTN基因突变牛为父本与本地牛开展二元杂交和三元杂交，同时对母系进行选种选配、精准饲喂，以降低难产率，获得更多具有优异性状的杂交突变型牛。张秋菊[42]对皮埃蒙特牛与秦川牛开展二元杂交实验，发现皮秦F1牛在生长性状、产肉率、屠宰率等方面的表现优于秦川牛，具有更高的经济价值。董文秀等[43]用比利时兰牛与利木赞牛×本地牛进行三元杂交试验，与二元杂交牛相比，获得的三元杂交后代屠宰率和净肉率显著提高，这说明三元杂交牛在提高肉质方面更具优势。张雅晶等[44]分析了比利时兰牛与本地牛的二元杂交后代的产肉性能，发现与本地牛相比，杂交牛的胴体重、净肉重、屠宰率等表现更优秀。将纯种皮埃蒙特牛和当地肉牛品种进行杂交，F1代在生长性状方面的表现更突出，其体重增长快，净肉率和屠宰率增加，且后躯发达，母牛产奶量较高[45]。梅山猪具有性成熟早、繁殖高、繁殖障碍少、杂交优势明显等特点[46]。李伟建等[47]通过人工授精技术将MSTN+/-杜洛克公猪与MSTN+/+梅山母猪杂交，得到15头MSTN+/+和28头MSTN+/-杜梅二元猪。在相同饲养条件下，两种基因型猪在生长性能和体型上无显著差异，但胴体性能差异显著，MSTN+/-杜梅二元猪的胴体瘦肉率显著提高约8%，脂肪率显著降低约7%，屠宰率、眼肌面积大幅提高。
3.3 MSTN基因编辑
现代基因编辑技术，如CRISPR/Cas9、锌指核酸酶技术等为MSTN基因的研究提供了新的可能。编辑MSTN基因能够促进畜禽的肌肉生长，改善肉用品质。通过合理改造MSTN基因，基因编辑技术能够有效促进肌肉发育、提升产肉性能[48]。该技术能够有效地应用于新品系的培育。魏著英等[49]以蒙古牛、鲁西牛和西门塔尔牛为对象，通过CRISPR/Cas9基因编辑技术，对MSTN进行编辑，成功培育出“双肌鲁西牛”等高产优质肉牛新品系。Wang等[50]和Zhou[5]利用CRISPR/Cas9技术实现了山羊和绵羊MSTN基因的编辑，成功获得了体重增加、肌纤维尺寸增大且肉质较佳的羊品种。Qian等[51]使用锌指核酸酶技术结合体细胞核移植培育出MSTN缺失型梅山猪，其后代表现出显著的双肌表型，其后驱异常发达，肌肉质量较野生猪增加了50%~100%。这些研究均表明MSTN基因编辑技术在育种改良中运用效果较好。
MSTN编辑技术在多个领域的研究中发挥重要作用，然而实际应用中仍有一些问题亟待解决，例如，双肌动物的公畜难以自然交配、母畜受孕率低、后代的存活率低等；以及突变基因的表达可能对胎儿发育产生多重影响。该变异会促进骨骼肌的过度发育，导致胎儿体重异常增加、体型增大，进而增加母畜分娩难度，引发难产风险上升。这不仅会影响母畜的繁殖性能，还会给生产养殖带来较大的经济损失。随着对MSTN基因突变型牛的深入研究，逐步证实MSTN基因突变的双肌型母牛存在难产的隐患要高于普通肉牛品种。研究发现，妊娠母牛的骨盆面积较小是导致难产的一个重要原因[52-53]。Kolkman等[54]研究表明，突变型犊牛的头部与肩部均显著大于野生型犊牛，且剖宫产出生的突变犊牛的比例低，表明突变致使体型过大的犊牛易卡在骨盆腔内窒息而亡。此外，也有研究表明，纯合突变的MSTN基因危害性更大，犊牛的致死率更高。Fiems等[55]研究指出，在纯合突变的比利时兰牛中，MSTN基因突变导致包裹骨盆的肌肉发育过度，致使母牛分娩过程中断，犊牛娩出困难甚至死亡。
4 结论与展望
MSTN基因作为肌肉生长的关键调控因子，在畜禽生产中展现出显著的应用潜力。本文从MSTN基因的作用机制，以及其在畜禽生长和育种改良中的应用方面，分析了其在畜禽生产中的研究进展。该基因主要通过调控相关基因的表达来促进肌肉生长，影响脂肪酸的合成与代谢，从而提高畜禽产量和质量。目前，通过多态性分析、基因编辑等技术，其在猪、牛等畜禽育种中取得重要进展，但其大规模应用仍需进一步优化和验证。
未来，MSTN基因在畜禽生产中的研究和应用可以从以下几个方面深入。首先，扩展其应用范围至更多畜禽物种，如鸭、鹅等，以探索其通用性和适用性；其次，优化基因编辑技术，提高编辑效率和安全性，减少脱靶效应；此外，深入研究MSTN基因与其他调控因子的协同作用机制，开发多基因协同调控策略，以实现更高效的肌肉生长调控。同时，还需要关注安全问题，减少母畜的难产，确保基因编辑技术的可持续应用。通过持续研究和技术创新，MSTN基因将在畜禽遗传改良中发挥更大作用，为提升畜牧业生产效率和肉质提供参考，助力畜牧业的可持续发展。