池永東,王 永,趙 越,朱江江,林亞秋
(1.西南民族大學(xué) 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,四川 成都 610041;2.青藏高原動(dòng)物遺傳資源保護(hù)與 利用教育部,四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610041)
動(dòng)物體內(nèi)的脂肪組織分為白色脂肪組織和棕色脂肪組織2種類型,白色的脂肪組織將多余的能量以甘油三酯的形式貯存在體內(nèi)。棕色脂肪組織是一個(gè)產(chǎn)熱的器官,其主要通過在低溫寒冷時(shí)非顫抖產(chǎn)熱和消化吸收食物過程中消耗能量產(chǎn)熱2種方式調(diào)節(jié)能量代謝。脂肪細(xì)胞分化是一個(gè)復(fù)雜的過程,大量證據(jù)表明CCAAT/增強(qiáng)子結(jié)合蛋白(C/EBPs)和過氧化物酶體增殖物激活受體(PPARs)2個(gè)轉(zhuǎn)錄因子家族是脂肪細(xì)胞基因表達(dá)和分化的重要調(diào)節(jié)因子[1]。CCAAT/增強(qiáng)子結(jié)合蛋白(C/EBP)屬于堿性亮氨酸拉鏈類轉(zhuǎn)錄因子,家族成員C末端都有一個(gè)堿性亮氨酸拉鏈結(jié)構(gòu)域[2],能夠作為二聚體與特定DNA序列結(jié)合,從而調(diào)節(jié)下游的靶基因表達(dá)[3]。截至目前,已發(fā)現(xiàn)C/EBP家族的6個(gè)成員,即C/EBPα、C/EBPβ、C/EBPγ、C/EBPδ、C/EBPε和C/EBPζ[4]。C/EBP家族成員在細(xì)胞的增殖分化、能量代謝和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中發(fā)揮著重要作用,它們的C末端是亮氨酸拉鏈、中間DNA結(jié)合域、N末端為轉(zhuǎn)錄激活域[5]。其中C/EBPα、C/EBPβ、C/EBPδ在小鼠的脂肪組織中均有表達(dá),預(yù)示這3個(gè)基因參與脂肪的生成[6]。
C/EBPα是C/EBPs家族中最早從大鼠肝臟克隆出的家族成員,位于人的19號(hào)染色體上[7],在包括前脂肪細(xì)胞、髓細(xì)胞、肝細(xì)胞、角質(zhì)形成細(xì)胞和肺細(xì)胞等多細(xì)胞類型的有絲分裂和分化的調(diào)控中起著關(guān)鍵作用,并且在肝臟和脂肪中表達(dá)水平最高。通過選擇性識(shí)別并結(jié)合增強(qiáng)子核心序列,從而誘導(dǎo)細(xì)胞周期并影響參與細(xì)胞分化調(diào)控的轉(zhuǎn)錄因子。在3T3-L1前體脂肪細(xì)胞中過表達(dá)C/EBPα后將會(huì)使細(xì)胞周期滯留在G0/G1期[8],另外C/EBPα過表達(dá)會(huì)導(dǎo)致3T3細(xì)胞轉(zhuǎn)化為巨噬細(xì)胞[9]。有研究結(jié)果顯示,過表達(dá)C/EBPα后B淋巴細(xì)胞會(huì)轉(zhuǎn)化為巨噬細(xì)胞,從而擁有吞噬功能[10-11]。轉(zhuǎn)錄因子C/EBPβ最初由Akira等[12]發(fā)現(xiàn)并命名,在多種細(xì)胞的增殖分化過程中發(fā)揮著重要的作用。He等[13]指出,在3T3-L1前體脂肪細(xì)胞向成熟細(xì)胞分化過程中C/EBPβ通過調(diào)節(jié)PPARγ和C/EBPα的啟動(dòng)子上的核心序列,從而激活PPARγ和C/EBPα的轉(zhuǎn)錄,促進(jìn)脂肪細(xì)胞分化。C/EBPδ可以調(diào)節(jié)幾種重要的脂肪形成基因,如脂聯(lián)素[14]、KLF15[15]以及C/EBPα[16]。在肝臟中過表達(dá)C/EBPδ后可以促進(jìn)脂肪生成,并通過激活PPARG2的轉(zhuǎn)錄從而參與脂肪細(xì)胞的分化調(diào)控。
上述研究可以確定C/EBPα、C/EBPβ、C/EBPδ參與動(dòng)物脂肪細(xì)胞分化,但在山羊中尚未見報(bào)道。因此,本研究利用RT-PCR技術(shù)克隆山羊C/EBPα、C/EBPβ和C/EBPδ基因序列,并利用qPCR技術(shù)構(gòu)建其組織和細(xì)胞時(shí)序表達(dá)譜,闡明3個(gè)基因在山羊組織和肌內(nèi)前體脂肪細(xì)胞中的表達(dá)特征,并利用一系列生物信息學(xué)軟件分析其基因及蛋白序列,旨在為后續(xù)試驗(yàn)揭示3個(gè)基因在山羊脂肪分化過程中發(fā)揮的作用機(jī)制提供參考,為培育優(yōu)良的肉用山羊新品種開辟新思路。
試驗(yàn)材料采集 采集6只一周歲的簡州大耳羊公羊的心、肝、脾、肺、腎、大腸、瘤胃、背最長肌和皮下脂肪等組織,于液氮中速凍帶回實(shí)驗(yàn)室保存。
1.2.1 總RNA的提取及cDNA合成 參照TRIzol的說明書提取各組織的總RNA通過NanoDrop 2000測(cè)定RNA的純度和濃度,參考Thermo反轉(zhuǎn)錄試劑盒合成cDNA置于-20 ℃儲(chǔ)存?zhèn)溆谩?/p>
1.2.2 克隆引物設(shè)計(jì) 根據(jù)GenBank中登錄的牛C/EBPα(NM-176784)、C/EBPβ(NM-176788)和C/EBPδ(NM-174267)基因預(yù)測(cè)序列,利用Primer Premier 5.0軟件設(shè)計(jì)PCR擴(kuò)增引物(表1),送公司合成。
1.2.3 山羊C/EBPα、C/EBPβ和C/EBPδ基因的PCR擴(kuò)增 以簡州大耳羊皮下脂肪組織cDNA為模板,進(jìn)行PCR擴(kuò)增,10 μL反應(yīng)體系:模板1.0 μL, Master Mix 8 μL,上、下游引物各0.5 μL。反應(yīng)條件:預(yù)變性94 ℃ 3 min;變性94 ℃ 20 s,Tm 退火溫度見表1,60 s,延伸 72 ℃ 90 s,擴(kuò)增35個(gè)循環(huán);延伸72 ℃ 7 min PCR擴(kuò)增產(chǎn)物通過天根DNA純化回收試劑盒回收后克隆至pMD-19T載體,送公司測(cè)序。
表1 PCR引物序列Tab.1 Primers for PCR
1.2.4 序列分析 測(cè)序結(jié)果通過NCBI的Blast在線進(jìn)行同源性比對(duì);利用ProtParam分析推導(dǎo)蛋白質(zhì)的理化性質(zhì);用MEGA 5.0軟件構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹;通過TMHMM 2.0預(yù)測(cè)跨膜結(jié)構(gòu)域;利用SignalP 4.1預(yù)測(cè)信號(hào)肽序列;采用Hopfield預(yù)測(cè)蛋白二級(jí)結(jié)構(gòu);通過SMART在線預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)域;采用STRING交互式數(shù)據(jù)庫搜索可能相互作用蛋白。
1.2.5 山羊C/EBPα、C/EBPβ和C/EBPδ基因的組織表達(dá)分析 以前期西南民族大學(xué)現(xiàn)代生物技術(shù)國家民委重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室篩選出的磷酸三丁酯基因(TBP)作為內(nèi)參基因,根據(jù)克隆獲得山羊C/EBPα、C/EBPβ和C/EBPδ基因CDS區(qū)序列設(shè)計(jì)定量引物(表 1)。利用實(shí)時(shí)熒光定量PCR(qPCR)技術(shù)檢測(cè)3個(gè)目的基因在山羊組織中的表達(dá)模式,構(gòu)建組織表達(dá)譜。20 μL qPCR反應(yīng)體系:SYBR? Premix ExTaqTM (2×) PCR 10 μL,正反引物各1 μL,cDNA模板 1 μL,ddH2O 7 μL。qPCR反應(yīng)條件為95 ℃預(yù)變性15 s;95 ℃ 10 s,Tm 10 s,72 ℃ 15 s,38個(gè)循環(huán)。
1.2.6 山羊C/EBPα、C/EBPβ和C/EBPδ基因在肌內(nèi)前體脂肪細(xì)胞中的時(shí)序表達(dá)分析 將本實(shí)驗(yàn)室前期試驗(yàn)收集誘導(dǎo)分化的0,1,2,3,4,5,6,7 d的山羊肌內(nèi)前體脂肪細(xì)胞按照1.2.1方法提取RNA并進(jìn)行反轉(zhuǎn)錄。選用泛素表達(dá)轉(zhuǎn)錄因子基因(UXT)和肽酰脯氨基順反異構(gòu)酶B基因(PPIB)作為內(nèi)參基因[17],用qPCR技術(shù)檢測(cè)3個(gè)基因在山羊肌內(nèi)前體脂肪細(xì)胞中的表達(dá)水平,qPCR反應(yīng)條件同1.2.5。
克隆獲得山羊C/EBPα、C/EBPβ和C/EBPδ基因序列信息及獲得GenBank登錄號(hào)見表2。
表2 克隆獲得山羊C/EBPs序列信息Tab.2 Sequence information of goat C/EBPs
2.2.1 蛋白質(zhì)基本理化性質(zhì)預(yù)測(cè) 山羊C/EBPα蛋白化學(xué)式為C1639H2558N484O489S9,等電點(diǎn)7.25。帶負(fù)電荷的氨基酸殘基和帶正電荷的氨基酸殘基各有36個(gè),蛋白質(zhì)整體不帶電。不穩(wěn)定指數(shù)為64.18,平均親水系數(shù)為-0.627,屬于不穩(wěn)定親水堿性蛋白。
C/EBPβ蛋白化學(xué)式為C1626H2531N457O487S11,等電點(diǎn)8.56。帶負(fù)電荷的氨基酸殘基和帶正電荷的氨基酸殘基分別為35,39個(gè),蛋白質(zhì)整體帶正電荷。不穩(wěn)定指數(shù)為64.81,平均親水系數(shù)為-0.525,屬于不穩(wěn)定親水堿性蛋白。
C/EBPδ蛋白化學(xué)式為C1187H1884N362O358S6,等電點(diǎn)為9.14。含有帶負(fù)電荷的氨基酸殘基和帶正電荷的氨基酸殘基分別有31,35個(gè),C/EBPδ蛋白整體帶正電荷。不穩(wěn)定指數(shù)為66.49,平均親水系數(shù)為-0.647,屬于不穩(wěn)定親水堿性蛋白。
2.2.2 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè) C/EBPα蛋白二級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)顯示,有63.17%的氨基酸形成無規(guī)則卷曲,29.75%的氨基酸形成α-螺旋,剩下7.08%的氨基酸形成延伸鏈(圖1-A)。該蛋白無信號(hào)肽和跨膜結(jié)構(gòu)域。STRING交互式數(shù)據(jù)庫搜索結(jié)果顯示該蛋白可能和C/EBPβ、C/EBPδ、RB1、MYC、JUN、EP300、FOS、PPARG、CDK2和RUNX1發(fā)生相互作用(圖2-A)。
藍(lán)色豎線.α螺旋;紅色豎線.β折疊;紫色豎線.無規(guī)則卷曲。 α-helix, β-fold, random coil, are indicated, respectively, with the blue, the red, the purple.
C/EBPβ蛋白二級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)結(jié)果顯示,有58.97%的氨基酸殘基形成無規(guī)則卷曲,35.04%的氨基酸殘基形成α-螺旋,剩下5.98%的氨基酸殘基形成延伸鏈(圖1-B)。C/EBPβ蛋白無跨膜結(jié)構(gòu)域,無信號(hào)肽結(jié)構(gòu)。蛋白相互作用預(yù)測(cè)結(jié)果顯示,C/EBPβ蛋白可能和C/EBPα、C/EBPδ、KLF5、EP300和MYB等蛋白發(fā)生相互作用(圖2-B)。
C/EBPδ蛋白二級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)顯示,有53.52%的氨基酸形成無規(guī)則卷曲,42.58%的氨基酸形成α-螺旋,剩余3.91%的氨基酸可能形成延伸鏈(圖1-C)。該蛋白無信號(hào)肽結(jié)構(gòu),無跨膜結(jié)構(gòu)域。該蛋白可能和C/EBPα、C/EBPβ、PPARG、SP1和MYC等蛋白存在相互作用(圖2-C)。
圖2 山羊C/EBPα (A)、C/EBPβ (B)和C/EBPδ (C)蛋白相互作用Fig.2 Prediction of proteins interacting with goat C/EBPα (A), C/EBPβ (B) and C/EBPδ (C) protein
2.2.3 氨基酸序列的同源性比對(duì)及構(gòu)建進(jìn)化樹 利用NCBI中的Blast在線比對(duì)分析顯示,山羊C/EBPα氨基酸序列與綿羊、牛和人的C/EBPα同源性分別為98%,100%,93%;山羊C/EBPβ氨基酸序列與綿羊、牛和人的氨基酸序列同源性分別為99%,96%和97%;山羊C/EBPδ氨基酸序列與綿羊、牛和人的同源性分別為100%,99%和88%。采用MEGA 5.0分別構(gòu)建山羊C/EBPα、C/EBPβ和C/EBPδ氨基酸序列系統(tǒng)進(jìn)化樹,結(jié)果如圖3所示,山羊C/EBPα與牛、白尾鹿和綿羊的親緣關(guān)系較近(圖3-A);山羊C/EBPβ與羊駝、綿羊、人和牛的親緣關(guān)系較近(圖3-B);山羊C/EBPδ與牛和豬具有較近的親緣關(guān)系(圖3-C),3種氨基酸序列均與原雞的親緣關(guān)系較遠(yuǎn)。
圖3 采用MEGA 5.0法構(gòu)建山羊C/EBPα(A)、C/EBPβ(B)和C/EBPδ(C)氨基酸序列系統(tǒng)進(jìn)化樹Fig.3 Phylogenetic tree was constructed based on C/EBPα (A)、C/EBPβ (B)和 C/EBPδ (C) amino acid sequence using MEGA 5.0
qPCR結(jié)果顯示在山羊肌內(nèi)前體脂肪細(xì)胞分化過程中C/EBPα和C/EBPδ表達(dá)模式相似,均在分化前表達(dá)水平最高,隨著分化時(shí)間的增加表達(dá)水平呈現(xiàn)下降趨勢(shì);C/EBPβ在山羊肌內(nèi)脂肪細(xì)胞中的表達(dá)隨著誘導(dǎo)分化天數(shù)的增加而呈上升趨勢(shì)(圖4)。
以皮下脂肪組織作為對(duì)照,分別對(duì)C/EBPα、C/EBPβ和C/EBPδ3個(gè)基因的定量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并繪制組織表達(dá)譜(圖5)。qPCR結(jié)果顯示3個(gè)基因的mRNA組織表達(dá)較為廣泛,其中C/EBPα基因在皮下脂肪中表達(dá)水平最高,其次在肝中也有較高水平的表達(dá);C/EBPβ和C/EBPδ在山羊組織的表達(dá)模式相似,均在肺中表達(dá)水平最高。
A. C/EBPα mRNA在山羊肌內(nèi)前體脂肪細(xì)胞分化過程中的相對(duì)表達(dá)量;B. C/EBPβ mRNA在山羊肌內(nèi)前體脂肪細(xì)胞分化過程中的相對(duì)表達(dá)量;C. C/EBPδ mRNA在山羊肌內(nèi)前體脂肪細(xì)胞分化過程中的相對(duì)表達(dá)量。不同大寫字母表示差異極顯著(P<0.01)。
圖5 C/EBPα、C/EBPβ和C/EBPδ基因 在山羊各組織中的相對(duì)表達(dá)Fig.5 Relative expression of C/EBPα, C/EBPβ and C/EBPδ gene in tissues of goat
研究表明C/EBPα、C/EBPβ和C/EBPδ在小鼠的脂肪細(xì)胞中存在表達(dá),并在小鼠脂肪細(xì)胞分化過程中發(fā)揮重要作用[6]。C/EBPα可以誘導(dǎo)脂肪細(xì)胞中某些特異性基因表達(dá),從而加速脂肪細(xì)胞成熟。在3T3-L1細(xì)胞中當(dāng)C/EBPα被干擾后參與脂肪生成的基因不表達(dá),并且脂肪細(xì)胞不分化[18]。在脂肪生成早期階段C/EBPβ在轉(zhuǎn)錄激活前直接結(jié)合到PPARγ啟動(dòng)子誘導(dǎo)PPARγ表達(dá)[19],C/EBPβ過表達(dá)后PPARγ表達(dá)量增加,肝臟中脂質(zhì)積累增加[20]。作為前體脂肪細(xì)胞分化早期發(fā)揮作用的轉(zhuǎn)錄因子,C/EBPδ在3T3-L1前脂肪細(xì)胞中表達(dá),可以誘導(dǎo)PPARγ和C/EBPα的表達(dá),促進(jìn)脂肪細(xì)胞分化[21]。在脂肪細(xì)胞分化早期過表達(dá)C/EBPδ后,C/EBPα和PPARγ的表達(dá)量也顯著增加,加快了脂肪細(xì)胞分化的過程[22]。為了最終闡明C/EBPα、C/EBPβ和C/EBPδ在山羊脂肪細(xì)胞分化中的調(diào)控作用,本研究從獲得基因序列、明確生物學(xué)特征及闡明組織細(xì)胞表達(dá)特性入手來進(jìn)行一系列研究。
首先利用RT-PCR成功克隆得到山羊C/EBPα1 062 bp、C/EBPβ1 056 bp及C/EBPδ873 bp,所編碼的蛋白無信號(hào)肽和跨膜結(jié)構(gòu)域,均為不穩(wěn)定親水堿性蛋白。通過NCBI在線比對(duì)發(fā)現(xiàn),山羊C/EBPα、C/EBPβ和C/EBPδ的氨基酸序列同其他哺乳動(dòng)物的C/EBPα、C/EBPβ和C/EBPδ序列具有較高的同源性,系統(tǒng)進(jìn)化樹顯示三者氨基酸與牛的親緣關(guān)系比較近,與原雞的親緣關(guān)系較遠(yuǎn),說明了3種蛋白在生物進(jìn)化過程中高度保守,符合進(jìn)化規(guī)律。這可能與三者在哺乳動(dòng)物進(jìn)化及生命活動(dòng)過程中發(fā)揮的作用有關(guān)。
本研究組織表達(dá)發(fā)現(xiàn)C/EBP家族3個(gè)成員在山羊不同組織中均存在廣泛表達(dá),其中C/EBPα在皮下脂肪中表達(dá)水平最高,其次在肝臟中也有較高的表達(dá)水平;C/EBPβ和C/EBPδ具有相似的表達(dá)模式,均在肺中表達(dá)水平最高,其次在背最長肌中也存在較高水平的表達(dá)。推測(cè)3個(gè)基因可能參與調(diào)控山羊的生長發(fā)育。已有研究發(fā)現(xiàn)CCAAT/增強(qiáng)子結(jié)合蛋白主要表達(dá)在肝臟、脂肪和腸道組織中。C/EBPα在小鼠脂肪組織、肝臟、腸、肺、腎上腺和胎盤中以高水平表達(dá)[23-24],C/EBPβ的組成型在肝臟、腸道、肺臟、脂肪組織、脾臟、腎臟和骨髓單核細(xì)胞中表達(dá)特別高[25-26],而C/EBPδ的組成型主要表達(dá)在脂肪、肺和腸組織中[27],王萬霞[21]在對(duì)鴨的研究中發(fā)現(xiàn)C/EBPα在腹脂和肺中表達(dá)水平最高,而C/EBPβ和C/EBPδ均在肺中表達(dá)最高。以上結(jié)果與本研究結(jié)果存在相似及不同之處,推測(cè)該家族基因表達(dá)可能具有物種特異性。
在山羊前體脂肪細(xì)胞分化過程中通過qPCR檢測(cè)發(fā)現(xiàn)C/EBPα和C/EBPδ表達(dá)模式相似,均在前體脂肪細(xì)胞中的表達(dá)水平最高且隨著分化時(shí)間的增加2個(gè)基因的mRNA表達(dá)水平逐漸下調(diào),在分化6 d時(shí)表達(dá)水平趨于穩(wěn)定,而C/EBPβ在山羊前體脂肪細(xì)胞分化前期表達(dá)水平較低,從3 d開始表達(dá)水平逐漸升高,在分化期間總體呈上升趨勢(shì)。推測(cè)在山羊前體脂肪細(xì)胞分化過程中C/EBPα和C/EBPδ在分化前期發(fā)揮作用,而C/EBPβ在分化后期發(fā)揮作用。Cao等[28]發(fā)現(xiàn)C/EBPα在3T3-L1前體脂肪細(xì)胞誘導(dǎo)分化2 d檢測(cè)到表達(dá),隨后表達(dá)逐漸升高,到達(dá)第6天表達(dá)量趨于穩(wěn)定,C/EBPβ和C/EBPδ在分化的前2 d表達(dá)量達(dá)最大值,而當(dāng)C/EBPα開始表達(dá)后C/EBPβ及C/EBPδ的表達(dá)水平開始下降。Rosen等[29]也報(bào)道在3T3-L1脂肪細(xì)胞開始分化后首先檢測(cè)到C/EBPβ和C/EBPδ表達(dá),一段時(shí)間后才檢測(cè)到C/EBPα的表達(dá)。一致認(rèn)為C/EBPβ在脂肪分化的前期發(fā)揮作用,并且指導(dǎo)有絲分裂的完成,而C/EBPα具有抗有絲分裂的作用,所以在脂肪分化的后期發(fā)揮作用[30]。這與本研究結(jié)果存在差異,推測(cè)可能是不同物種及檢測(cè)細(xì)胞時(shí)間點(diǎn)不同造成的這種差異。同時(shí)本研究發(fā)現(xiàn)3個(gè)C/EBP家族成員在脂肪細(xì)胞分化過程中表現(xiàn)出表達(dá)先后順序的現(xiàn)象,也反映出三者在調(diào)控脂肪細(xì)胞分化過程中可能存在相互作用和級(jí)聯(lián)調(diào)控的關(guān)系,在對(duì)三者蛋白進(jìn)行互作分析時(shí)也發(fā)現(xiàn)三者確實(shí)存在交互作用。
本研究成功克隆得到山羊C/EBPα1 062 bp、C/EBPβ1 056 bp及C/EBPδ873 bp,三者所編碼的蛋白均為不穩(wěn)定親水堿性蛋白,均無跨膜結(jié)構(gòu)域和信號(hào)肽。C/EBPα在皮下脂肪組織中高水平表達(dá),而C/EBPβ和C/EBPδ均在肺中高表達(dá)。在肌內(nèi)前體脂肪細(xì)胞分化過程中,C/EBPα和C/EBPδ表達(dá)模式相似,均在分化0 d表達(dá)水平最高且隨著分化時(shí)間的增加二者表達(dá)水平逐漸下調(diào),在分化6 d時(shí)逐漸平穩(wěn)表達(dá),在山羊前體脂肪細(xì)胞分化前期C/EBPβ表達(dá)水平較低,從3 d開始表達(dá)水平逐漸升高,在分化期間總體呈上升趨勢(shì)。研究結(jié)果表明,在山羊脂肪細(xì)胞分化過程中C/EBPα、C/EBPβ和C/EBPδ3個(gè)基因發(fā)揮著重要作用。