精氨酸通过mTOR通路调控日本鹌鹑生长及基因表达的性别二态性研究

《Scientific Reports》：Arginine shapes growth and mTOR pathway gene expression in Japanese quails (Coturnix japonica)

本研究针对精氨酸如何通过mTOR信号通路调控鸟类早期发育这一关键问题，通过设计低精氨酸、对照和高精氨酸饲料喂养日本鹌鹑，系统分析了精氨酸水平对体重、肝脏基因表达及基因网络连接性的影响。研究发现精氨酸限制会显著抑制两性生长，而基因表达响应呈现明显性别特异性：雌性在精氨酸补充后协调上调了IGF1、GHR、EIF4EBP1、FASN、FABP1和SOD2等生长、代谢及抗氧化基因；雄性反应则较为局限，主要涉及MTOR和ATG5。基因网络分析进一步揭示了雌性在营养充足时基因互作更整合、协调。该研究为理解早期营养编程的性别特异性分子机制提供了新见解，对禽类营养学和发育生物学具有重要意义。

　　

在动物生长发育的复杂调控网络中，营养信号扮演着至关重要的角色。特别是某些氨基酸，远不止是蛋白质的简单构建模块，它们还能作为强大的信号分子，激活感知营养的细胞通路，从而精密调控生长、代谢和细胞稳态。其中，精氨酸作为一种多功能氨基酸，因其能激活 mechanistic target of rapamycin (mTOR，雷帕霉素机制靶点) 这一核心营养感应通路而备受关注。mTOR通路如同细胞的指挥中心，整合来自营养、生长因子和能量状态的信号，进而调控蛋白质合成、细胞生长等关键生命过程。对于鸟类等缺乏完整尿素循环、无法自身合成精氨酸的物种而言，膳食精氨酸的供应尤为关键。然而，尽管精氨酸的重要性已被认识，但在鸟类早期发育阶段，膳食精氨酸如何精确调控mTOR信号及其相关基因网络，尤其是是否存在性别差异，仍是亟待深入探索的科学问题。

日本鹌鹑（Coturnix japonica）因其世代周期短、发育阶段明确，成为研究发育分子生理学的理想脊椎动物模型。为此，由 Mequanint Gashew 等研究人员组成的研究团队在《Scientific Reports》上发表了题为“Arginine shapes growth and mTOR pathway gene expression in Japanese quails (Coturnix japonica)”的研究论文，旨在揭示早期膳食精氨酸供应对日本鹌鹑雏鸟生长和肝脏mTOR通路相关基因表达的影响，并特别关注了潜在的性别特异性反应。

为了回答上述问题，研究人员开展了一项为期14天的饲养实验。他们选取了153只两周龄、体型相近的日本鹌鹑，随机分为三组，分别饲喂低精氨酸（0.94%）、对照（1.25%）和高精氨酸（1.56%）水平的日粮。实验期间定期测量体重，并在实验结束时采集肝脏组织。关键技术方法包括：使用实时荧光定量PCR（qPCR）技术检测肝脏中8个关键基因（MTOR, IGF1, GHR, FASN, FABP1, EIF4EBP1, ATG5, SOD2）的表达水平，这些基因覆盖了mTOR信号通路、生长轴、脂质代谢、自噬和氧化应激等多个核心生理过程；并利用基因共表达网络分析，探究不同营养条件下基因间相互作用的整体结构和关键调控节点。所有动物实验均遵循欧盟动物福利指令并获得伦理批准。

Arginine restriction reduces body mass in both sexes

研究结果首先表明，精氨酸限制对鹌鹑的体重增长产生了显著的负面影响。这种影响呈现出时间依赖性，在实验的第一周，不同处理组间的体重尚无差异，但到了第二周，无论是雄性还是雌性鹌鹑，低精氨酸组个体的体重均显著低于对照组和高精氨酸组。这表明充足的膳食精氨酸对于维持日本鹌鹑正常的早期生长发育是不可或缺的。

Sex-specific effects of dietary arginine on mTOR pathway gene expression

在基因表达层面，研究揭示了更为复杂的图景，并且表现出明显的性别二态性。精氨酸 manipulation 显著改变了mTOR信号通路相关基因的表达，但雄性和雌性的响应模式截然不同。在雄性中，精氨酸限制显著上调了 MTOR 和 FABP1 的表达；而 EIF4EBP1 在精氨酸限制和补充条件下在两性中均上调。在雌性中，精氨酸限制降低了 FASN 和 FABP1 的表达，却升高了 SOD2 的表达；相反，精氨酸补充则上调了 IGF1、GHR 和 SOD2 的表达。尤为值得注意的是，雌性鹌鹑在精氨酸补充条件下，多个与生长（IGF1, GHR）、翻译调控（EIF4EBP1）、脂质代谢（FASN, FABP1）和氧化防御（SOD2）相关的基因呈现协调性上调，显示出一种广泛的分子适应。而雄性的反应则相对局限，主要集中于 MTOR 和自噬相关基因 ATG5。

Gene network analysis

基因共表达网络分析从系统层面进一步深化了上述发现。该分析显示，膳食精氨酸 availability 调节了肝脏中分子相互作用的整体结构和效率，并存在显著的性别差异。在雌性中，精氨酸补充增加了基因的连接性和整合度，EIF4EBP1 和 ATG5 等关键调控基因在网络中的中心性升高，表明生长和细胞维持通路发生了协调性的上调。相比之下，雄性的反应在不同日粮间更具可变性。值得注意的是，在精氨酸限制条件下，雄性的基因网络更为稀疏，但 MTOR 和 IGF1 作为关键的调控枢纽（hub）凸显出来，暗示它们在营养限制下维持网络功能的核心作用。对照组在两性中均表现出更为平衡、居中的整体连接性。这些网络特征清晰地表明，雌性鹌鹑在分子水平上对精氨酸供应的变化表现出更强的整合与协调响应能力。

综上所述，本研究通过精细的实验设计和多层次的分子分析，揭示了膳食精氨酸通过GHR-IGF1-mTOR信号轴塑造日本鹌鹑早期生长发育的清晰画面。研究核心结论在于：精氨酸缺乏会普遍抑制生长，但机体在分子层面的应答策略存在深刻的性别差异。雌性对精氨酸补充表现出更广泛、更协调的基因表达上调和网络整合，涉及生长、代谢、翻译、自噬和抗氧化防御等多个方面，暗示其具备更强的代谢可塑性和营养信号整合能力。雄性则主要依靠 mTOR 等核心枢纽基因的调控来应对营养压力。EIF4EBP1 在两性中对精氨酸变化的一致响应，突显了其作为连接精氨酸可用性与代谢调控的关键节点的保守地位。这项研究不仅强调了早期营养条件对发育编程的重要性，更重要的是揭示了性别是影响营养信号分子应答的一个关键因素，即使在没有明显表型差异的情况下，其背后的基因调控架构也可能大相径庭。这些发现为理解鸟类乃至其他脊椎动物发育可塑性的进化基础提供了新的视角，对禽类营养学的精准实践（如区分性别制定营养策略）也具有重要的指导意义。未来研究可进一步拓展至其他组织器官，并延长观察周期，以更全面地揭示精氨酸作用的动态轨迹和整体生理效应。