韓寶珠, 車林茸, 陳曉潔, 閆振天, 喬 梁, 陳 斌
(重慶師范大學昆蟲與分子生物學研究所, 媒介昆蟲重慶市重點實驗室, 重慶 401331)
細胞色素P450是一類含有血紅素結構的超基因家族的末端氧化酶,主要分布在內質網(wǎng)和線粒體內膜上,還原態(tài)的該蛋白酶與CO結合,利用紫外分光光譜檢測,其在450 nm處具有最大吸收峰值。昆蟲細胞色素P450通常包含5個保守基序:螺旋C(WxxxR)、螺旋I(GxE/DTT/S)、螺旋K(ExLR)、PERF區(qū)(PxxFxPE/DRE)和血紅素結合區(qū)(PFxxGxRxCxG/A)(Crooksetal., 2004)。細胞色素P450廣泛存在于生物體中,能夠催化至少60多種化學反應,參與多種內源性化合物(類固醇激素、血脂等)的合成代謝和外源性化合物(藥物、農藥、天然產物等)的代謝解毒(Fuchsetal., 1994; Harrisonetal., 2001; Feyereisen, 2012)。其中,CYP6家族被認為能夠代謝外源化合物和植物毒素(Feyereisen, 1999)。已有研究表明CYP6家族與殺蟲劑的抗性有關,研究發(fā)現(xiàn)赤擬谷盜TriboliumcastaneumQTC279品系腦中特異高表達的TcCYP6BQ9基因是其對溴氰菊酯高度抗性的分子基礎(Zhuetal., 2010);AmCYP6AA2在耐溴氰菊酯的矮小瘧蚊Anophelesminimus中的表達與對溴氰菊酯的抗性的發(fā)展密切相關(Rongnoparutetal., 2003);AgCYP6P3和AgCYP6M2被證實與岡比亞按蚊Anophelesgambiae耐擬除蟲菊酯類殺蟲劑的抗藥性緊密關聯(lián)(Matowoetal., 2014)。
中華按蚊Anophelessinensis是我國及東南亞地區(qū)重要的傳瘧媒介(Changetal., 2014)。在本實驗室的前期研究中,通過基因組鑒定和比較轉錄組差異分析,篩選出16個可能與溴氰菊酯抗性相關的P450基因,其中9個基因屬于CYP6亞家族(Yanetal., 2016)。在本研究之前,還沒有關于中華按蚊P450基因參與擬除蟲菊酯抗性的直接功能例證的報道。
本研究以中華按蚊為研究對象,結合前期的研究基礎,從溴氰菊酯抗性品系(YN-LR)的表達譜中篩選出細胞色素P450基因AsCYP6Z2,通過對該基因進行生物信息學分析、分子克隆、時空表達模式分析、誘導表達檢測、RNAi干擾及分子對接等研究手段,初步證實了AsCYP6Z2基因與中華按蚊對擬除蟲菊酯類殺蟲劑的耐受性相關,這對于進一步探討其表達調控和在溴氰菊酯代謝機制方面的研究奠定了前期基礎。
實驗室敏感品系(WX-LS)為多世代自交系??剐云废?YN-LR)是以采集自云南元陽的抗性個體作為供體親本,并與實驗室敏感品系進行多世代(不少于10代)回交而構建的近等位基因系??剐云废档暮Y選檢測方法是將羽化3 d的雌蚊移入WHO接觸桶(含0.05%溴氰菊酯)中,60 min后將接觸桶蚊蟲移到恢復筒中,統(tǒng)計死亡率(World Health Organization, 2016)??垢衅废稻谑覂韧瑯訔l件(27℃、相對濕度75%、光周期12L∶12D)下飼養(yǎng),每天給幼蟲和蛹換兩次清水和魚苗食物,用10%葡萄糖溶液飼養(yǎng)成蟲。
DNA片段擴增所使用的TransStart? FastPfu Fly DNA Polymerase購自北京全式金公司;DNA片段純化使用的E.Z.N.A.? Gel Extraction Kit購自Omega公司;大腸桿菌EscherichiacoliDH5α感受態(tài)細胞購自TaKaRa公司;RNA提取使用的高純度總RNA快速提取試劑盒(離心柱型)購自北京百泰克生物技術有限公司;反轉錄試劑PrimeScriptTMRT Reagent Kit with gDNA Eraser(Perfect Real Time)購自TaKaRa公司;熒光定量PCR所使用的試劑iTaqTMUniversal SYBR? Green Supermix及相關耗材購自BIO-RAD公司。
AsCYP6Z2基因的預測序列來源于本實驗室閆正文等的前期分析(Yanetal., 2016)。將該基因的預測序列作為問詢序列,比對中華按蚊轉錄組數(shù)據(jù)庫,獲得其轉錄組序列,以此作為模板序列,利用Primer Premier 5.0軟件設計1對引物(表1),以溴氰菊酯抗性品系羽化0 h的成蚊和敏感品系雌蛹的腹部分別作為cDNA的模板,克隆其開放閱讀框序列。基因克隆實驗中的PCR反應體系(25 μL): 5×Buffer 5 μL, dNTPs(2.5 mmol/L)2 μL, 上下游引物(10 μmol/L)各0.5 μL, Fastpfu酶(2.5 U/μL)0.5 μL, ddH2O 15.5 μL。PCR反應條件: 95℃預變性2 min; 95℃ 20 s, 58℃ 20 s, 72℃ 35 s, 共35個循環(huán); 最后72℃延伸5 min。引物合成及基因測序由北京擎科新業(yè)生物技術有限公司完成。
表1 本研究所用引物
利用在線軟件ExPASy中ProtParam(http:∥web.expasy.org/protparam/)對AsCYP6Z2蛋白進行分子量、吸光值、等電點等理化性質的預測;AsCYP6Z2蛋白的信號肽預測使用在線軟件(http:∥www.cbs.dtu.dk/services/SignalP);AsCYP6Z2蛋白的跨膜區(qū)域預測使用TMHMM在線軟件(http:∥www.cbs.dtu.dk/services/TMHMM);使用NCBI和Vectorbase提供的BLASTP在蛋白序列數(shù)據(jù)庫中搜索同源序列,物種和基因登錄號如下:赤擬谷盜T.castaneum(XP_015834511.1),家蠶Bombyxmori(NP_001073135.1),黑腹果蠅Drosophilamelanogaster(NP_651082.1),埃及伊蚊Aedesaegypti(AAEL009123),致倦庫蚊Culexquinquefasciatus(CPIJ019587),岡比亞按蚊An.gambiae(AGAP008218),小菜蛾Plutellaxylostella(XP_011569123.1)。MEGA-X構建進化樹(Tamuraetal., 2013),ClustalW比對序列,預測氨基酸序列的最佳進化模型為LG+G,基于最大似然法(maximum likelihood, ML)計算AsCYP6Z2基因的系統(tǒng)發(fā)育關系,重復計算1 000次。同時,采用在線比對工具CLUSTALW(https:∥www.genome.jp/tools-bin/clustalw)及GENEDOC軟件完成多序列比對分析。
從溴氰菊酯敏感品系(WX-LS)和抗性品系(YN-LR)中華按蚊雌性個體的蛹期和成蚊期的不同發(fā)育階段進行取樣,共計12個時間點(蛹期0, 10, 20和30 h,蛹末期,成蚊期0, 3, 6, 9, 24,48和72 h),每組3個生物學重復。同樣地,對溴氰菊酯敏感品系雌蛹的各區(qū)段進行取樣,包括頭部、胸部、腹部前3節(jié)(腹部前端)和腹部剩余部分(腹部后端)。取樣使用TRizol試劑(Invitrogen, 美國)400~500 μL置于1.5 mL離心管中,保存于-80℃。液氮研磨,Trizol法提取總RNA,利用TaKaRa RR047A反轉錄試劑盒制備cDNA,以此cDNA為模板用于qPCR檢測。使用Primer Premier 5.0設計AsCYP6Z2的定量引物,以核糖體蛋白基因L49(RPL49)用作內參基因(Yanetal., 2016)。qPCR反應體系及操作參考本實驗室喬梁等先前建立的方法(Qiaoetal., 2016)。引物序列如表1所示。
由表2可以看出,復合混沌序列有均衡的0-1比,并且滿足E<0.02的要求,滿足Golomb偽隨機假設的第一條件。
選取化蛹3 h,健康活潑的溴氰菊酯敏感品系(WX-LS)雌蛹個體,將蛹置于裝有滅菌超純水(含5 μg/mL氨芐青霉素)的培養(yǎng)皿里清洗3次。清洗后用蘸有70%酒精的脫脂棉輕輕擦拭蛹體表,再將蛹放置于1×PBS的培養(yǎng)皿清洗。于滅菌載玻片上對蛹進行迅速解剖,將蛹腹部后端置于1×PBS中洗滌5次,之后用無菌濾紙吸走液體。將3~6個腹部后端材料放入1.5 mL離心管中,離心管中加入Grace培養(yǎng)基(GIBCO BRL)且加入6 μg/mL苯硫脲以防止酚氧化酶活性;同時加入青霉素-鏈霉素;青霉素的工作濃度為100 U/mL,鏈霉素為0.1 mg/mL)。處理組材料樣本中加入25 mg/mL過濾滅菌的溴氰菊酯溶液(25 mg/mL溴氰菊酯溶液的配制:1 mL純丙酮溶液加入中1 μL的溴氰菊酯原藥),對照組中加入等量過濾滅菌的純丙酮溶液(World Health Organization, 1981)。用錫箔紙包裹離心管后放置在水平搖床上,以25 r/min的速率和傾斜30°的角度進行孵育,并設置4個生物學重復。孵育溫度為24℃,在孵育時間分別為12 h和24 h時,通過qPCR檢測處理組和對照組中AsCYP6Z2基因的表達情況,檢測和分析方法同1.4節(jié)。引物序列如表1所示。
使用P1700 T7 RiboMAXTMExpress RNAi試劑盒(美國Promega)合成dsAsCYP6Z2和對照dsEGFP雙鏈RNA。合成的雙鏈RNA溶解于無RNase的水,測定純度和濃度,并電泳檢測。合成dsRNA所需引物如表1所示。
在進行擊倒率和死亡率表型量化前,提前選取先批次化蛹的雌蛹,注射dsAsCYP6Z2(RNAi組)和dsEGFP(對照組),每組不少于20頭,注射劑量為800 ng,RNAi組和對照組各進行兩次平行實驗,如表2所示。選取RNAi組和對照組蛹羽化1 h大小齊一、健康活潑且飛行良好的個體,按照每個生物學重復混合5頭雌蚊的標準進行取樣,并設置3個生物學重復。利用Trizol法提取樣本的總RNA,并使用TaKaRa RR047反轉錄試劑盒合成cDNA樣本。通過qPCR檢測RNAi組和對照組中AsCYP6Z2基因的表達量,以評估RNAi對靶基因表達的抑制效果。qPCR分析中,以中華按蚊核糖體蛋白L49基因(AsRPL49)為內參。qPCR反應體系及操作參考本實驗室喬梁等先前建立的方法(Qiaoetal., 2016)。所需引物見表1。
在量化擊倒率和死亡率時,依據(jù)AsCYP6Z2基因時期和部位的表達模式,我們在化蛹10 h期間向蛹的腹部后端注入dsRNA(RNAi組注射dsAsCYP6Z2,對照組注射dsEGFP)。RNAi組兩組共計注射81頭雌蚊,對照組兩組共計注射73頭雌蚊。將注射后的RNAi組和對照組的蛹吸入含5 μg/mL氨芐青霉素的超純水中,于實驗室常規(guī)飼養(yǎng)條件下飼養(yǎng),并統(tǒng)計羽化率。待RNAi組和對照組中成蚊羽化至1 h,選取大小齊一、活潑健康且具有良好飛行能力的個體,按照WHO接觸桶法進行溴氰菊酯生測實驗。詳細操作為:將RNAi組和對照組的雌蚊以25頭/筒輕輕吹入放置有0.05%溴氰菊酯藥膜的接觸桶中,吹入后立即計時,并記錄蚊蟲在接觸溴氰菊酯藥膜10, 20, 30, 40, 50和60 min時的擊倒情況,利用SPSS 25.0對RNAi組和對照組個體的進行半數(shù)擊倒時間(KT50)分析。在60 min后將接觸桶中的雌蚊轉移至恢復桶內,待其恢復24 h 后統(tǒng)計死亡率。生測實驗均進行2次生物學重復。
使用在線同源建模服務器Swiss-Model(http:∥swissmodel.expasy.org/)對AsCYP6Z2進行同源建模。驗證所建模型立體化學性質的合理性用Proheck程序(Laskowskietal., 1993);對所建蛋白模型中的氨基酸殘基的相容性評估使用Verify-3D程序;三維構象的顯示與分析用PDBview。
利用ChemBioDraw Ultra 12.0繪制化合物溴氰菊酯的結構,然后用ChemBio3D Ultra 12.0轉化為3D結構并使用程序內置的MMFF94立場對化合物的構象進行優(yōu)化。對接所需的蛋白以及化合物溴氰菊酯使用AutoDockTools 1.5.6轉化為PDBQT格式后,使用AutoDock 4.2.6進行對子對接研究(Morrisetal., 2009)。AsCYP6Z2蛋白的對接活性位點的坐標設置為: center_x=55.847, center_y=77.138, center_z=12.205; size_x=8, size_y=8, size_z=8; 參數(shù)exhaustiveness設置為20,其余參數(shù)均使用默認值,對接后選取得分最高的構象,使用PyMol 2.3.4(http:∥www.pymol.org/)進行作圖與結果分析。
AsCPY6Z2(GenBank登錄號: MT840336)基因的開放閱讀框(ORF)長1 251 bp,編碼416個氨基酸(圖1)。該基因氨基酸編碼序列在抗感品系間沒有差異。其氨基酸組成中,亮氨酸(Leu)所占比例最高,為10.6%。運用SingalP5.0對AsCYP6Z2的氨基酸序列進行信號肽分析,結果表明AsCYP6Z2無信號肽。同時對AsCYP6Z2的氨基酸序列運用TMHMM 2.0軟件進行跨膜結構域分析,結果表明該蛋白無跨膜結構域。
圖1 中華按蚊AsCYP6Z2基因的cDNA序列及推導的氨基酸序列
系統(tǒng)發(fā)生結果顯示(圖3):AsCYP6Z2基因與岡比亞按蚊AgCYP6Z2基因的親緣關系最近。氨基酸聯(lián)配分析結果表明(圖2),AsCYP6Z2蛋白含有5個保守基序,分別為:螺旋C(WxxxR),螺旋I(GxE/DTT/S),螺旋K(ExLR),PERF區(qū)(PxxFxPE/DRE)和血紅素結合區(qū)(PFxxGxRxCxG/A)。
圖2 中華按蚊AsCYP6Z2與其他昆蟲同源蛋白的序列比對
圖3 中華按蚊AsCYP6Z2與其他昆蟲CYP6基因的系統(tǒng)發(fā)育進化關系
不同發(fā)育階段的表達分析結果顯示:在化蛹0 h,AsCYP6Z2基因的表達量非常低,且在抗感品系(YN-LR和WX-LS)間沒有明顯的表達差異。在敏感品系中,盡管AsCYP6Z2基因的表達量隨著發(fā)育變化上調,但上調變化并不劇烈。而在抗性品系中,該基因在化蛹末期至成蚊羽化3 h間的表達量明顯上調,其程度以蛹末期和剛羽化時最為顯著。此外,在蛹末期、羽化0, 3和72 h,抗性品系中該基因的表達量顯著高于敏感品系(P<0.05)。雌蛹不同部位的表達分析結果顯示:AsCYP6Z2基因在蛹腹部后端的表達量最高,其次是腹部前端和胸部,而頭部中的表達量最低。依據(jù)發(fā)育階段和組織表達模式結果,將化蛹10 h作為RNAi注射的時間點,注射部位為雌蛹腹部后端。
圖4 AsCYP6Z2基因在中華按蚊溴氰菊酯抗感品系不同發(fā)育階段(A)和溴氰菊酯敏感品系雌蛹不同組織(B)中的表達模式
中華按蚊雌蛹腹部后端在25 mg/mL溴氰菊酯溶液中培養(yǎng)后的結果顯示:12 h后,處理組中AsCYP6Z2的表達量較對照組(純丙酮溶液培養(yǎng))上調了4倍(P<0.01);而在24 h后,處理組中AsCYP6Z2的表達量較對照組則上調了13倍(P<0.001)。這些結果表明溴氰菊酯能夠誘導AsCYP6Z2基因的顯著上調表達。
圖5 中華按蚊雌蛹腹部后端經(jīng)溴氰菊酯處理12 h(A)和24 h(B)后AsCYP6Z2基因的表達量變化
在RNAi實驗中,蚊蟲羽化率均在90%以上(表2)。通過RNAi沉默AsCYP6Z2基因后,結合qPCR檢測該基因的表達量。結果表明,與對照組相比,RNAi組中AsCYP6Z2表達量下調了約80%(P<0.0001)(圖6: A),說明通過RNAi有效地抑制了AsCYP6Z2基因的表達。
表2 RNAi實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計
RNAi后雌成蚊接觸0.05%溴氰菊酯藥膜1 h內的擊倒曲線顯示:RNAi組從生測10 min開始即出現(xiàn)擊倒現(xiàn)象;而對照組則是從30 min時才開始出現(xiàn)擊倒現(xiàn)象。兩者間呈現(xiàn)出明顯的擊倒差異(Log-rankP<0.01)(圖6: B)。根據(jù)蚊蟲在生測期間的擊倒個數(shù)(表3),所計算的半數(shù)擊倒時間(KT50)顯示:RNAi組中溴氰菊酯對雌成蚊的KT50=31.789±3.459 min,對照組中溴氰菊酯對雌成蚊的KT50=41.107±3.716 min。此外,接觸0.05%溴氰菊酯藥膜1 h并經(jīng)24 h恢復后,RNAi組中蚊蟲的死亡率比照組增加了17%(P<0.05)(圖6: C)。RNAi結果說明,沉默AsCYP6Z2基因后中華按蚊對溴氰菊酯的敏感性顯著增加,表明AsCYP6Z2基因在蚊蟲對溴氰菊酯的抗性上有重要作用。
圖6 RNAi干擾AsCYP6Z2后中華按蚊雌成蚊對溴氰菊酯敏感性的變化
表3 RNAi干擾AsCYP6Z2后生測期間中華按蚊雌成蚊擊倒個數(shù)
以AsCYP6Z2的氨基酸序列為模板,RCSB Protein Data Bank網(wǎng)站中在線搜索,比對出智人HomosapiensCYP3A5(PDB:6MJM)蛋白序列與AsCYP6Z2的同源性最高,序列一致性為39%。選取CYP3A5的三維結構作為同源建模的模板,對AsCYP6Z2進行同源建模,得到AsCYP6Z2的二聚體三維結構模型圖(圖7: A)。將溴氰菊酯對接至AsCYP6Z2,溴氰菊酯以互補的方式結合在AsCYP6Z2的結合口袋,分子對接預測結果顯示:溴氰菊酯的母核苯環(huán)以及側鏈的酯羰基分別與Cys-155形成Pi-硫相互作用以及穩(wěn)定的氫鍵,側鏈的二溴乙烯基片段與二甲基環(huán)丙基片段則可以與口袋兩側的Ala-165, Val-72, Leu-76, Leu-82和Ala-24形成穩(wěn)定的疏水相互作用網(wǎng)絡(圖7: B)。根據(jù)對接結果推測,溴氰菊酯與AsCYP6Z2在疏水作用和氫鍵等的相互作用下可能形成穩(wěn)定復合物。
圖7 AsCYP6Z2蛋白與溴氰菊酯的分子對接模型
有研究報道表明,轉錄水平的上調表達可能是細胞色素P450酶系活性增強的重要因素之一(Liu and Scott, 1998; Lietal., 2006)。例如,在家蠅Muscadomestica的抗性品系中,CYP6D1,CYP6A24和CYP6D3v2基因存在過量表達現(xiàn)象,家蠅擬除蟲菊酯的抗性可能與上述P450基因的過表達有關(Kamiyaetal., 2001)。在岡比亞按蚊Anophelesgambiae中,CYP6M2和CYP6P3能夠代謝氯菊酯和溴氰菊酯,并且在野外抗性種群中上調表達(Djouakaetal., 2008);CYP6P9,CYP6P4,CYP6Z1,CYP6Z3和CYP6M7被報道在催命按蚊Anophelesfunestus中與擬除蟲菊酯殺蟲劑的抗性密切相關(Davidetal., 2013; Riveronetal., 2013)。在岡比亞按蚊Anophelesgambiae與阿拉伯按蚊Anophelesarabiensis中,CYP6Z1,CYP6Z2和CYP6M2等顯著上調表達后,可能增強上述基因編碼產物在氯菊酯代謝過程中的作用(Chiuetal., 2011; Munhenga and Koekemoer, 2011)。研究表明,上調基因中的CYP6, CYP9和CYP4亞家族成員,與蚊蟲對殺蟲劑的抗性有關,其中CYP6家族被認為與抗藥性關系最為密切的家族(Feyereisenetal., 2006; Yanetal., 2016)。AsCYP6Z2基因屬于CYP6家族,其表達量在抗性品系中明顯上調。我們推測,AsCYP6Z2基因的上調表達可能是YN-LR品系中維持溴氰菊酯抗性的因素之一。在昆蟲中,中腸、脂肪體和馬氏管等器官中P450的活性通常較高,并且被認為是主要的解毒代謝器官(Brunetal., 1996)。飛蝗細胞色素P450基因LmCYP6FD3在馬氏管、中腸中高表達,顯示出該基因在外源物質解毒過程中發(fā)揮重要作用(朱文雅等, 2017)。AsCYP6Z2基因在腹部的表達量明顯高于在其他部位,而腹部是重要的代謝組織如中腸、馬氏管所在的場所。因此,腹部可能是AsCYP6Z2蛋白行使生物學功能的主要部位。在后續(xù)的研究中,在全面調查AsCYP6Z2基因全發(fā)育和全組織表達模式的基礎上,將研究該基因在不同品系與不同組織間表達調控差異的分子基礎。
已有大量證據(jù)表明,多種昆蟲中的P450基因家族成員在殺蟲劑抗性方面有重要功能。例如,沉默小菜蛾CYP321E1基因后,幼蟲對氯蟲酰胺殺蟲劑的抵抗能力明顯減弱,而引起其死亡率明顯增加(Huetal., 2014);沉默抗性品系小菜蛾P.xylostella幼蟲體內過量表達的CYP6BG1基因后,導致幼蟲對芐氯菊酯殺蟲劑的抗性顯著降低(Bautistaetal., 2008);淡色庫蚊CulexpipienspallensCYP6AA9基因隨著溴氰菊酯抗性水平的提高,其表達水平也不斷提高,利用RNAi技術沉默抗性品系(Lab-DR2)CYP6AA9基因,導致淡色庫蚊的死亡率顯著增加(Lvetal., 2016)。本研究中,AsCYP6Z2基因被沉默后,蚊蟲對溴氰菊酯的敏感度顯著增加,死亡率明顯升高,這初步證實了AsCYP6Z2基因在溴氰菊酯抗性表型維持中的功能。這也為今后建立該基因的突變敲除系,并更全面系統(tǒng)評估其功能表型提供了參考。
現(xiàn)有的研究發(fā)現(xiàn),溴氰菊酯可被細胞色素P450羥基化。例如,在油菜花露尾甲Meligethesaeneus中,CYP6BQ23在抗擬除蟲菊酯類殺蟲劑的幼蟲和成蟲中過量表達,且重組表達的CYP6BQ23表現(xiàn)出對溴氰菊酯的羥基化催化活性(Zimmeretal., 2014)。在埃及伊蚊Aedesaegypti中,重組表達的CYP6Z8能夠代謝擬除蟲菊酯,產生3-苯氧基苯甲醇和3-苯氧基苯甲醛(Chandor-Proustetal., 2013)。在我們的研究中,分子對接預測結果暗示AsCYP6Z2與溴氰菊酯間可能存在互作,推測其可能參與催化溴氰菊酯代謝。在此基礎上,今后將會探究AsCYP6Z2的酶學性質與殺蟲劑代謝機理。