黃子威,汪志文,黎 源,夏洪麗,簡(jiǎn)紀(jì)常,魯義善
(1.廣東海洋大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院// 2.廣東省水產(chǎn)經(jīng)濟(jì)動(dòng)物病原生物學(xué)及流行病學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室// 3.廣東省水產(chǎn)經(jīng)濟(jì)動(dòng)物病害控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 湛江 524088;4.廣東海洋大學(xué)深圳研究院// 5.廣東省水生動(dòng)物健康評(píng)估工程技術(shù)研究中心,廣東 深圳 518000)
羅非魚(Oreochromis)為慈鯛科羅非魚屬魚類,原產(chǎn)非洲約旦,屬熱帶性魚類,有生長(zhǎng)快、食性雜、疾病少、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)[1],其肌肉富含蛋白質(zhì),多種維生素及微量元素,且肉嫩味美,深受人們喜愛[2]。但是隨著養(yǎng)殖規(guī)模的擴(kuò)大,病害頻發(fā),給羅非魚產(chǎn)業(yè)造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失[3]。
A 類清道夫受體(SCARA)已在大黃魚(Larimichtys crocea)、斑馬魚 (Danio rerio)、綠河鲀(Tetraodon nigroviridis)、鯉 (Cyprinus carpio)、斑點(diǎn)叉尾鮰(Ictalurus punctatus)等魚類中被鑒定[4-7]。SCARA由巨噬細(xì)胞清道夫受體1(SCARA1)、有膠原結(jié)構(gòu)的巨噬細(xì)胞受體(SCARA2)、細(xì)胞應(yīng)激反應(yīng)蛋白(SCARA3)、C型凝集素清道夫受體(COLEC12)和A類清道夫受體成員5(SCARA5)等5 個(gè)成員組成,其中A清道夫受體4(SCARA4)是唯一有C型凝集素 (CLECT) 結(jié)構(gòu)域的蛋白[4]。SCARA4 參與巨噬細(xì)胞炎癥反應(yīng),參與機(jī)體識(shí)別、清除病原細(xì)菌的免疫反應(yīng)。但目前對(duì)于清道夫受體的研究主要集中于哺乳動(dòng)物上,魚類中的研究相對(duì)較少。而硬骨魚中SCARA4 結(jié)構(gòu)與功能與高等脊椎動(dòng)物不盡相同[5,8-11],研究魚類SCARA4 對(duì)魚類病害防治有重要意義。已在虹鱒 (Oncorhynchus mykiss)[12]、鯉[8]和斑馬魚[5]中鑒定出SCARA4,并證實(shí)SCARA4 在抵抗病原入侵發(fā)揮重要作用[5,8]。目前,以水產(chǎn)動(dòng)物為對(duì)象的研究報(bào)道相對(duì)較少,尚未見羅非魚清道夫受體SCARA4 相關(guān)報(bào)道。本研究對(duì)羅非魚SRA4基因(On-SRA4)進(jìn)行克隆鑒定、亞細(xì)胞定位及定量分析,為獲得rOn-SRA4 蛋白,進(jìn)一步研究羅非魚清道夫受體rOn-SRA4 奠定基礎(chǔ)。
實(shí)驗(yàn)用尼羅羅非魚(Oreochromis niloticus)購自廣東湛江東海島研究基地,規(guī)格為(100±10) g。于水溫 (28±2)℃,光照周期12 h/d,24 h循環(huán)水系統(tǒng)中暫養(yǎng)4 周后備用。無乳鏈球菌 (Streptococcus agalctiae) ZQ0910、HEK293T細(xì)胞均取自廣東省水產(chǎn)經(jīng)濟(jì)動(dòng)物病原生物學(xué)及流行病學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。
主要試劑:qPCR試劑盒 (TransStart Green qPCR SuperMix)、RNA提取試劑盒 (TransZol Up Plus RNAKit) 購自北京全式金公司,Premix ExTaq、克隆質(zhì)粒Transt-T1 載體、DNA Marker、Quick限制性內(nèi)切酶和反轉(zhuǎn)錄試劑盒 (Reverse Transcriptase M-MLV)購于TaKaRa 公司 (大連),DNA凝膠回收純化試劑盒 (Thermo Scientific GeneJET) 和RNAlater購于Thermo公司;E.Z.N.A.Endo-Free plasmid DNA mini kit 試劑盒購于北京索萊寶科技有限公司。DH5α購自武漢轉(zhuǎn)導(dǎo)生物實(shí)驗(yàn)室,引物由生工生物股份有限公司合成。
1.2.1尼羅羅非魚總RNA提取及cDNA合成 取健康羅非魚6 尾,剖取鰓、腦、肌肉、中腸、頭腎、脾、肝、胸腺、皮膚組織,尾靜脈取血。按照全式金公司的TransZol Up Plus RNA Kit 說明書提取所有羅非魚組織RNA,再參照反轉(zhuǎn)錄試劑盒Reverse Transcriptase M-MLV 說明書進(jìn)行反轉(zhuǎn)錄,檢測(cè)On-SRA4的組織分布。
1.2.2尼羅羅非魚On-SRA4基因片段的擴(kuò)增 從NCBI數(shù)據(jù)庫獲得On-SRA4基因序列,以羅非魚頭腎cDNA為模板,利用引物F與R (表1) 擴(kuò)增獲得On-SRA4編碼區(qū)序列。PCR反應(yīng)體系 (20 μL):PremixTaq10 μL,ddH2O 7.5 μL,cDNA模板0.5 μL,上下游引物各1 μL。PCR產(chǎn)物經(jīng)凝膠電泳檢測(cè)、目的條帶切膠回收,連接至pMD-18T,轉(zhuǎn)化至Trans5a感受態(tài)細(xì)胞。挑取單菌落進(jìn)行菌落PCR檢測(cè),陽性菌送至生工生物工程股份有限公司廣州測(cè)序部測(cè)序。
表1 引物名稱及序列Table 1 Primers and their sequences
1.2.3On-SRA4胞外段原核表達(dá)載體構(gòu)建 對(duì)測(cè)序正確的菌液和pET28a(+)提取質(zhì)粒,將質(zhì)粒在 37 ℃下雙酶切15 min,純化回收酶切后的目的片段。將回收的目的片段與載體片段用T4 連接酶于 4 ℃下連接12 h。將連接產(chǎn)物轉(zhuǎn)入大腸桿菌DH5α 感受態(tài),方法同1.3.2。采用T7(F)、T7(R) 進(jìn)行菌落PCR鑒定,選取陽性克隆菌測(cè)序。對(duì)測(cè)序吻合的菌液提取質(zhì)粒,并將提取的質(zhì)粒轉(zhuǎn)入大腸桿菌BL21 感受態(tài)。
1.2.4rOn-SRA4 的誘導(dǎo)表達(dá) 對(duì)構(gòu)建的PET28a-OnSRA4 表達(dá)載體原核菌種12 h,活化,待菌液OD600nm值為0.6 時(shí),取部分菌液于超凈臺(tái)瓶,加入異丙基硫代半乳糖苷(IPTG)至終濃度 1 mmol/L,另1 瓶不加IPTG,兩瓶菌液均于搖床37 ℃、160 r/min條件下誘導(dǎo)5 h。收集誘導(dǎo)、未誘導(dǎo)菌液各2 mL,以12 000 r/min離心,棄上清液,沉淀用PBS重懸2 次,加入PBS重懸菌液50 μL,蛋白上樣緩沖液10 μL,混勻。于100 ℃水中煮沸5 min,離心,取上清液(全菌蛋白)進(jìn)行SDS-PAGE 電泳檢測(cè)。
1.2.5尼羅羅非魚On-SRA4生物信息學(xué)分析 用InterProScan (http://www.ebi.ac.uk/Tools/pfa/iprscan/)預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)域,ExPASy (http://web.expasy.org/protparam/)分析理化性質(zhì)。用SignalP 4.1 Server (http://www.cbs.dtu.dk/services/SignalP/)預(yù)測(cè)信號(hào)肽;利用在線軟件SOPMA (https://npsa-prabi.ibcp.fr/cgi-bin/npsa_automat.pl?page=npsa_sopma.html)和SWISS-MODEL (http://www.expasy.org) 模擬二級(jí)結(jié)構(gòu)和三維結(jié)構(gòu)。用程序ClustalX對(duì)rOn-SRA4 氨基酸序列進(jìn)行多重比對(duì)。用MEGA10.0 軟件構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹。
1.2.6尼羅羅非魚亞細(xì)胞定位分析 構(gòu)建pDsRed-Mon-N1-SRA4 真核表達(dá)載體,限制性酶切位點(diǎn)為NotI與BamH。按E.Z.N.A.Endo-Free plasmid DNA mini kit試劑盒說明書提取真核表達(dá)去內(nèi)毒素質(zhì)粒。將HEK-293T細(xì)胞接種至24 孔板,培養(yǎng)18 h,分別轉(zhuǎn)染質(zhì)粒pDsRed-Mon-N1 和重組質(zhì)粒pDsRed-Mon-N1-SRA4。孵育48 h,經(jīng)PBS(pH=7)洗滌2 次,用體積分?jǐn)?shù)4%多聚甲醛固定,PBS(pH=7)洗滌2 次。滴加1 μg/mL 4′,6-二脒基-2-苯基吲哚 (DAPI) 進(jìn)行細(xì)胞核染色。用PBS(pH=7)清洗2 次,加入抗熒光猝滅封片劑封片,用激光共聚焦顯微鏡觀察、拍照。
1.2.7尼羅羅非魚攻毒實(shí)驗(yàn) 攻毒實(shí)驗(yàn)參照Han等[13]方法。取健康尼羅羅非魚,隨機(jī)分為3 組,每組21 尾,分別腹腔注射0.1 mL的1×107mL-1的滅活無乳鏈球菌、0.2 mg/mL的Poly I:C、無菌磷酸鹽緩沖液 (PBS,pH=7,對(duì)照)。在0、6、12、24、48、72、96 h時(shí)分別取羅非魚3 尾,剖取脾臟、胸腺、腸道和頭腎,迅速放入RNAlater中,于–80 ℃冰箱中保存。按照全式金公司的TransZol Up Plus RNA Kit 說明書提取所有組織RNA,再參照反轉(zhuǎn)錄試劑盒Reverse Transcriptase M-MLV說明書進(jìn)行反轉(zhuǎn)錄。
1.2.8尼羅羅非魚On-SRA4表達(dá)分析 根據(jù)On-SRA4基因全長(zhǎng)序列的保守區(qū),用Primer Premier 5.0 設(shè)計(jì)引物qRT-SRA4-475F、qRT-SRA4-563R,對(duì)照組β-actin蛋白為管家基因。qRT-PCR反應(yīng)體系(10 μL):引物 (10 μmol/L) 各0.5 μL,Mix 5 μL,ddH2O 2.5 μL,cDNA 0.5 μL。反應(yīng)條件:95 ℃ 4 min;95 ℃20 s、56 ℃ 20 s、72 ℃ 20 s,40 個(gè)循環(huán);95 ℃ 15 s。使用Light Cycler96 實(shí)驗(yàn)儀器,結(jié)果用2-ΔΔCt法計(jì)算,用GraphPad Prism 8 軟件進(jìn)行單因素方差分析。
羅非魚SRA4基因命名為On-SRA4(GenBank登錄號(hào):MZ031929),編碼區(qū)序列全長(zhǎng)2 289 bp,可編碼762 個(gè)氨基酸(圖1)。
圖1 羅非魚On-SRA4 及其推導(dǎo)的氨基酸序列Fig.1 Tilapia On-SRA4 and its deduced amino acid sequence
理化性質(zhì)分析表明,rOn-SRA4 蛋白可編碼762個(gè)氨基酸,分子式為C3566H5678N1050O1156S34,其中甘氨酸 (Gly) 含量最高,占比10.2%,其次為異亮氨酸(Leu)(7.6%),帶正電荷氨基酸為97 個(gè),帶負(fù)電荷氨基酸為80 個(gè),理論分子質(zhì)量為82.84 ku,等電點(diǎn)為5.37。不穩(wěn)定指數(shù)為39.09,為不穩(wěn)定蛋白,該基因編碼蛋白質(zhì)的理論親疏水性(GRAVY)平均水平為 -0.675(圖2),該蛋白質(zhì)為親水蛋白。蛋白跨膜結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn),rOn-SRA4 蛋白在40~ 62位氨基酸存在一跨膜結(jié)構(gòu)域(圖3)。Signal P 5.0預(yù)測(cè)結(jié)果顯示,該序列不存在信號(hào)肽。
圖2 rOn-SRA4 蛋白親水/疏水性預(yù)測(cè)Fig.2 Prediction of hydrophilicity/hydrophobicity of rOn-SRA4 protein
圖3 rOn-SRA4 蛋白跨膜結(jié)構(gòu)域預(yù)測(cè)分析Fig.3 Prediction of transmembrane domain of rOn-SRA4 protein
圖4(A)顯示,rOn-SRA4 蛋白分別在第60~ 259位、174~ 437 位、456~ 518 和626~ 752 位存在典型的SMC結(jié)構(gòu)域、SMC-PROK-A結(jié)構(gòu)域、Collagen結(jié)構(gòu)域和CLECT結(jié)構(gòu)域,表明克隆的On-SRA4基因編碼蛋白屬于CLECT 超家族成員,二級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)結(jié)果(圖4(B))顯示,α螺旋在多肽鏈中為53.02%,無規(guī)則卷曲為35.43%,延伸鏈為7.74%,β轉(zhuǎn)角為3.81%。該蛋白形三維結(jié)構(gòu)呈簡(jiǎn)單三級(jí)結(jié)構(gòu)(圖4(C))。
圖4 rOn-SRA4 蛋白質(zhì)保守結(jié)構(gòu)域預(yù)測(cè)與空間結(jié)構(gòu)分析Fig.4 Prediction of conserved domain and analysis of spatial structure of rOn-SRA4 protein
On-SRA4編碼的氨基酸序列與NCBI數(shù)據(jù)庫中其他物種rOn-SRA4 氨基酸序列的同源比對(duì)結(jié)果表明,rOn-SRA4 與布氏新亮麗鯛(Neolamprologus brichardi)、斑馬擬麗魚(Maylandia zebra)同源性較高,相似度分別為97.6%、96.7%,與尖吻鱸(Lates calcarifer)、大西洋鮭(Salmo salar)同源性較低,相似度分別為79.19%、58.6%,與現(xiàn)代人(Homo sapiens)同源性最低,相似度為49.3%(圖5)。比對(duì)發(fā)現(xiàn),rOn-SRA4 在魚類中相對(duì)保守。
圖5 羅非魚rOn-SRA4 與其他物種rOn-SRA4 氨基酸序列比對(duì)Fig.5 Amino acid sequence alignment between tilapia rOn-SRA4 and other species
續(xù)圖5(Continued)
構(gòu)建的系統(tǒng)進(jìn)化樹 (1 000 倍bootstrap) 表明,羅非魚rOn-SRA4 與尖吻鱸(Lates calcarifer)聚為一支,親緣關(guān)系最為接近,而在進(jìn)化關(guān)系上遠(yuǎn)離哺乳動(dòng)物(圖6)。
圖6 N-J 法構(gòu)建rOn-SRA4 氨基酸系統(tǒng)進(jìn)化樹Fig.6 Phylogenetic tree of rOn-SRA4 by neighbour-joining method
亞細(xì)胞定位結(jié)果如圖 7,在轉(zhuǎn)染空質(zhì)粒pDsRed-Mon-N1 的HEK-293T細(xì)胞中,Red紅色熒光在全細(xì)胞分布,而融合蛋白R(shí)ed-Mon-SRA4 的紅色熒光在細(xì)胞核、細(xì)胞質(zhì)上呈點(diǎn)狀分布,表明羅非魚rOn-SRA4 主要定位于細(xì)胞核與細(xì)胞質(zhì)。
圖7 羅非魚rOn-SRA4 亞細(xì)胞定位Fig.7 Subcellular localization of rOn-SRA4 in tilapia
圖8 表明,On-SRA4在羅非魚各組織中均有表達(dá),在血液中表達(dá)量最高,其次是腸道、肌肉、皮膚、肝臟、胸腺,而頭腎、腦、鰓、脾臟表達(dá)量較低。
圖8 羅非魚On-SRA4 的組織表達(dá)Fig.8 Expression of On-SRA4 in different tissues of tilapia
2.8.1羅非魚免疫后On-SRA4的表達(dá) 用滅活的無乳鏈球菌刺激健康羅非魚,羅非魚On-SRA4基因在腸道、胸腺、脾臟、頭腎的表達(dá)呈顯著性上調(diào),呈現(xiàn)時(shí)序性表達(dá),頭腎、脾臟的表達(dá)量在96 h 達(dá)到最高 (P< 0.01),其余時(shí)間表達(dá)量較低,腸道表達(dá)量在48 h 達(dá)到最高 (P< 0.01),胸腺表達(dá)量在24 h達(dá)到最高 (P< 0.01)(圖9)。
圖9 無乳鏈球菌感染后羅非魚On-SRA4 在各個(gè)組織中的時(shí)序表達(dá)Fig.9 Time-sequence expression of On-SRA4 in various tissues oftilapia infected with Streptococcus agalactiae
2.8.2Poly I:C病毒類似物刺激后羅非魚On-SRA4的表達(dá)變化 圖10 顯示,Poly I:C病毒類似物刺激后,羅非魚SRA4基因在腸道、胸腺、脾臟、頭腎的表達(dá)量均顯著上調(diào),在腸道中刺激24 h時(shí)表達(dá)量最高;脾臟、胸腺均在6 h達(dá)到最高,隨后降低;在頭腎中
圖10 Poly I:C病毒類似物感染后羅非魚On-SRA4 在各個(gè)組織中的時(shí)序表達(dá)Fig.10 Time-sequence expression of On-SRA4 in various tissues of tilapia infected with Poly I:C
24 h表達(dá)量最高(P<0.01),其余時(shí)間表達(dá)量較低。
圖11 可見,未誘導(dǎo)的rOn-SRA4 在80 ku處未出現(xiàn)明顯條帶,經(jīng)IPTG誘導(dǎo)后在約80 ku處出現(xiàn)條帶,與預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)大小一致,表明該蛋白誘導(dǎo)表達(dá)獲得成功,rOn-SRA4 在上清中表達(dá)量較低,主要在包涵體中表達(dá)。蛋白印跡實(shí)驗(yàn)顯示,該蛋白質(zhì)為目標(biāo)蛋白。
圖11 重組蛋白rOn-SRA4 原核表達(dá)鑒定Fig.11 Prokaryotic expression identification of the recombinant protein rOn-SRA4
本研究克隆的羅非魚SRA4(On-SRA4)序列編碼區(qū)長(zhǎng)2 289 bp,可編碼762 個(gè)氨基酸,理論分子質(zhì)量為82.84 ku,與人類SRA4大小接近。On-SRA4為親水蛋白,在第456~ 518 位氨基酸有A類清道夫受體特有的膠原樣結(jié)構(gòu)域,在第626~ 752 位氨基酸有與人、雞等類似的CLECT結(jié)構(gòu)域[4,14]。人類SRA4 的CLECT結(jié)構(gòu)域(607~ 732 位氨基酸)在結(jié)構(gòu)上與羅非魚高度相似,可識(shí)別、吞噬低密度脂蛋白等帶負(fù)電荷大分子物質(zhì)或大腸桿菌等病原微生物[15]。與人類不同的是,rOn-SRA4 有染色體ATP酶結(jié)構(gòu)域(SMC),該結(jié)構(gòu)與細(xì)胞增殖調(diào)控相關(guān)。亞細(xì)胞定位顯示,rOn-SRA4 主要在293T細(xì)胞核、細(xì)胞質(zhì)上呈現(xiàn)點(diǎn)狀分布。因此,rOn-SRA4 主要定位于細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)上,在進(jìn)化上相對(duì)保守,可能有識(shí)別、吞噬病原微生物及調(diào)控細(xì)胞周期的功能。
在哺乳動(dòng)物中,SRA4主要表達(dá)于吞噬細(xì)胞、血管內(nèi)皮細(xì)胞[16-18],可識(shí)別某些真菌、細(xì)菌并介導(dǎo)吞噬反應(yīng)[18-19],是誘導(dǎo)先天免疫和炎癥反應(yīng)中不可或缺的受體之一[20]。魚類SRA4有先天免疫[6,11]、清除病原體[9,11,12,21]及在非特異性細(xì)胞毒性細(xì)胞[22]表面表達(dá)的功能。在斑馬魚中,SRA4在血管母細(xì)胞中表達(dá),參與血小管和血管生成[5]。本研究中,On-SRA4在健康羅非魚所有組織中均有表達(dá),但主要在血液和腸中表達(dá)。羅非魚血液中含紅細(xì)胞、吞噬細(xì)胞等多種免疫細(xì)胞。吞噬細(xì)胞主要發(fā)揮吞噬病原作用。羅非魚紅細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組中含有大量模式識(shí)別受體,炎癥因子、受體,抗原提呈、處理分子等[23]免疫基因,是發(fā)揮免疫作用的重要組成部分。因此,推測(cè)On-SRA4與斑馬魚cl-p1(SRA4) 一樣在血管母細(xì)胞中表達(dá),在血液中發(fā)揮識(shí)別、吞噬病原的作用。
魚類的免疫器官與組織主要有胸腺、腎臟、脾臟[24]。本研究中,健康羅非魚在滅活無乳鏈球菌刺激后,腸道、脾臟、頭腎、胸腺On-SRA4表達(dá)量均顯著上調(diào),表明On-SRA4可被無乳鏈球菌所誘導(dǎo),在羅非魚免疫抗感染過程發(fā)揮作用。同時(shí),健康羅非魚在Poly I:C 病毒類似物刺激后,腸道、脾臟、頭腎、胸腺的On-SRA4表達(dá)量均顯著上調(diào),脾臟中的表達(dá)量在刺激后6 h 即達(dá)最高值。脾臟、腸道和頭腎在羅非魚免疫中發(fā)揮重要作用,同時(shí)脾臟是T細(xì)胞分化成熟場(chǎng)所,因此,On-SRA4可被病毒類似物誘導(dǎo)表達(dá),在羅非魚抗病毒感染過程中發(fā)揮作用。
原核蛋白表達(dá)系統(tǒng)有在短時(shí)間內(nèi)獲得大量重組蛋白等優(yōu)點(diǎn),因而廣泛應(yīng)用于各種研究[25]。本研究用大腸桿菌原核表達(dá)系統(tǒng),在1 mmol/L IPTG,37 ℃、160 r/min 條件下誘導(dǎo)5 h,成功誘導(dǎo)了rOn-SRA4 的表達(dá),該蛋白主要表達(dá)于包涵體中。因膜蛋白在原核載體中表達(dá)多呈現(xiàn)為不溶性包涵體,需進(jìn)一步優(yōu)化表達(dá)條件,獲取該蛋白制作多克隆抗體及進(jìn)行體外細(xì)菌感染實(shí)驗(yàn),以探究其識(shí)別、吞噬病原微生物及調(diào)控細(xì)胞周期的功能。
對(duì)羅非魚On-SRA4進(jìn)行重組表達(dá)、亞細(xì)胞定位及組織分布分析,發(fā)現(xiàn)On-SRA4主要定位于細(xì)胞質(zhì)與細(xì)胞核,在魚類中較為保守,在各組織中均有表達(dá),血液中表達(dá)量最高,無乳鏈球菌與病毒類似物刺激均可引起羅非魚On-SRA4表達(dá)量上調(diào)。因此,On-SRA4參與病原引起的免疫反應(yīng),是羅非魚抵抗病原的相關(guān)基因。原核表達(dá)系統(tǒng)為后續(xù)該蛋白的功能研究奠定基礎(chǔ)。