惠茂茂,陳 祥*,敖 葉,周志楠
(1.貴州大學(xué)高原山地動物遺傳育種與繁殖教育部重點實驗室,貴州省動物遺傳育種與繁殖重點實驗室,貴州貴陽 550025;2.貴州大學(xué)動物科學(xué)學(xué)院,貴州貴陽 550025)
黔北麻羊作為貴州省三大山羊品種之一,其在生態(tài)學(xué)特征、體質(zhì)外貌特征、生理指標、生產(chǎn)性能、繁殖性能等方面均具有諸多特點[1],尤其在肉質(zhì)優(yōu)良特性方面具有較高的開發(fā)價值[2]。羊肉肉質(zhì)細嫩、營養(yǎng)豐富,深受消費者喜愛[3]。羊骨骼肌是主要食用部分,占機體干重的40%~50%[4]。肌纖維是構(gòu)成動物骨骼肌組織的基本單元,是肌肉生長的重要參數(shù)。鈣調(diào)磷酸酶是影響肌纖維的重要信號分子。蛋白磷酸酶3(Protein Phosphatase 3,PPP3)又稱鈣調(diào)磷酸酶(Calcineurin,CaN)是受Ca2+/ 鈣調(diào)素(Calmodulin,CaM)調(diào)節(jié)的絲/蘇氨酸蛋白磷酸酶,由1 個催化亞單位(PPP3 Catalytic Subunit,PPP3C)和1 個調(diào)節(jié)亞單位(PPP3 Regulatory Subunit,PPP3R)組成的異源二聚體[5-6]。在脊椎動物中PPP3C有PPP3CA、PPP3CB和PPP3CC3 個亞單位,其中PPP3CA 和PPP3CB 在機體內(nèi)分布廣泛[7-9],PPP3CA在腦和心血管系統(tǒng)中分布最多。在骨骼肌中,PPP3參與成肌細胞分化、成熟肌纖維肥大和響應(yīng)細胞內(nèi)鈣濃度變化的纖維類型轉(zhuǎn)換的調(diào)節(jié)。有研究表明,PPP3CA基因是小鼠幾乎所有類型骨骼肌的主要催化亞型[10]。此外,PPP3CA基因在天府山羊的股二頭肌、長肌和腹肌中也具有較高水平的表達[11]。迄今為止PPP3CA基因已在人[12]、小鼠[13]、豬[14]和牛[15]等多種動物中克隆并發(fā)現(xiàn)其編碼的蛋白高度保守,關(guān)于黔北麻羊的報道較少。因此,本實驗以黔北麻羊為研究對象,以PPP3CA為候選基因,克隆獲得黔北麻羊PPP3CA基因編碼序列進行生物信息學(xué)分析,運用實時熒光定量PCR 建立黔北麻羊PPP3CA基因的組織表達圖譜,為研究PPP3CA基因的生物信息學(xué)功能機理提供參考作用。
1.1 實驗材料 選取貴州省習(xí)水縣富興畜牧業(yè)開發(fā)有限公司提供的6 只健康成年黔北麻羊母羊,羊只屠宰方法參考貴州省地方標準《羊屠宰操作規(guī)程》(DB 22/T 2740-2017),分別采集心、肝、脾、肺、腎、背最長肌6 個組織,置于-80℃冰箱保存?zhèn)溆谩?/p>
1.2 實驗試劑及儀器 快速瓊脂糖凝膠回收試劑盒、T-克隆PCR 產(chǎn)物克隆試劑盒為上海生工生物工程技術(shù)有限公司產(chǎn)品;TRIzol@Reagent 試劑盒為貴州綠盟英創(chuàng)生物科技有限公司產(chǎn)品;熒光定量試劑q-PCR Mix 為北京擎科生物科技有限公司產(chǎn)品;逆轉(zhuǎn)錄試劑盒為北京康為世紀生物科技有限公司產(chǎn)品。電泳儀(DYY-2C型)為北京市六一儀器廠產(chǎn)品;PCR 擴增儀(C1000 TouchTM)、實時熒光定量PCR 儀(型號為CFX96 Real-Time System)、凝膠成像系統(tǒng)(Universal Hood Ⅱ)均為美國BIO-RAD 有限公司產(chǎn)品。
1.3 實驗方法
1.3.1 引物設(shè)計 根據(jù)GenBank 公布的山羊PPP3CA基因序列(登錄號:XM_018049270.1);利用Primer Premier 5.0 軟件進行克隆、熒光定量引物設(shè)計,以β-actin 為內(nèi)參[16]。設(shè)計后引物交上海生工生物工程技術(shù)服務(wù)股份有限公司合成。引物基本信息見表1。
表1 黔北麻羊PPP3CA 引物信息
1.3.2 RNA 提取與反轉(zhuǎn)錄 按照Trizol 法提取組織總RNA,分光光度計測定其濃度及OD 值(OD260/OD280),Hi Fi-Saript 逆轉(zhuǎn)錄試劑盒合成首鏈cDNA,將產(chǎn)物置于-20℃冰箱保存。
1.3.3 熒光定量PCR 檢測PPP3CA基因的組織表達譜 采用熒光定量PCR 檢測PPP3CA基因在不同組織中的表達情況。擴增體系為10 μL:2×UltraSYBR Mixture 5 μL,F(xiàn)orward Primer 0.5 μL,Reverse Primer 0.5 μL,cDNA 1 μL,ddH2O 3 μL。qRT-PCR 程序:95℃預(yù)變性2 min;95℃變性30 s,60℃退火30 s,72℃延伸30 s,40 個循環(huán);60℃每5 s 增加0.5℃擴增至95℃進行熔解曲線收集,使用SPSS 23.0 軟件進行差異顯著性檢驗。
1.3.4PPP3CA基因CDS 區(qū)的擴增 PCR 反應(yīng)體系20 μL:2×Es Taq Master Mix 10.0 μL,上、下游引物(10 μmol/μL)各1.5 μL,RNase-Free Water 5.5 μL,cDNA 模 板2.0 μL(1 500 ng/μL)。PCR 反應(yīng)程序:95℃預(yù)變性3 min;95℃變性45 s,59℃退火45 s,72℃延伸1 min,35 個循環(huán);72℃終延伸5 min;1.0%瓊脂糖凝膠電泳檢測產(chǎn)物。
1.3.5PPP3CA基因的克隆 PCR 產(chǎn)物經(jīng)1.0% 瓊脂糖凝膠電泳后回收純化目的條帶,取適量純化回收的目的DNA 片段與pMD19-T 克隆載體連接,恒溫水浴16℃連接16 h 并轉(zhuǎn)化大腸桿菌DH5α 感受態(tài)細胞,挑取白色陽性單克隆菌落至LB(Amp+)液體培養(yǎng)基中擴大培養(yǎng)(37℃),最后進行菌液PCR 鑒定并送至上海生工生物工程股份有限公司進行測序[17]。
1.3.6PPP3CA基因的生物信息學(xué)分析 使用Prot Param(http://expasy.org/tools/protparam.h tml)分析StAR 蛋白理化性質(zhì);使用NPS@SOPMA 軟件在線分析蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu);使用S WISS-mode(https://swissmodel.expasy.org/)軟件分析、預(yù)測StAR 蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu);使用ProtScale(http:www.expasy.org/cgi-bin/protscale.pl/)分析親疏水性;使用TMHMM(http://www.cbs.dtu.dk/services/TMHMM/)在線軟件進行跨膜區(qū)分析;使用PSORT II Preadict(https://psort.hgc.jp/form2.html)進行亞細胞定位;使用DNASTAR 7.1 軟件中的MegAlign程序進行物種同源性分析和系統(tǒng)進化樹構(gòu)建[18]。
2.1PPP3CA基因克隆引物結(jié)果及PCR 擴增結(jié)果 如圖1 所示,實時熒光定量擴增出約為125 bp 的條帶,CDS區(qū)克隆引物擴增出1 566 bp 的條帶,引物特異性符合實驗要求。
圖1 瓊脂糖凝膠電泳檢測PCR 擴增產(chǎn)物
2.2PPP3CA基因在黔北麻羊組織表達量分析 由圖2可知,PPP3CA基因在黔北麻羊不同組織中均有不同程度的表達;其中在背最長肌表達量最高,脾臟表達量最低,且兩者之間差異極顯著;背最長肌組織表達量極顯著高于其他組織;肺組織表達量極顯著高于心、肝、脾和腎組織;心、肝、脾和腎之間的組織表達量互不顯著。
圖2 PPP3CA 基因在黔北麻羊組織中表達圖譜
2.3 黔北麻羊PPP3CA基因T 克隆載體的鑒定PPP3CA基因菌液PCR 驗證結(jié)果如圖3 所示,菌液PCR 條帶位置與目的條帶位置一致,CDS 區(qū)片段大小為1 566 bp,可進行下一步實驗。圖4 顯示黔北麻羊PPP3CA基因與NCBI 公布的山羊PPP3CA基因序列吻合度達到100%,無堿基、氨基酸的突變。菌液PCR 與測序驗證證明目的基因pMD19-T-PPP3CA 克隆載體構(gòu)建成功。
圖3 PPP3CA 基因菌液PCR 檢測
圖4 黔北麻羊PPP3CA 部分克隆與NCBI 上傳序列對比結(jié)果
2.4 黔北麻羊PPP3CA基因生物信息學(xué)分析
2.4.1 理化性質(zhì)分析 經(jīng)ExPASy 在線程序分析可知,黔北麻羊PPP3CA基因的分子式為C2611H4071N703O783S26,分子量約58.67 ku,原子總數(shù)8 194,含有521 個氨基酸,且丙氨酸Leu(L)所占比例最高,為10.0%,色氨酸Trp(W)占比最低,為0.8%。帶負電荷的殘基總數(shù)(Asp+Glu)為69 個,帶正電荷的殘基總數(shù)(Arg+Lys)為57 個,說明該序列帶正電荷。理論等電點PI 為5.58;該蛋白不穩(wěn)定指數(shù)達48.02,歸為不穩(wěn)定蛋白。
2.4.2 疏水性分析 經(jīng)ProtScale 程序分析黔北麻羊PPP3CA 蛋白的疏水性分析圖譜如圖5 所示,0 為分界點,正值表示疏水性數(shù)值,負值表示親水性數(shù)值,第368 位纈氨酸疏水性最強,分值為1.989,第484 位脯氨酸親水性最強,分值為-2.811,說明該蛋白為親水性蛋白質(zhì)。
圖5 PPP3CA 蛋白質(zhì)疏水性圖譜
2.4.3 蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)預(yù)測分析 經(jīng)SOPMA 軟件分析黔北麻羊PPP3CA 蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)如圖6 所示,蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)有4 種結(jié)構(gòu)組成,占比最大的是α-螺旋,為45.68%,其次為無規(guī)則卷曲,占比為37.04%,延伸鏈占比為12.67%,β-折疊占比最小,為4.61%,可知此蛋白二級結(jié)構(gòu)主要由α-螺旋和無規(guī)則卷曲構(gòu)成。
圖6 PPP3CA 蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)分析
2.4.4 蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu)預(yù)測分析 經(jīng)SWISS-MODEL 在線分析結(jié)果如圖7 所示,黔北麻羊PPP3CA 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中α-螺旋和無規(guī)則卷曲占據(jù)大部分,與其二級結(jié)構(gòu)分析結(jié)果相符。
圖7 PPP3CA 蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu)分析與預(yù)測
2.4.5 跨膜區(qū)分析 使用TMHMM 在線工具對黔北麻羊PPP3CA 進行跨膜區(qū)分析,結(jié)果如圖8 所示,此蛋白屬于非跨膜蛋白。
圖8 PPP3CA 蛋白的跨膜分析結(jié)果
2.4.6 PPP3CA 蛋白質(zhì)亞細胞定位 使用TargetP 在線軟件對黔北麻羊PPP3CA基因進行亞細胞定位,結(jié)果顯示黔北麻羊PPP3CA 蛋白56.5% 可能定位在細胞質(zhì)中,有56.5%的可能定位在線粒體中,17.4%可能定位在細胞核,液泡和分泌系統(tǒng)的小泡可能性均為4.3%。
2.4.7 PPP3CA 同源性分析及系統(tǒng)進化樹分析 使用DNA star 軟件中的MegAlign 對黔北麻羊PPP3CA 氨基酸編碼序列與人類、綿羊、蝙蝠、雞、大鼠、鯊魚、猩猩、犀牛、海豚、狗10 個物種進行同源性以及MEGA6 系統(tǒng)進化樹結(jié)果分析,結(jié)果如圖9 和圖10 所示。由圖9所知,黔北麻羊PPP3CA 氨基酸序列與人類、綿羊、蝙蝠、雞、大鼠、鯊魚、猩猩、犀牛、海豚、狗的相似性分別達到99.6%、100%、99.4%、98.3%、99.6%、91.5%、99.6%、99.4%、99.4%、99.6%,數(shù)據(jù)表明黔北麻羊PPP3CA 氨基酸序列與這些物種之間相似性很高,其中與綿羊的同源性最高達到100%。由圖10 可知,系統(tǒng)進化樹也證明了黔北麻羊與不同物種間的親緣關(guān)系,與同源性分析的結(jié)果相符合。
圖9 黔北麻羊PPP3CA 同源性分析
圖10 黔北麻羊PPP3CA 系統(tǒng)進化樹
鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶通過NFAT(活化T 細胞核因子)調(diào)節(jié)基因表達,NFAT 通常位于細胞質(zhì)中,但是在去磷酸化時會轉(zhuǎn)移到細胞核中。NFAT 核易位后,與基因啟動子結(jié)合并調(diào)節(jié)下游靶基因的表達。因此,鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶對增加的細胞內(nèi)Ca2+水平作出反應(yīng),以翻譯該信號以通過NFAT 進行轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)[19]。該途徑在許多器官系統(tǒng)的發(fā)育和功能中發(fā)揮作用,包括免疫系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)、肌肉骨骼系統(tǒng)和泌尿系統(tǒng)[20]。Myers 等[21]研究發(fā)現(xiàn),在癲癇和神經(jīng)發(fā)育疾病中,PPP3CA基因編碼一種涉及突觸小泡循環(huán)的蛋白質(zhì),進一步強化了在癲癇中突觸小泡周期失調(diào)的作用。除上述研究外,更多研究是關(guān)于PPP3CA參與骨骼肌生長變化,而關(guān)于黔北麻羊PPP3CA基因的調(diào)節(jié)機制研究甚少。本研究以黔北麻羊組織樣cDNA 為模板擴增的CDS 區(qū)與NCBI 上山羊的氨基酸序列進行對比,沒有發(fā)現(xiàn)突變位點以及氨基酸的改變,說明序列擴增成功。同時,通過軟件分析證明黔北麻羊PPP3CA 編碼蛋白屬于親水性、非跨膜蛋白,并且通過核苷酸序列比對發(fā)現(xiàn)黔北麻羊PPP3CA與其他物種都有較高的同源性,說明PPP3CA是從同一個祖先進化來的。黔北麻羊PPP3CA與綿羊的同源性最近,親緣關(guān)系最近,達到100%,與鯊魚的同源性關(guān)系較遠,說明黔北麻羊PPP3CA基因符合生物進化進程。使用軟件分析黔北麻羊PPP3CA 蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu)與Wan 等[11]在天府山羊?qū)PP3CA 分析的結(jié)果一致。
同時本實驗發(fā)現(xiàn),PPP3CA基因在黔北麻羊心、肝、脾、肺、腎、背最6 個組織中有不同程度的表達差異,在背最長肌中表達量最高,在脾中表達量最低。單艷菊等[22]研究了PPP3CA基因在不同品種鴨發(fā)育早期肌肉中的表達,發(fā)現(xiàn)此基因分別在高郵鴨和金頂鴨的胸肌、腿肌中普遍表達水平較高,且在13 胚齡表達量達到最高峰。包艷波[23]研究發(fā)現(xiàn),PPP3CA基因突變會不同程度影響大骨雞公母雞的肉質(zhì)性狀,尤其在胸肌灰分含量、胸腿肌pH 等方面影響較明顯。彭興等[24]研究發(fā)現(xiàn),PPP3CA基因的3 非編碼區(qū)(3 UTR)具有與miR-21結(jié)合的潛在靶位點,豬miR-21 能靶向調(diào)節(jié)PPP3CA基因參與骨骼肌的生長發(fā)育。本實驗也顯示,PPP3CA在山羊不同組織表達且在背最長?。∪饨M織)的表達量最高,與上述結(jié)果[22-24]一致,提示PPP3CA基因也是山羊肌肉纖維生長發(fā)育的重要基因,但關(guān)于PPP3CA基因?qū)ι窖蚣∪馍L的調(diào)控機制還需進一步研究。