曹文怡,易少奎,楊楠,蘇君曉,羅雙雙,高澤霞,周小云
1.華中農(nóng)業(yè)大學水產(chǎn)學院/農(nóng)業(yè)動物遺傳育種與繁育教育部重點實驗室,武漢 430070;2.湖州師范學院生命科學學院,湖州 313000
作為脊椎動物中分布最廣、種類最多的一個類群,魚類的性別決定機制有著原始性、多樣性以及可塑性等特點,同時存在雌雄異體、雌雄同體和單性群體等性別決定類型。但無論是哪種性別決定類型,其下游的性別決定因素卻都是相當保守的,尤其是芳香化酶(aromatase),可以催化雄激素轉化為雌激素,從而控制性腺發(fā)育甚至影響性別決定[1]。細胞色素P450芳香化酶(P450arom)是由cyp19a1基因編碼產(chǎn)生的。硬骨魚類中存在2種cyp19a1基因亞型:cyp19a1a和cyp19a1b。cyp19a1a主要在性腺中表達,因此其編碼產(chǎn)物稱為性腺型芳香化酶(P450aromA);cyp19a1b則主要在腦中表達,其編碼產(chǎn)物稱為腦型芳香化酶(P450aromB)[2]。近年來的研究發(fā)現(xiàn),cyp19a1a及其催化產(chǎn)生的雌激素不僅在卵巢分化與維持的過程中起到?jīng)Q定性的作用,而且在精巢的分化中也起到了關鍵性的作用,cyp19a1a上調(diào)對觸發(fā)和維持卵巢分化是必需的,而cyp19a1a的下調(diào)則是誘導精巢分化的一個必不可少的環(huán)節(jié)[3-4]。而cyp19a1b及其催化產(chǎn)生的雌激素與中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育期間的神經(jīng)內(nèi)分泌功能、性行為和性別分化密切相關[5]。此外,有研究發(fā)現(xiàn),cyp19a1b還可能對魚類精巢的發(fā)育有重要的促進作用[6]。
芳香化酶及其催化產(chǎn)生的雌激素,還可以通過GH-IGF通路調(diào)節(jié)魚類的生長發(fā)育。比如,雌二醇可以調(diào)節(jié)虹鱒(Oncorhynchusmykiss)[7]、莫桑比克羅非魚(Oreochromismossambcus)[8]、黃鱸(Diploprionbifasciatum)[9]中GH-IGF通路相關基因的表達水平,進而影響生長。
我國的野生泥鰍(Misgurnusanguillicaudatus)不僅有二倍體,在長江流域還有大量的天然四倍體[10]。四倍體泥鰍的體型明顯大于二倍體,具有顯著的生長優(yōu)勢[11]。通過誘導雌核發(fā)育和雄核發(fā)育,研究人員發(fā)現(xiàn),這些四倍體泥鰍是由二倍體泥鰍通過染色體加倍產(chǎn)生的[12]。天然四倍體泥鰍是我國特有的、非常珍貴的種質(zhì)資源[13],不僅為泥鰍優(yōu)良品種的培育提供了理想的原材料,還是研究多倍體脊椎動物的生物學和遺傳學等的理想模型。鑒于cyp19a1既能調(diào)控魚類的生殖發(fā)育,又能影響魚類的生長代謝,因此,研究其在二倍體、四倍體泥鰍間的表達特點,可能對了解泥鰍倍性間生長和生殖差異有一定的參考價值。近期,筆者所在課題組發(fā)現(xiàn),四倍體泥鰍的生殖發(fā)育明顯滯后于二倍體,在相同的養(yǎng)殖環(huán)境下,二倍體泥鰍1齡即可性成熟并開始繁殖活動,而四倍體泥鰍2齡以后才能達到性成熟。我們推測,四倍體泥鰍的生長優(yōu)勢可能與其相對較晚的生殖發(fā)育有關。
本研究中,我們選擇12月齡的二倍體、四倍體泥鰍為研究對象,克隆獲得了泥鰍的cyp19a1a基因cDNA序列和5′側翼序列,并分析cyp19a1在泥鰍組織間和倍性間的表達特點和差異,研究其與泥鰍倍性間生長和生殖差異中的相關性,進而探討四倍體泥鰍性腺發(fā)育較晚的分子機制,以期為魚類生長和生殖的調(diào)控關系提供理論依據(jù)。
以野生二倍體、四倍體泥鰍為親本,通過人工繁殖獲得子一代,將其在相同環(huán)境下養(yǎng)殖,隨機選取12月齡的二倍體、四倍體雌雄個體各9尾用于本研究。
將試驗魚用MS-222(100 mg/L)麻醉,測量體長、體質(zhì)量后,分離腦、性腺、肌肉及肝臟,在液氮中速凍后置于-80 ℃冰箱中保存。用醋酸銨/異戊醇法提取各組織的DNA,用Trizol法提取RNA,分別用1%瓊脂糖電泳和紫外分光光度計(NanoDrop 2000,USA)檢測提取DNA和RNA的完整性和濃度。將每3個個體的RNA等量混合作為1個樣本用于后續(xù)的基因表達分析。
基于筆者所在課題組前期對泥鰍全長轉錄組測序獲得的cyp19a1a部分cDNA序列(GenBank accession No. AB531496.1),分別設計5′RACE和3′RACE引物(表1),按照試劑盒(TaKaRa,Japan)的說明分別克隆其5′-UTR和3′-UTR序列,PCR產(chǎn)物經(jīng)膠回收、純化、連接、轉化、陽性克隆鑒定后,送武漢擎科生物技術有限公司測序。測序結果經(jīng)比對確認無誤后,用DNA Star軟件拼接得到cyp19a1a基因的全長CDS序列。
基于拼接獲得的全長CDS序列,采用高效熱不對稱PCR(high-efficient thermal asymmetric interlaced PCR,hiTAIL-PCR)技術擴增泥鰍cyp19a1a的5′側翼序列。具體方法為:將泥鰍cyp19a1a的CDS序列與斑馬魚的序列比對推測其第一外顯子序列,然后在第一外顯子序列上設計3條嵌套的特異性引物(special primer,簡稱SP1,SP2,SP3)作為下游引物,用Liu等[14]的LAD1-5長隨機簡并引物(longer arbitrary degenerate primer)作為上游引物(表1)進行連續(xù)3輪PCR擴增。其中,第1輪PCR以泥鰍基因組DNA為模板,用SP1特異性引物與LAD1-5兼并引物組合進行擴增;然后將第1輪擴增產(chǎn)物稀釋40倍作為第2輪PCR模板,用SP2與AC1組合擴增;隨后將第2輪擴增產(chǎn)物稀釋10倍作為第3輪PCR模板,用SP3與AC1進行擴增。第3輪PCR產(chǎn)物經(jīng)膠回收、純化、連接、轉化、陽性克隆鑒定后,送武漢擎科生物有限公司測序。測序結果經(jīng)人工檢查確認無誤后,用DNAStar軟件拼接得到cyp19a1a基因的5′側翼序列。
對克隆獲得的CDS序列,用BioXM 2.6導出氨基酸序列,用SWISS-MODEL(https://swissmodel.expasy.org/)預測蛋白質(zhì)的三級結構,用SMART(http://smart.embl-heidelberg.de/)預測蛋白質(zhì)的保守結構域,用PROSITE(https://prosite.expasy.org/)預測蛋白質(zhì)的功能域。然后用Clustal W(2.0)(https://www.ebi.ac.uk/Tools/msa/clustalo/)將泥鰍cyp19a1a基因編碼的氨基酸序列與其他物種進行同源性比對。用MEGA X的鄰位相連(neighbor-joining,NJ)法,將泥鰍cyp19a1a基因編碼的氨基酸序列與其他脊椎動物的氨基酸序列進行比對,構建系統(tǒng)進化樹。
用在線軟件NNPP(http://www.fruitfly.org/seq_tools/promoter.html)預測cyp19a1a基因5′側翼序列的核心元件(promoter core element,PCE)和轉錄起始位點(transcript start site,TSS),用AliBaba 2.1(http://gene-regulation.com/pub/programs/alibaba2/index.html)和Cister(https://zlab.bu.edu/~mfrith/cister.shtml)預測5′側翼序列上潛在的轉錄因子結合位點。
根據(jù)克隆獲得的cyp19a1a的CDS序列,用Primer 5.0軟件設計cyp19a1a的qRT-PCR引物。為了解cyp19a1b與cyp19a1a的表達差異,本研究根據(jù)全長轉錄組測序獲得的cyp19a1b部分CDS序列,設計qRT-PCR引物,并用泥鰍的β-actin序列(AB200265.1)設計內(nèi)參引物(表1),比較cyp19a1b與cyp19a1a在泥鰍組織間和倍性間的表達差異。
將提取的總RNA用PrimeScript RT reagent Kit With gDNA Eraser試劑盒(TaKaRa,Japan)反轉錄為cDNA。然后用SYBR Premix Ex TaqTM試劑盒(TaKaRa,Japan),以二倍體、四倍體泥鰍各組織的cDNA為模板,在ABI 7500 FAST Real-Time PCR System(Applied Biosystems,USA)上檢測cyp19a1a和cyp19a1b的表達水平。用2-ΔΔCt方法計算基因的相對表達量。
用SPSS 19.0軟件對數(shù)據(jù)結果進行統(tǒng)計學處理,用單因素方差分析(one-way ANOVA)以及Duncan’ s多重比較進行顯著性檢驗分析,P<0.05為差異顯著,用Origin 9.0軟件作圖。
表1 泥鰍cyp19a1克隆和表達分析所用的引物 Table 1 Primers used for cloning and expression analysis of cyp19a1 gene in M. anguillicaudatus
泥鰍cyp19a1a基因的cDNA序列全長為1 905 bp,包括29 bp的5′UTR序列、301 bp的3′UTR序列和1 575 bp的ORF序列,編碼524個氨基酸的蛋白質(zhì),序列特征如圖1所示。蛋白質(zhì)保守結構域分析顯示,泥鰍cyp19ala基因編碼的氨基酸序列分別在46~55位有1個低復雜度區(qū)(low complexity region),在67~505位有1個P450蛋白結構域(Pfam domain)。用PROSITE對其功能域預測發(fā)現(xiàn),在449~458位存在細胞色素P450半胱氨酸血紅素-鐵配體識別結合位點。此外,通過與其他物種進行比較發(fā)現(xiàn),在泥鰍的cyp19a1a基因中也存在芳香化酶的3個高度保守片段,分別為I-螺旋區(qū)(與類固醇物質(zhì)結合有關)、芳香化酶特異保守區(qū)以及血紅素結合區(qū)(圖1),這表明泥鰍的cyp19a1a基因具有性腺型芳香化酶基因的典型功能。SWISS MODEL軟件對泥鰍cyp19a1a基因編碼蛋白質(zhì)三級結構的預測結果如圖2所示,發(fā)現(xiàn)其蛋白質(zhì)三級結構主要由α-螺旋、無規(guī)則卷曲、β-轉角以及延伸鏈構成。
方框內(nèi)分別為起始密碼子(ATG)和終止密碼子(TGA);綠色區(qū)域:跨膜區(qū)域; 紫色區(qū)域:低復雜度區(qū); 黃色區(qū)域:I-螺旋區(qū); 紅色區(qū)域:芳香化酶特異保守區(qū); 藍色區(qū)域:血紅素結合區(qū); 棕色下劃線區(qū)域:P450蛋白結構域。The start codons (ATG) and stop codons (TGA) are shown in red; green region indicate transmenbrane region,purple region indicate low complexity region,yellow region indicate I-helix region,red region indicate aromatase-specific conserved region,blue region indicate heme-binding region and the underlined with brown indicate Pfam domain.
圖2 預測的泥鰍cyp19a1a蛋白三級結構
將泥鰍cyp19a1a的氨基酸序列與其他脊椎動物的序列進行同源性分析,結果顯示,泥鰍的cyp19a1a與其他魚類的cyp19a1a有較高的同源性,其中,與鯉(Cyprinuscarpio)的同源性最高(80.27%),其次為鯽(Carassiusauratus)(79.3%)和斑馬魚(Daniorerio)(79.11%),而與豬(Susscrofa)的同源性最低(50.2%)(圖3)。用MEGA X的NJ分析法,構建泥鰍與其他脊椎動物cyp19a1a氨基酸序列的系統(tǒng)進化樹(圖4),發(fā)現(xiàn)泥鰍與斑馬魚、鯉、鯽等魚類在進化上緊密相關,并形成一個獨立的分支,而爬行類的巴西龜(Trachemysscripta)、鳥類的雞(Gallusgallus)、哺乳類的人(Homosapiens)、鼠(Musmusculus)和野豬則形成一個大的獨立分枝,且親緣關系與泥鰍越來越遠。這些結果與氨基酸序列比對的結果相同,也與物種的實際進化關系相一致。
圖3 不同物種cyp19a1a氨基酸序列比對
用hiTAIL-PCR技術擴增得到泥鰍cyp19a1a的5′側翼序列,其長度為2 040 bp。用NNPP軟件對啟動子的核心元件進行預測,發(fā)現(xiàn)一處分值較高的序列(圖5,灰色突出顯示)(Score:0.95),其中包括典型元件TATA-box(-32~-25),推測其為cyp19a1a的啟動子核心元件。分別用AliBaba 2.1和Cister對泥鰍cyp19a1a5′側翼序列中的轉錄因子結合位點進行預測,得到3個SRF、5個Sp1、1個C/EBPβ、1個SRY、3個ER、1個GR等轉錄因子結合位點(圖5)。
圖4 基于氨基酸序列的cyp19a1a基因系統(tǒng)進化分析
圖5 泥鰍cyp19a1a啟動子區(qū)轉錄因子結合位點預測
比較12月齡二倍體、四倍體泥鰍的體長和體質(zhì)量參數(shù),結果顯示,四倍體泥鰍的雌雄個體均顯著高于二倍體(P<0.05),表現(xiàn)出明顯的生長優(yōu)勢(圖6)。卵巢組織的切片結果顯示,12月齡二倍體泥鰍卵巢主要為成熟期的卵母細胞(LMO),為Ⅳ期卵巢,而四倍體泥鰍的卵巢中主要為皮層濾泡期的卵母細胞(CAO)和早期的卵黃卵母細胞(EVO),為Ⅱ期卵巢。精巢組織切片結果顯示,二倍體泥鰍的精巢中含有大量的精子細胞(Sz)和少量的精細胞(St),為Ⅳ期精巢,而四倍體泥鰍的精巢中含有部分精母細胞(Sc)和大量的精細胞(St),為Ⅲ期精巢(圖7)。
柱形圖上相同字母表示無顯著性差異(P>0.05),不同字母表示有顯著性差異(P<0.05)。下同。Same letters on the bar means no significantly different between each other (P>0.05), while different letters means significantly different (P<0.05).The same as below.
PO:初級卵母細胞; CAO:皮層濾泡期的卵母細胞; EVO:早期的卵黃卵母細胞; LMO:成熟期的卵母細胞; Sc:精母細胞; St:精細胞; Sz:精子細胞。PO:Primary oocytes; CAO:Cortical-alveolar oocytes; EVO:Early vitellogenic oocytes; LMO:Late/mature oocytes;Sc:Spermatocytes; St:Spermatids; Sz:Spermatozoa.
qRT-PCR分析結果顯示,cyp19a1a在二倍體雌性泥鰍的卵巢中表達水平最高,其次為肌肉和肝臟,在腦中的表達量最低,但其在雄性二倍體泥鰍肝臟和肌肉中的表達水平卻顯著高于雌性(P<0.05)(圖8A)。四倍體泥鰍與二倍體的表達模式基本一致(圖8B)。cyp19a1b在腦中的表達量顯著高于其他組織,且在雌性中的表達量顯著高于雄性(P<0.05)(圖8C)。在二倍體泥鰍的肌肉和精巢中也檢測到cyp19a1b的表達,但其在肝臟和卵巢中的表達量很低(圖8C)。與二倍體相比,cyp19a1b在四倍體泥鰍肌肉的表達量很低,幾乎無法檢測到(圖8D)。
在雌性泥鰍中,cyp19a1a在四倍體泥鰍腦、性腺、肌肉和肝臟4個組織中的表達水平都顯著高于二倍體(P<0.05)(圖9A);而在雄性中,cyp19a1a在性腺中的表達水平低于二倍體(P>0.05)(圖9B)。在雌性中,cyp19a1b基因在四倍體泥鰍腦中的表達量顯著高于二倍體(圖9C),但在雄性中其表達水平相反(P<0.05)(圖9D)。除此之外,在雌性中,二倍體cyp19a1b在肌肉中的表達水平高于四倍體(P>0.05)(圖9C);在雄性中,該基因在性腺、肌肉和肝臟組織中的表達模式均為二倍體高于四倍體(P>0.05)(圖9D)。
圖8 cyp19a1a(A,B)和cyp19a1b(C,D)在雌雄泥鰍組織間的表達比較
圖9 cyp19a1a(A,B)和cyp19a1b(C,D)在雌雄泥鰍不同倍性間的表達
本研究中,我們在泥鰍cyp19a1a基因的5′側翼序列上預測到多個轉錄因子結合位點,其中包括CREB結合位點,該結合位點是硬骨魚cyp19a1a啟動子的保守特征[15]。在5′側翼序列上,還發(fā)現(xiàn)有GR(糖皮質(zhì)激素受體)結合位點,研究發(fā)現(xiàn),體內(nèi)皮質(zhì)醇(與魚類壓力最直接相關的激素)的增加可以通過與cyp19a1a啟動子中的GR結合,下調(diào)cyp19a1a的表達,從而導致雌二醇(E2)的生成遲緩并最終抑制卵巢分化[16-18]。此外,還發(fā)現(xiàn)有多個ER轉錄因子結合位點,推測E2與ER(雌激素受體)結合后,可以直接作用于靶基因啟動子區(qū)的雌激素應答元件,從而發(fā)揮對靶基因的轉錄調(diào)控作用[19]。因此,泥鰍cyp19a1a的5′側翼序列上存在cyp19a1a基因的重要轉錄因子結合位點。
比較12月齡的二倍體、四倍體泥鰍的生長參數(shù),結果顯示,四倍體泥鰍的體長和體質(zhì)量均顯著高于二倍體,具有明顯的生長優(yōu)勢,這與已有的研究結果是一致的[11]。同時,性腺切片的結果顯示,在雌性和雄性中,四倍體泥鰍的性腺發(fā)育時期都明顯滯后于二倍體。一般認為,生長和生殖之間存在著相互制約的關系,生長和生殖能量的分配存在著一個平衡[20],我們推測,四倍體泥鰍的生長優(yōu)勢可能與其相對較晚的性腺發(fā)育有關。
在二倍體、四倍體泥鰍中,cyp19a1a均在卵巢中的表達量最高,且表達水平顯著高于精巢(P<0.05),這是由于較高的cyp19a1a可以加速雌激素的合成,而雌激素在魚類卵巢分化與維持等方面起著至關重要的作用[21]。與cyp19a1a不同,cyp19a1b在卵巢中幾乎不表達,在精巢中的表達相對較高,這與東非慈鯛(Cichlidae)的研究結果類似[6]。Robertson等[22]對小鼠(M.musculus)cyp19a1b進行靶向破壞,發(fā)現(xiàn)缺乏芳香化酶的雄性小鼠在4.5個月到1 a之間會出現(xiàn)精子發(fā)生中斷的現(xiàn)象。由此推測,cyp19a1b不僅參與了性腺分化過程中神經(jīng)內(nèi)分泌和代謝的過程,對維持精巢的功能也發(fā)揮了重要的作用[6]。
cyp19a1a在泥鰍腦中的表達量較低,這與其他魚類中的研究結果一致[5],推測在腦中發(fā)揮主要功能的是cyp19a1b。在金魚(Carassiusauratus)[23]和鯉(C.carpio)[24]中的研究發(fā)現(xiàn),cyp19a1b集中在基底前腦的生殖控制中心表達,表明cyp19a1b及其催化產(chǎn)生的雌激素在發(fā)育和生殖過程中發(fā)揮著重要作用。在斑點叉尾鮰(Ietaluruspunetaus)的腦中,cyp19a1b活性較高的區(qū)域還發(fā)現(xiàn)了促性腺激素釋放激素(GnRH)神經(jīng)元(負責控制硬骨魚類的性腺成熟),推測cyp19a1b可能參與調(diào)節(jié)了腦-垂體-性腺軸(HPG軸),直接或間接調(diào)節(jié)促性腺激素的分泌[25]。
在泥鰍的肝臟中也檢測到了cyp19a1的表達,尤其是cyp19a1a,且其在雄魚中的表達量高于雌性。類似的結果在人(H.sapiens)[26]、鯉[24]中也有報道。在魚類中,肝臟是性腺源性雌激素作用的主要靶標之一[27],當魚類處在卵黃形成的高峰期,肝臟中多量的芳香化酶可以通過促使循環(huán)血液中的雄激素轉化為雌二醇,進而刺激肝臟合成卵黃蛋白原[28]。
cyp19a1a在卵巢和肝臟中,以及cyp19a1b在腦中的表達水平均為四倍體高于二倍體,推測原因可能與四倍體卵巢所處的發(fā)育階段(Ⅱ期)有關。魚類性別相關基因的表達與其性腺分化的發(fā)育階段密切相關,在烏鱧(Channaargus)[29]和牙鲆(Paralichthysolivaceus)[3]中,均發(fā)現(xiàn)了cyp19a1a在卵巢發(fā)育未成熟時期的表達量顯著高于成熟期的現(xiàn)象。推測其原因可能是由于芳香化酶是將雄激素轉化為雌激素的限速酶,雌激素可以促進肝臟中卵黃蛋白原的產(chǎn)生,刺激卵母細胞中卵黃物質(zhì)的積累,從而在魚類卵母細胞的發(fā)育中發(fā)揮重要作用。當卵巢處于分化階段時,肝臟內(nèi)需要大量的雌激素來刺激卵黃蛋白原生成,為正在發(fā)育的卵母細胞提供營養(yǎng)和功能性物質(zhì)[28],而芳香化酶是雌激素產(chǎn)生的必要條件,因此,此時cyp19a1a在四倍體泥鰍肝臟中的表達量也較高。Goto-Kazeto等[25]研究發(fā)現(xiàn),腦中的cyp19a1b可能參與調(diào)節(jié)了腦-垂體-性腺軸(HPG軸),進而調(diào)節(jié)硬骨魚的性腺分化,此時四倍體泥鰍的卵巢處于發(fā)育階段,需要大量的類固醇激素來促進自身的性腺發(fā)育,所以此時cyp19a1b在四倍體腦中的表達量較高。cyp19a1a在二倍體泥鰍精巢中的表達量低于四倍體(P>0.05),可能與四倍體泥鰍精巢所處的發(fā)育階段有關,Kitano等[30]認為,精巢中cyp19a1a的低表達是精巢分化的先決條件。
生長參數(shù)及性腺組織學比較結果顯示,與二倍體泥鰍相比,四倍體泥鰍生長快,但性成熟明顯滯后;組織間和倍性間的基因表達分析結果顯示,cyp19a1a在四倍體泥鰍各組織中的表達量均高于二倍體(除精巢外)。由于芳香化酶及其催化產(chǎn)生的雌激素,不僅在魚類的性別決定中發(fā)揮著關鍵性的作用,還可以通過GH-IGF通路調(diào)節(jié)魚類的生長發(fā)育。由此,我們推測,四倍體泥鰍高表達的cyp19a1a可以通過影響IGF/GH生長軸相關基因的表達水平進而促進四倍體泥鰍的生長。