李金澤,湯菊芬,黃瑜,簡紀(jì)常,施鋼,蔡佳,*
(1.廣東海洋大學(xué) 水產(chǎn)學(xué)院,廣東省水產(chǎn)動物病害防控與健康養(yǎng)殖重點實驗室,廣東省水產(chǎn)經(jīng)濟動物病害控制重點實驗室,南方海洋科學(xué)與工程廣東省實驗室(湛江),廣東 湛江 524088;2.廣西科學(xué)院廣西北部灣海洋研究中心,廣西海洋天然產(chǎn)物與組合生物合成化學(xué)重點實驗室,廣西 南寧 530007)
斜帶石斑魚Epinepheluscoioides屬于鱸形目,是中國南方重要的經(jīng)濟養(yǎng)殖魚類之一[1]。近年來,隨著其養(yǎng)殖規(guī)模的擴大和增養(yǎng)殖密度的提高,斜帶石斑魚在養(yǎng)殖過程中頻繁發(fā)生寄生蟲疾病、細(xì)菌性疾病和病毒性疾病。其中,寄生蟲疾病主要為瓣體蟲病和小瓜蟲病,細(xì)菌性疾病主要為爛尾病和潰爛病,病毒性疾病主要為虹彩病毒病和病毒性神經(jīng)壞死病[2],這些疾病嚴(yán)重影響了石斑魚產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此,開展石斑魚抗感染免疫反應(yīng)研究,有助于挖掘該過程中的關(guān)鍵因子或信號通路,并為開發(fā)新型疾病防控技術(shù)提供理論參考。
T細(xì)胞免疫球蛋白黏蛋白-4(T-cell immunoglobulin and mucin-domain-containing molecule 4,TIM-4)家族是一類Ⅰ型跨膜糖蛋白,最早在小鼠體內(nèi)發(fā)現(xiàn),有TIM-1、TIM-2、TIM-3、TIM-4 4個成員,位于11號染色體上相鄰位置,而人類中只鑒定到3個TIM家族基因,分別是TIM-1、TIM-3、TIM-4,位于第5號染色體上[3]。TIM家族成員具有特征性的Ig(immunoglobulin)結(jié)構(gòu)域,是胞外的主要功能結(jié)構(gòu)域,其含有的4~6個保守半胱氨酸在折疊過程中可形成二硫鍵用以維持Ig結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定,還能介導(dǎo)TIM蛋白與配體的識別和結(jié)合[4]。TIM蛋白最初被定義為A型肝炎病毒受體和一種腎臟損傷分子,是調(diào)節(jié)腎臟缺血的上皮細(xì)胞分子[5],隨后的研究發(fā)現(xiàn),TIM蛋白在細(xì)胞增殖、凋亡、自噬、遷移、組織再生和免疫調(diào)節(jié)中發(fā)揮著重要作用[6-8],在病毒感染、過敏反應(yīng)、自身免疫和腫瘤免疫等病理過程中維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)[9]。其中,TIM-4基因通過結(jié)合磷脂酰絲氨酸受體的免疫球蛋白結(jié)構(gòu)控制細(xì)胞凋亡[10],并作為配體與TIM-1基因結(jié)合,通過TIM-1~TIM-4途徑共刺激T細(xì)胞增殖,參與體內(nèi)免疫調(diào)節(jié)[11]。然而,關(guān)于斜帶石斑魚TIM-4的免疫作用目前尚未見報道。本研究中,通過擴增獲得斜帶石斑魚TIM-4基因的蛋白編碼區(qū),分析其序列特征,檢測該基因在健康魚體中的組織分布,以及經(jīng)LPS和Poly I:C刺激后的表達變化,并構(gòu)建TIM-4原核表達載體,轉(zhuǎn)化至大腸桿菌(BL21)中進行誘導(dǎo)重組蛋白表達,以期為進一步研究該基因在斜帶石斑魚免疫調(diào)節(jié)中的功能提供科學(xué)參考。
試驗用斜帶石斑魚(40~50 g)采集于廣東省湛江市某水產(chǎn)批發(fā)市場。
載體與菌株:克隆載體pMDTM19T 質(zhì)粒購于TaKaRa公司;pGEX-4T-1載體及大腸桿菌DH5α、BL21由廣東省水產(chǎn)經(jīng)濟動物病原生物學(xué)及流行病學(xué)重點實驗室保存。
主要試劑:Ex Taq DNA聚合酶、限制性核酸內(nèi)切酶EcoR Ⅰ、Xho Ⅰ及T4DNA連接酶等購自TaKaRa公司(日本);質(zhì)粒提取試劑盒及膠回收試劑盒購自生工生物工程(上海)股份有限公司;TransZol Up Plus RNA Kit和相關(guān)反轉(zhuǎn)錄試劑盒、實時熒光定量試劑盒(TransStart Green qPCR Super Mix)等購自北京全式金公司;SDS-PAGE凝膠制備試劑盒購自西安晶彩生物科技有限公司;10×PBS、1×PBS購自碧云天公司;胰蛋白胨、無水乙醇等均為分析純;PCR引物及序列測定均由廣州生工生物技術(shù)有限公司完成。
實時熒光定量PCR(qPCR)所用的斜帶石斑魚脾臟細(xì)胞(GS 細(xì)胞)由華南農(nóng)業(yè)大學(xué)秦啟偉教授惠贈。LPS購于碧云天公司,Poly I:C購于Apexbio公司。
1.2.1 引物設(shè)計合成 在本實驗室斜帶石斑魚轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)中[12]篩選出斜帶石斑魚TIM-4基因的蛋白編碼區(qū)序列,利用Primer Premier 5.0軟件設(shè)計正反向引物及熒光定量引物(表1)。
表1 本研究所用引物Tab.1 The primers used in this study
1.2.2 總RNA提取及反轉(zhuǎn)錄 根據(jù)TransZol Up Plus RNA Kit說明書方法進行斜帶石斑魚總RNA的提取。將斜帶石斑魚的脾臟、皮膚、心臟、頭腎、小腸、鰓、腎臟、大腦、肌肉、胃組織置于2 mL無RNA酶的離心管中,加入1 mL的Trizol Up及1個鋼珠,使用研磨器研磨3 min;將200 μL氯仿加入組織勻漿中,充分振蕩后將混合液于4 ℃下以12 000 r/min離心15 min,將分層后的上層水相轉(zhuǎn)移至1.5 mL無RNA酶的離心管中,加入等體積提前預(yù)冷的異丙醇,室溫下靜置10 min;離心后棄上清液,加入500 μL體積分?jǐn)?shù)為75%的乙醇,溫和振蕩后以8 000 r/min離心5 min,棄上清液,室溫晾干10 min,而后加入無RNA酶的水溶解RNA樣品。取1 μL的RNA使用超微量生物檢測儀檢測其濃度,按照全式金公司的反轉(zhuǎn)錄試劑盒說明書,分別向其中加入Anchored Oligo (dT)181 μL、Easy Script RT/RI Enzynle Mix 1 μL、gDNA Remove 1 μL、2×Es Reaction Mix 10 μL、RNase-free water 2 μL和RNA 5 μL,樣品經(jīng)過混合,于42 ℃ 下反應(yīng)15 min,85 ℃ 下作用5 s,進行cDNA合成,產(chǎn)物于-20 ℃下保存待用。
1.2.3TIM-4基因的蛋白編碼區(qū)擴增 按照Ex Taq 酶說明書推薦體系,擴增TIM-4基因的蛋白編碼區(qū)。PCR 反應(yīng)體系(20 μL):上、下游引物(TIM-4-S和TIM-4-A,10 μmol/L)各1 μL,cDNA模板1 μL,Ex Taq 10 μL,ddH2O 7 μL。PCR 反應(yīng)程序:94 ℃下預(yù)變性5 min;94 ℃下循環(huán)變性30 s,55 ℃下退火復(fù)性30 s,72 ℃下延伸90 s,共進行35個循環(huán);最后在72 ℃下再延伸10 min,于4 ℃下保存?zhèn)溆谩?/p>
1.2.4TIM-4基因的生物信息學(xué)分析 在生物信息分析網(wǎng)站(NCBI)進行基因序列比對及同源性分析,使用DNAMAN 5.0軟件進行多序列比對,比對后的序列利用MEGA 7.0軟件構(gòu)建系統(tǒng)進化樹。
1.2.5TIM-4基因的組織表達 以β-actin作為內(nèi)參基因,每個樣本設(shè)置3個平行復(fù)孔,采用qPCR法檢測TIM-4基因在斜帶石斑魚脾臟、心臟、頭腎、鰓、腦、腎臟、胃、腸、肌肉和皮膚10個組織中的表達情況,采用2-△△Ct法計算基因表達量[13],以脾臟表達量為參照,計算各組織的相對表達量。
1.2.6 LPS和Poly I:C刺激后GS細(xì)胞中TIM-4基因的表達變化 將GS細(xì)胞接種至24孔細(xì)胞培養(yǎng)板中,細(xì)胞量約為1×105cells/孔,分別加入終質(zhì)量濃度為1 mg/mL的LPS和5 mg/mL的Poly I:C進行刺激[14],在感染0、4、8、12、24、48 h時收集GS細(xì)胞,反轉(zhuǎn)錄為cDNA后用于qPCR。qPCR反應(yīng)體系(10 μL):模板0.5 μL,上、下游引物(TIM-4-RT-S與TIM-4-RT-A)各1 μL,2×SYBR Green Mix(Roche) 5 μL,ddH2O 2.5 μL。每個樣品設(shè)置4個復(fù)孔,反應(yīng)條件:95 ℃下預(yù)變性10 s;95 ℃下循環(huán)變性5 s,58 ℃下退火復(fù)性15 s,72 ℃下延伸20 s,共進行34個循環(huán)。
1.2.7TIM-4基因原核表達載體構(gòu)建 根據(jù)已經(jīng)得到的TIM-4基因的蛋白編碼區(qū)設(shè)計含酶切位點的引物TIM-4-S(EcoR Ⅰ)和TIM-4-A(Xho Ⅰ),用Ex Taq酶擴增含酶切位點的基因片段連接到pMDTM19T載體,對測序正確的陽性克隆TIM-4-19T和pGEX-4T-1載體采用EcoR Ⅰ和Xho Ⅰ進行雙酶切。酶切反應(yīng)體系(50 μL):DNA 5 μL,10×QuickCut Buffer 5 μL,QuickCutTMEcoR Ⅰ 2 μL,QuickCutTMXho Ⅰ 2 μL,ddH2O 36 μL。反應(yīng)程序為37 ℃下反應(yīng)15 min,于4 ℃下保存。
經(jīng)15 g/L瓊脂糖凝膠電泳后,回收相應(yīng)的目的條帶,將切膠回收的DNA片段分別與雙酶切的表達質(zhì)粒用T4DNA酶進行連接。連接體系為TIM-4-19T質(zhì)粒DNA 6 μL、pGEX-4T-1質(zhì)粒DNA 2 μL、T4DNA連接酶1 μL、T4Ligaze Buffer 1 μL,連接過夜,然后轉(zhuǎn)化至大腸桿菌DH5α中,利用氨芐西林篩選TIM-4-4T重組質(zhì)粒陽性克隆,陽性克隆經(jīng)PCR鑒定后送至廣州生工生物技術(shù)有限公司進行測序,將測序結(jié)果正確的重組質(zhì)粒命名為TIM-4-4T。
1.2.8 TIM-4重組蛋白誘導(dǎo)表達條件的優(yōu)化 將構(gòu)建好的TIM-4-4T重組質(zhì)粒導(dǎo)入到大腸桿菌BL21感受態(tài)細(xì)胞中,參考梁振宇等[15]的方法,對TIM-4重組蛋白的表達條件進行優(yōu)化,當(dāng)OD600 nm為0.4~0.6時開始誘導(dǎo),溫度分別設(shè)置為37、28、16 ℃,IPTG濃度分別設(shè)置為1.0、0.8、0.6、0.4、0.2 mmol/L,搖床6 h后收集樣品,然后在4 ℃下以6 000 r/min離心30 min,再用5 mL的PBS吹勻沖洗,如此重復(fù)兩次。再向其中加入50 μL PBS吹勻,再加入10 μL Protein Loading Buffer吹勻,熱水煮沸5 min后以14 000 r/min 離心4 min,將樣品置于-20 ℃下保存。經(jīng)過SDS-PAGE凝膠電泳后用考馬斯亮藍染色,用Gel-Pro Analyzer分析結(jié)果。
取重組質(zhì)粒菌液200 μL,加入30 mL含氨芐西林(Ampillin)抗性的LB培養(yǎng)液,在37 ℃、0.4 mmol/L IPTG條件下誘導(dǎo)6 h后,分別移入2個15 mL的離心管中,以15 000 r/min離心2 min,去掉上清液,分別用7 mL PBS吹勻潤洗兩遍,之后再將其吹勻,置于冰水混合物中超聲破碎重組細(xì)菌。超聲程序設(shè)置為功率300 W、開5 s、關(guān)8 s,超聲破碎15 min至菌液清澈透亮即可。取破碎后的液體移至低溫離心機,離心30 min,取離心后的上清液50 μL加10 μL Protein Loading Buffer吹勻,于-20 ℃下保存,將沉淀用10 mL尿素吹勻浸泡過夜。經(jīng)過SDS-PAGE后用考馬斯亮藍染色,采用Gel-Pro Analyzer分析結(jié)果。
基因表達量試驗數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示,采用SPSS 21軟件進行單因素方差分析,用Duncan法進行不同組織間基因表達量顯著性差異比較,用T檢驗進行不同時間點基因表達量顯著性差異比較,顯著性水平設(shè)為0.05。
利用PCR擴增斜帶石斑魚TIM-4基因的蛋白編碼區(qū),擴增產(chǎn)物經(jīng)凝膠電泳檢測,得到702 bp的目的條帶(圖1),即基因的蛋白編碼區(qū)片段長度為702 bp,可編碼234個氨基酸,預(yù)測蛋白的相對分子質(zhì)量為25 100,理論等電點為5.41。利用SMART軟件預(yù)測該蛋白序列包含3個功能結(jié)構(gòu)域,即V-Type(IGV)、BTK和PRY結(jié)構(gòu)域(圖2)。
采用DNAMAN軟件,將斜帶石斑魚TIM-4氨基酸與龍膽石斑魚E.lanceolatus、大黃魚Larimichthyscrocea、河鱸Percafluviatilis、泰國斗魚Bettasplendens、貝氏南極魚Trematomusbernacchii、人Homosapiens和小鼠MusmusculusTIM-4氨基酸序列進行比對,結(jié)果顯示,不同物種TIM-4氨基酸序列均含有Ig保守結(jié)構(gòu)域(圖2)。通過對比發(fā)現(xiàn),斜帶石斑魚TIM-4氨基酸序列與魚類TIM-4氨基酸序列相似度較高,其中與龍膽石斑魚TIM-4氨基酸序列的一致性最高(85.66%),而與人TIM-4氨基酸序列的一致性最低(17.10%)。
加粗部分為起始密碼子(ATG)和終止密碼子(TGA),灰色陰影部分為Ig結(jié)構(gòu)域。The bold part is the start codon (ATG) and the stop codon (TGA),and the underlined part is the Ig domain.圖1 斜帶石斑魚TIM-4基因的蛋白編碼區(qū)序列Fig.1 Sequence of protein coding region of TIM-4 gene in oblique grouper Epinephelus coioides
Ig保守結(jié)構(gòu)域用方框標(biāo)記;IGV、BTK、PRY功能結(jié)構(gòu)域用實線標(biāo)記。Conserved domain of Ig-type lectin is shown in the box;IGV,BTK and PRY functional domains are marked with solid lines.圖2 斜帶石斑魚與其他物種TIM-4氨基酸的多序列比對Fig.2 Multiple alignment of amino acid sequence of TIM-4 between oblique grouper Epinephelus coioides with other species
采用MEGA 7.0軟件構(gòu)建斜帶石斑魚與其他物種的TIM-4氨基酸序列的系統(tǒng)進化樹,結(jié)果顯示,斜帶石斑魚TIM-4與龍膽石斑魚、大黃魚和泰國斗魚TIM-4聚為一支,且與龍膽石斑魚TIM-4的親緣關(guān)系最近(圖3),這與氨基酸序列比對結(jié)果一致。
圖3 TIM-4氨基酸序列的進化分析Fig.3 Phylogenetic analysis of TIM-4 amino acid sequence
從圖4可見,TIM-4基因在斜帶石斑魚的脾臟、皮膚、心臟、頭腎、腸、鰓、腎臟、腦、肌肉、胃組織中均有表達,在胃中表達量最高(P<0.05),其次是肌肉、腦和腎臟,在脾臟中表達量最低。
Sp—脾臟;Sk—皮膚;H—心臟;HK—頭腎;In—腸;G—鰓;K—腎臟;B—腦;M—肌肉;S—胃。標(biāo)有不同字母者表示組間有顯著性差異(P<0.05),標(biāo)有相同字母者表示組間無顯著性差異(P>0.05)。Sp—spleen;Sk—skin;H—heart;HK—head kidney;In—intestinal;G—gill;K—kidney;B—brain;M—muscle;S—stomach.The means with different letters are significantly different in the groups at the 0.05 probability level,and the means with the same letter are not significant differences.圖4 TIM-4基因在不同組織中的表達量Fig.4 Expression level of TIM-4 gene in different tissues
從圖5可見:經(jīng)LPS刺激后,TIM-4基因在GS細(xì)胞中的表達量顯著下降(P<0.05),在4 h時下降到最低值;而經(jīng)Poly I:C刺激后,TIM-4基因在GS細(xì)胞中的表達量顯著上升(P<0.05),在4 h時達到最高。
*表示與0 h的表達量相比有顯著性差異(P<0.05)。*,significant differences compared to 0 h (P<0.05).圖5 LPS和Poly I:C刺激后脾臟細(xì)胞中TIM-4基因的表達變化Fig.5 Differential expression of TIM-4 gene in GS by LPS and Poly I:C stimulations
取TIM-4-4T陽性克隆分別于37、28、16 ℃下,以1.0、0.8、0.6、0.4、0.2 mmol/L IPTG的濃度分別進行誘導(dǎo),SDS-PAGE凝膠電泳結(jié)果顯示,在37 ℃、0.4 mmol/L IPTG條件下誘導(dǎo)6 h時的重組蛋白表達量最高(圖6)。
M—蛋白marker;1~5—1.0、0.8、0.6、0.4、0.2 mmol/L IPTG誘導(dǎo);6—未誘導(dǎo)。M—protein marker;1-5—recombinant bacteria induced by IPTG at a dose of 1.0,0.8,0.6,0.4 and 0.2 mmol/L;6—non-reduced by IPTG.圖6 TIM-4重組蛋白表達與條件優(yōu)化Fig.6 Optimal conditions for the expression of TIM-4 recombinant protein
對不同溫度和IPTG濃度誘導(dǎo)下重組蛋白的可溶性分析表明,在溫度37 ℃、IPTG 0.4 mmol/L的條件下誘導(dǎo)的重組蛋白表達量最大,經(jīng)超聲破碎后,在沉淀中出現(xiàn)明顯的蛋白條帶(圖7),這表明TIM-4蛋白主要以包涵體形式表達。
M—蛋白marker;1—TIM-4-4T超聲裂解上清液;2—TIM-4-4T超聲裂解沉淀。M—protein marker;1—sonicated supernatant of TIM-4-4T;2—sonicated sediment of TIM-4-4T.圖7 TIM-4-4T重組菌裂解上清液和沉淀中的重組蛋白Fig.7 TIM-4 recombinant protein of supernatant and precipitation of the lysis from TIM-4-4T recombinant strain
TIM-4是TIM家族中的重要成員之一[4]。研究表明,TIM與哺乳動物的過敏性疾病和自身免疫性疾病相關(guān)[16-18],但目前尚未見魚類TIM-4的報道。本研究中,擴增了斜帶石斑魚TIM-4基因的蛋白編碼區(qū),長度為702 bp,可編碼234個氨基酸,與其他已報道的TIM-4蛋白相同,TIM-4氨基酸序列含有IGV、BTK和PRY 3個功能結(jié)構(gòu)域。已有研究表明,TIM-4的IGV結(jié)構(gòu)域參與調(diào)節(jié)NLRP3炎癥小體的激活及影響病毒的侵染[19-20];BTK結(jié)構(gòu)域能通過與G蛋白亞基的相互作用介導(dǎo)細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)[21];PRY結(jié)構(gòu)域在與胞內(nèi)模式識別受體(RIG-I和NOD2)的互相作用中發(fā)揮著關(guān)鍵作用,從而調(diào)節(jié)宿主的先天免疫[22]。由此推測,斜帶石斑魚TIM-4在病原感染及免疫應(yīng)答過程中可能具有類似作用。
本研究中,采用qPCR法分析了TIM-4基因在斜帶石斑魚各組織中的表達情況,結(jié)果顯示,TIM-4基因在所有檢測的組織中均有分布,在胃組織中表達量最高,其次是肌肉、腦、腎臟、鰓、腸等組織。已有研究表明,TIM-4基因是特定組織定位的巨噬細(xì)胞的標(biāo)記[23],腸胃中巨噬細(xì)胞可與微生物群落共同調(diào)節(jié)平滑肌的運動,影響消化,因此,本研究中斜帶石斑魚TIM-4基因在胃中高表達,暗示其可能具有調(diào)節(jié)消化的功能。而肌肉中的巨噬細(xì)胞則與再生相關(guān)[24],腦部的巨噬細(xì)胞則與抵御病原侵染相關(guān)[25],因此,本研究中斜帶石斑魚TIM-4基因可能在生長調(diào)控、抗病原感染及免疫應(yīng)答過程中也發(fā)揮作用。
TIM-4基因表達水平可由不同的刺激因子調(diào)節(jié),如LPS、霍亂毒素和細(xì)胞因子等[8,26-29]。LPS是革蘭氏陰性細(xì)菌細(xì)胞壁的主要成分,能刺激細(xì)胞釋放炎癥因子,誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡[30-31],細(xì)胞凋亡時細(xì)胞膜內(nèi)側(cè)的磷脂酰絲氨酸(ptdSer)外翻,TIM-4對ptdSer具有較高的親和力,能特異性識別凋亡細(xì)胞并介導(dǎo)吞噬凋亡細(xì)胞[7],從而抑制炎癥與維持組織穩(wěn)態(tài)。本研究中,在LPS刺激后斜帶石斑魚TIM-4基因在脾臟細(xì)胞中的表達量顯著下降,表明TIM-4可能參與了炎癥因子通路的調(diào)控。而Poly I:C作為一種干擾素誘導(dǎo)劑,屬病毒核酸的類似物,能被MDA5和TLR3識別,從而激活Ⅰ型干擾素的表達[32-33],因此,本研究中斜帶石斑魚TIM-4基因在Poly I:C刺激下表達量顯著上升,暗示TIM-4可能在干擾素表達的正向調(diào)控中發(fā)揮作用。
本試驗中成功地表達出相對分子質(zhì)量約為25 100的斜帶石斑魚TIM-4重組蛋白。選擇pGEX-4T作為原核表達載體,是因為pGEX-4T載體能在IPTG誘導(dǎo)下高效表達外源蛋白,且構(gòu)建的重組蛋白還能通過谷胱甘肽巰基轉(zhuǎn)移酶(GST)親和層析柱簡便、快速地純化,得到高純度的蛋白[34]。本研究表明,斜帶石斑魚TIM-4重組蛋白以包涵體的形式表達,在IPTG終濃度0.4 mmol/L、溫度37 ℃的條件下,誘導(dǎo)6 h時的重組蛋白表達量最大。
1)本研究中,擴增了斜帶石斑魚TIM-4基因的蛋白編碼區(qū)序列,預(yù)測的氨基酸序列含有IGV、BTK和PRY 3個保守結(jié)構(gòu)域,表明TIM-4基因在抗病原感染及免疫應(yīng)答過程中發(fā)揮作用。
2)TIM-4在斜帶石斑魚胃中的表達量最高,且經(jīng)LPS刺激后,TIM-4在脾臟細(xì)胞中的表達量顯著下降,經(jīng)Poly I:C刺激后TIM-4在脾臟細(xì)胞中的表達量顯著上升,表明TIM-4基因在斜帶石斑魚生長調(diào)控、抗病原感染及免疫應(yīng)答過程中發(fā)揮了作用。
3)斜帶石斑魚TIM-4重組蛋白相對分子質(zhì)量約為25 100,主要以包涵體形式表達。