Новые данные о роли холина в стимулировании гипертрофии мышечных волокон и митохондриальной функции в мышцах неполовозрелого белого толстолобика

Аквакультура в последние десятилетия стала одним из ключевых драйверов обеспечения продовольственной безопасности, что обусловлено стремительным экономическим ростом и увеличением спроса на высококачественные пищевые продукты. Наряду с количественными показателями, все большее значение приобретает качество рыбного филе — его питательная ценность, органолептические свойства и безопасность. В этом контексте особый интерес вызывают кормовые факторы, способные направленно влиять на формирование мышечной ткани. Одним из таких нутриентов является холин — водорастворимый витамин, играющий важную роль в обмене веществ. Он служит предшественником фосфатидилхолина, ацетилхолина и бетаина, участвуя в регуляции роста, дифференцировки клеток и энергетическом обмене.

Предыдущие исследования уже показали, что добавление холина в рацион молодого толстолобика способствует улучшению ростовых показателей и повышает механическую прочность мышечной ткани. Однако механизмы, лежащие в основе этих эффектов, оставались недостаточно изученными. В частности, не было ясно, каким образом холин влияет на рост и развитие миофибрилл, а также на функциональное состояние митохондрий — центральных органелл энергообеспечения мышечной клетки. Учитывая, что in vitro дефицит холина провоцирует апоптоз в миобластах и нарушает пролиферацию клеток-предшественников, исследователи предположили, что этот нутриент может играть критическую роль в регуляции миогенеза.

Рост мышечной массы у рыб представляет собой сложный биологический процесс, включающий два ключевых механизма: гиперплазию (образование новых мышечных волокон) и гипертрофию (увеличение размеров уже существующих волокон). Гипертрофия, в свою очередь, обусловлена как слиянием миобластов с мышечными волокнами, так и накоплением белка. Центральная роль в регуляции синтеза белка принадлежит сигнальному каскаду инсулин/инсулиноподобный фактор роста 1 — протеинкиназа B — мишень рапамицина млекопитающих (IGF1-AKT-mTOR). Кроме того, важное значение имеют миогенные регуляторные факторы, контролирующие пролиферацию и дифференцировку мышечных клеток.

Одним из метаболитов холина является бетаин, который, как известно из экспериментов на птицах и млекопитающих, способен повышать экспрессию митохондриальных белков. В то же время дефицит холина у рыб ассоциирован со снижением экспрессии гена TOR в мышцах и кишечнике. Эти наблюдения позволили выдвинуть гипотезу о том, что холин может оказывать комплексное влияние на рост мышечной ткани через регуляцию пролиферации и гипертрофии миофибрилл, а также через поддержание митохондриальной функции.

Формирование мышечной ткани не ограничивается структурными изменениями — оно сопряжено с глубокой метаболической перестройкой. Усиление синтеза белка требует значительных энергетических затрат, и основным источником аденозинтрифосфата (АТФ) служат митохондрии, функционирующие за счет окислительного фосфорилирования. Эффективность этого процесса зависит от целостности дыхательных комплексов и морфологии митохондрий. Исследования на млекопитающих показывают, что дефицит холина вызывает образование гигантских митохондрий и снижает активность дыхательного комплекса I в печени, что свидетельствует о тесной взаимосвязи между холином и функцией этих органелл.

Морфология и функциональное состояние митохондрий динамически регулируются системой контроля качества митохондрий, включающей процессы биогенеза, слияния, деления и селективной аутофагии. Ключевые белки, такие как OPA1, DRP1, FIS1, а также путь PINK/Parkin, поддерживают гомеостаз митохондриальной сети. Важно отметить, что холин является предшественником фосфатидилхолина — ключевого компонента митохондриальных мембран. Его дефицит изменяет соотношение фосфатидилэтаноламина и фосфатидилхолина, что может нарушать процессы слияния и деления митохондрий.

В данном исследовании впервые был проведен системный анализ влияния холина на регуляторные белки митохондрий, накопление белка, а также на морфологию и функцию митохондрий в скелетных мышцах неполовозрелого белого толстолобика. Целью работы было выявление механизмов, с помощью которых холин улучшает рост и качество мышечной ткани, а также определение оптимальной потребности в этом нутриенте для рыб данного возраста.

Организация эксперимента и методы

Для проведения исследования были отобраны здоровые особи белого толстолобика со средней массой 583 г. После адаптационного периода рыбы были распределены на шесть экспериментальных групп, которые в течение 56 дней получали рационы с различным содержанием холина: от 154,0 до 1722,8 мг/кг корма. Условия содержания (температура воды, pH, содержание кислорода) поддерживались на оптимальном уровне. По окончании кормления у рыб отбирали образцы белых мышц для комплексного анализа.

Оценивались ростовые показатели, физико-химические свойства филе (твердость, упругость, адгезивность, потери при варке), химический состав мышц, содержание метаболитов холина. С помощью гистологических методов и электронной микроскопии изучали морфологию мышечных волокон и митохондрий. Методами ПЦР в реальном времени и вестерн-блоттинга анализировали экспрессию генов и белков, связанных с миогенезом, синтезом и распадом белка, а также с контролем качества митохондрий.

Влияние холина на рост и качество филе

Результаты эксперимента показали, что добавление холина в рацион оказывает выраженное положительное влияние на ростовые показатели. Конечная масса тела, прирост массы и эффективность корма были значительно выше в группах, получавших холин в количестве от 321,8 до 1373,2 мг/кг, достигая максимальных значений при уровне 1024,9 мг/кг. При этом потребность в холине для достижения максимального процентного прироста массы была определена на уровне 951,2 мг/кг.

Качество филе также претерпело значимые изменения. В группе с оптимальным содержанием холина наблюдалось увеличение твердости и упругости мышечной ткани, тогда как адгезивность и потери при варке снизились. Это указывает на улучшение структурно-механических свойств мяса, что имеет прямое значение для его потребительских качеств. При этом pH мышц существенно не менялся.

Содержание холина и его метаболитов — ацетилхолина и бетаина — в мышцах линейно возрастало по мере увеличения содержания холина в корме. Это сопровождалось повышением экспрессии генов транспортеров холина CTL1 и CHT1, в то время как уровень CTL2 оставался неизменным, что указывает на специфичность механизмов захвата холина мышечной тканью.

Механизмы гипертрофии мышечных волокон

Гистологический анализ показал, что добавление холина способствовало значительному увеличению диаметра мышечных волокон. В частности, доля волокон диаметром менее 50 мкм снижалась, а доля волокон более 100 мкм возрастала. Одновременно увеличивался коэффициент слияния миобластов с мышечными волокнами, что свидетельствует об активации гипертрофии.

На молекулярном уровне это сопровождалось повышением экспрессии ключевых миогенных регуляторов — MyoD, MyoG, Myf5, MRF4, а также гена тяжелой цепи миозина (MYHC). Напротив, экспрессия негативного регулятора мышечного роста миостатина (MSTN) снижалась. Интересно, что холин повышал уровень мРНК миомейкера — белка, критически важного для слияния миобластов, тогда как экспрессия миомиксера оставалась неизменной, что может быть связано с возрастными особенностями роста рыб.

Регуляция белкового обмена

Для понимания механизмов гипертрофии исследовали влияние холина на отложение белка в мышцах. Было установлено, что добавление холина увеличивает содержание сырого протеина и снижает содержание липидов в мышечной ткани. На уровне сигнальных путей холин активировал каскад IGF1-PI3K-AKT, что проявлялось в повышении фосфорилирования AKT и TOR — ключевых регуляторов синтеза белка. Одновременно снижалась экспрессия 4E-BP1, ингибирующего инициацию трансляции.

Параллельно холин подавлял катаболические процессы в мышцах. Это выражалось в снижении экспрессии гена MuRF1 — ключевого фактора убиквитин-протеасомной деградации белка. Данный эффект опосредовался через фосфорилирование фактора транскрипции FoxO3a, что приводило к снижению его активности. Важно отметить, что изменения затрагивали преимущественно FoxO3a, тогда как экспрессия FoxO1a и FoxO1b оставалась стабильной.

Влияние на митохондрии и энергетический обмен

Учитывая высокие энергетические затраты на синтез белка и рост волокон, исследователи проанализировали состояние митохондрий в мышечной ткани. Оптимальное содержание холина в рационе приводило к значительному увеличению уровня АТФ и снижению содержания активных форм кислорода. На ультраструктурном уровне дефицит холина вызывал выраженные нарушения — вакуолизацию митохондрий и разрушение крист. Введение холина восстанавливало нормальную морфологию митохондрий.

На молекулярном уровне холин стимулировал митохондриальный биогенез, повышая экспрессию PGC-1α, NRF1 и TFAM. Также наблюдалась активация процессов слияния митохондрий (повышение экспрессии OPA1, MFN1/2) и подавление их деления (снижение уровня DRP1). Кроме того, уменьшалась экспрессия генов, связанных с митофагией (PINK и PARKIN), что указывает на снижение потребности в утилизации митохондрий благодаря улучшению их функционального состояния.

Анализ активности дыхательных комплексов показал, что холин увеличивает уровень белков NDUFV1 (комплекс I) и ATP5A1 (комплекс V), тогда как активность комплексов II и III существенно не менялась. Это указывает на избирательное влияние холина на определенные этапы окислительного фосфорилирования.

Потребность в холине и практическое значение

На основании полученных данных была определена оптимальная потребность неполовозрелого белого толстолобика в холине. По показателям прироста массы она составила 951,2 мг/кг корма, тогда как для поддержания нормального уровня АТФ в мышцах требовалось несколько большее количество — около 1085 мг/кг. Это различие объясняется тем, что поддержание энергетического гомеостаза может требовать более высокого уровня нутриента, чем обеспечение только ростовых процессов. Интересно, что потребность у неполовозрелых рыб оказалась несколько ниже, чем у молоди, что соответствует общим закономерностям изменения потребностей в питательных веществах в онтогенезе.

Заключение

Проведенное исследование впервые раскрыло комплексные механизмы, через которые пищевой холин влияет на рост и качество мышечной ткани у неполовозрелого белого толстолобика. Было установлено, что холин способствует гипертрофии мышечных волокон за счет активации миогенных регуляторов, усиления слияния миобластов и стимуляции синтеза белка через сигнальный путь IGF1-PI3K-AKT. Одновременно холин подавляет протеолиз, снижая активность FoxO3a и экспрессию MuRF1.

Критически важным открытием является выявленная роль холина в поддержании митохондриального гомеостаза. Оптимальное обеспечение холином улучшает морфологию митохондрий, стимулирует их биогенез и сбалансированную динамику (слияние/деление), а также повышает эффективность окислительного фосфорилирования. Это создает энергетическую основу для интенсивного синтеза мышечного белка и роста волокон.

Полученные результаты не только расширяют фундаментальные представления о роли холина в регуляции миогенеза и митохондриальной функции у рыб, но и имеют важное прикладное значение. Определение точной потребности в холине позволяет оптимизировать рецептуры кормов для белого толстолобика, что будет способствовать улучшению ростовых показателей и повышению качества филе — важнейшего фактора для современной аквакультуры, ориентированной на потребителя.


Источник: Animal Nutrition