李俊杰, 于 朋, 李 昀, 田 源, 張凱強, 王海亮, 齊 鑫, 溫海深
花鱸基因家族的鑒定、進化分析及對環(huán)境鹽度的表達響應
李俊杰, 于 朋, 李 昀, 田 源, 張凱強, 王海亮, 齊 鑫, 溫海深
(中國海洋大學海水養(yǎng)殖教育部重點實驗室, 山東 青島 266003)
Claudin (cldn)是細胞間緊密連接蛋白的重要功能和結構組件, 通過控制細胞旁通路通透性參與滲透壓平衡的調節(jié)。本研究對花鱸()基因家族進行了系統(tǒng)的鑒定分析, 結果表明: 花鱸基因家族共包含55個成員, 分布于16條染色體上, 其中34個基因在哺乳動物體內有對應直系同源基因, 其余21個是硬骨魚所特有。選擇壓力分析顯示預測的花鱸cldns蛋白的跨膜區(qū)域存在14個受正選擇作用的氨基酸位點, 這些正選擇位點可能與家族內基因的多樣性和功能分化有關。此外, 基于花鱸鰓轉錄組的基因表達結果表明, 至少有24個基因在鰓中表達, 其中、和在不同環(huán)境鹽度處理后表達差異顯著, 表明其可能是花鱸鰓組織中調節(jié)滲透壓平衡的候選功能基因。本研究成果為研究花鱸及其他廣鹽性魚類基因家族成員的滲透調節(jié)機制奠定了理論基礎。
基因家族; 花鱸; 鹽度; 進化分析
緊密連接通過平衡細胞間通路調節(jié)細胞旁運輸, 在滲透調節(jié)中發(fā)揮重要作用。緊密連接復合蛋白由封閉蛋白(claudin)、閉合蛋白(oocludin)、縫隙連接蛋白(ZO-1)以及激動蛋白細胞骨架(actin cytoskeleton)構成[1]。其中, Claudin是一個多基因家族, 常簡寫為cldn, 是構成細胞間緊密連接必不可少的組成部分, 可調節(jié)水和離子在細胞垂直方向跨細胞緊密連接的細胞旁運動[2], 對于細胞間密封的形成和緊密連接的滲透性的控制都至關重要[3]。
Claudin是一種四跨膜蛋白, 其中, 第1個與第2個跨膜結構域高度保守, 氨基與羧基都分布在細胞內, 羧基末端富含豐富的絲氨酸、蘇氨酸及酪氨酸殘基[4]。Claudin對細胞連接處選擇滲透性的調節(jié)主要通過蛋白激酶途徑實現(xiàn), cldn上特異性的氨基酸靶點與蛋白激酶A或蛋白激酶C結合, 磷酸化后緊密連接功能下降, 表現(xiàn)為氯化物滲透性增強[5]。不同的成員存在組織特異性的表達, 并對離子交換的選擇性不同, 它們以多種組合方式參與構成緊密連接復合蛋白, 增加了緊密連接的結構和功能的多樣性, 形成了不同類型的屏障功能[6]。目前, 已有大量基因被鑒定出來, 不同物種間基因數(shù)存在較大差異: 無脊椎動物如秀麗隱桿線蟲()、黑腹果蠅()只有4到5個相關基因[7-8], 在哺乳動物中, 有24個家族成員被發(fā)現(xiàn)[3], 而在硬骨魚中, 由于硬骨魚特異的全基因組復制(WGD)和串聯(lián)重復事件, 先后共有63個被發(fā)現(xiàn)[9]。最大的擴增事件發(fā)生在上: 人類與13個魚類基因顯示出同源關系(、、、)[10]。
魚類的c基因與滲透壓調節(jié)和鹽度適應存在著密切的關系。鰓是魚類調節(jié)滲透壓最重要的器官之一。透射電鏡觀察結果表明, 當魚體從淡水轉入海水中時, 鰓上皮離子細胞和附屬細胞間緊密連接的超微結構由封閉的“柵欄”變?yōu)樾孤┑摹翱谞睢盵11]。這兩種細胞類型間存在著滲漏的緊密連接, 對于鰓上皮分泌多余的Na+提供了至關重要的細胞旁通路[12], 而cldns對于調節(jié)水和離子在細胞垂直方向跨細胞緊密連接的細胞旁運動至關重要。實驗結果顯示, 高滲環(huán)境誘導大西洋鮭魚鰓中的表達, 低滲環(huán)境則誘導大西洋鮭魚鰓中和的表達[13]。而在羅非魚的鰓組織中, 低滲環(huán)境誘導和的表達[14]。此外, 在兩種河豚(和)鰓中均發(fā)現(xiàn)了mRNA的鹽度依賴性差異表達[15-16]。Marshall等[17]探究了底鱂亞型在不同鹽度下的適應變化, 結果表明環(huán)境鹽度的增加提升了不同亞型的表達量。對于瓦氏雅羅魚()的基因家族的選擇壓力分析顯示,為正選擇基因, 表明其在促進離子轉運和酸堿調節(jié)以適應高鹽堿的自然環(huán)境中發(fā)揮潛在作用[18]。
花鱸()是我國重要的海產(chǎn)經(jīng)濟魚類, 具有典型的廣鹽性特征, 可在鹽度0~45的范圍內正常存活、生長, 是研究魚類鹽度耐受性及滲透壓調節(jié)機制的理想模型。本文對花鱸基因進行了全基因組的鑒定和注釋, 并對其基因結構及進化特征進行分析, 同時開展了它們在不同鹽度下鰓組織中的表達特征分析, 以期篩選與鹽度適應和滲透壓調節(jié)相關的基因, 為進一步研究花鱸對急性鹽度脅迫的生理響應以及花鱸的耐鹽機制研究奠定基礎。
實驗用1齡花鱸[(100.00±2.34) g]取自山東省東營市雙瀛水產(chǎn)苗種有限責任公司, 實驗開始前花鱸暫養(yǎng)在鹽度為30的水泥池(5 m×5 m×1 m)中, 溫度為(21.0±0.5) ℃, pH值為7.98~8.04, 溶解氧含量為6.90~8.54 mg/L, 亞硝酸鹽<0.1 mg/L, 光照周期14L: 10D。
本實驗共設計3個鹽度組, 分別為0(淡水組)、12(等滲組)、30(海水組), 每個鹽度組設置3個重復。實驗開始后, 將暫養(yǎng)的花鱸轉移至不同鹽度的水桶中, 實驗每個重復養(yǎng)殖5尾花鱸, 實驗進行30 d, 每日8: 30和16: 30投喂配合飼料, 每2 d換一次水, 換水量為50%。實驗結束后, 每個鹽度組至少隨機選取3尾魚進行鰓組織取樣并迅速保存于液氮中, 隨后置于?80 ℃超低溫冰箱中保存?zhèn)溆谩?/p>
從NCBI (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/)數(shù)據(jù)庫中檢索獲取人()、小鼠()、紅鰭東方鲀()和斑馬魚()4種物種的所有基因的氨基酸序列, 利用TBLASTN (1e-5)對花鱸參考基因組(NCBI登錄號: PRJNA408177)和轉錄組數(shù)據(jù)庫(NCBI登錄號: SRR4409341和SRR4409397)進行檢索, 初步獲得花鱸候選基因序列。利用在線工具open reading frame (ORF) finder (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/ gorf/gorf.html)篩選出完整的開放閱讀框, 并預測氨基酸序列, 通過smartblast比對NCBI非冗余(nr)蛋白序列數(shù)據(jù)庫進行進一步驗證。利用NCBI-CDD數(shù)據(jù)庫(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/cdd/)對鑒定得到的花鱸基因的特征結構域進行驗證。使用ExPASyProt-Param工具(https://web.expasy.org/ protparam/)計算每個預測的cldn蛋白的分子量(MW, kDa)和等電點(pI)。根據(jù)其他幾種脊椎動物的基因組數(shù)據(jù)庫對不同物種的基因拷貝數(shù)進行比較。
對花鱸、人、小鼠、斑馬魚以及硬骨魚紅鰭東方鲀的cldns氨基酸序列進行系統(tǒng)發(fā)育分析。利用ClustalW進行比對(默認參數(shù))。通過MEGA 7.0軟件, 采用Neighbor-Joining (NJ)法構建系統(tǒng)進化樹, bootstrap數(shù)值選擇1 000[19]。利用在線軟件Interactive Tree Of Life (http://itol.embl.de/)對進化樹進行作圖。通過花鱸基因組數(shù)據(jù)庫獲取染色體位置與基因密度信息, 通過MCScanX (默認參數(shù))挖掘共線性信息[20]。根據(jù)每個基因在基因組上的坐標定位其染色體位置, 并使用TBtools軟件進行結果可視化[21]。
使用MUSCLE方法對55條花鱸的預測的氨基酸序列進行比對。使用MEGA 7.0程序的最大似然法對花鱸構建系統(tǒng)發(fā)育樹, 基于物種內部序列的系統(tǒng)發(fā)育關系和后續(xù)分析的需要, 本文將家族成員分為4組: ClassⅠ、Class Ⅱ、Class Ⅲ和Class Ⅳ。使用PAL2NAL (http://www.bork.embl. de/pal2nal/)獲得準確比對的核苷酸序列, 用于獲得后續(xù)選擇壓力分析。
基于花鱸家族物種內的系統(tǒng)發(fā)育樹, 采用PAML 4.9i的CODEML程序[22], 利用不同的模型(枝模型、位點模型、枝位點模型), 對4組主要的進化枝進行選擇壓力分析。計算非同義替換與同義替換的比值值, 即d/d。當=1時, 為中性進化(Neutral selection), 即不受選擇; 當>1時, 為正選擇(positive selection); 當0<<1時, 為負選擇(nega-tive selection), 也叫凈化選擇或純化選擇(purifying selection)。本文利用EasyCodeML程序對3種模型的各項參數(shù)進行計算[23], 采用似然比檢驗(LRT)比較模型對的擬合程度, 采用貝葉斯法對正選擇位點進行識別[24]。
利用花鱸在不同鹽度條件下的鰓組織轉錄組數(shù)據(jù)庫(NCBI登錄號: PRJNA515986)進行meta分析, 對每百萬reads中來自于某基因每千堿基長度的reads數(shù)(RPKM)值進行歸一化處理后, 基于RPKM計算在每個組之間的表達倍數(shù)變化(海水組/等滲組、淡水組/等滲組、淡水組/海水組)。滿足總read數(shù)≥5、log2|(差異表達倍數(shù))|≥1、值≤0.05的基因被認為是顯著差異表達基因。
在花鱸全基因組范圍內共鑒定獲得55條序列(表1), CDS長度387~1 284 bp, 編碼蛋白長度為128~427個氨基酸。除和外, 分子量均在80 kDa以下。此外, 各等電點和保守結構域的位置在表1中列出。
表1 花鱸cldns基因家族成員的序列特征
續(xù)表
對各基因在花鱸、人、小鼠、雞()、斑點叉尾鮰()、斑馬魚及紅鰭東方鲀7種脊椎動物中的拷貝數(shù)進行了總結分析。如表2所示, 硬骨魚基因數(shù)目顯著高于高等脊椎動物的數(shù)目。花鱸、紅鰭東方鲀和斑點叉尾鮰的數(shù)目是人類的2倍以上, 表明基因家族在硬骨魚中產(chǎn)生了顯著擴增。及為高等脊椎動物所特有, 而其直系同源物在硬骨魚中缺失; 根據(jù)斑馬魚和紅鰭東方鲀的命名規(guī)則: 硬骨魚與哺乳動物(人)有直系同源關系的基因參照哺乳動物命名, 而與人無直系同源關系的基因從開始命名[10], 因此,之后的基因為硬骨魚所特有?;|比其他硬骨魚多了一個基因拷貝, 而在花鱸基因組中缺失,擁有3個拷貝, 多于所對比的任何一種硬骨魚(表2)。
表2 cldns各基因拷貝數(shù)在幾種典型脊椎動物中的比較
花鱸的55個基因分布于16條染色體上, 染色體5和染色體12分布著多個串聯(lián)重復基因(圖1)。如圖2所示, 兩基因簇分別與人類的和具有較高的同源性。此外, 3號、8號、16號、18號和20號染色體分別包含1個基因, 15號、17號和23號染色體分別包含2個基因, 10、11、19號染色體各含有3個基因, 而2號染色體包含4個基因。花鱸的定位于scaffold524上, 未掛載到染色體上(圖1)。
圖1 花鱸cldns基因的染色體分布情況
注: 黑色線條代表每個基因在染色體上的位置, 基因組所有基因的共線性關系由灰色線條表示。橙色外環(huán)代表每個染色體上的基因密度
圖2 人cldn3、cldn4及紅鰭東方鲀和花鱸cldn3-like、cldn4-like基因簇在染色體上的定位和位置關系
注: 紅色虛線表示染色體內的基因復制, 黑色虛線表示染色體片段間的基因復制
選取人、鼠、紅鰭東方鲀、斑馬魚以及花鱸共202條氨基酸序列構建系統(tǒng)進化樹。如圖3所示, 這些基因共聚為7組進化枝??偟膩碚f, 大多數(shù)花鱸基因與已知其他物種的同類基因聚在一起。共有34個花鱸基因與哺乳動物基因同源, 其余21個是硬骨魚所特有[10]。其中, 花鱸具有兩個拷貝(和), 由圖3可知, 二者的系統(tǒng)發(fā)育關系較遠。因此, 為進一步證實花鱸基因注釋的準確性, 我們進行了共線性分析(圖4), 結果顯示花鱸與紅鰭東方鲀的具有高度保守的相鄰基因, 而由于在紅鰭東方鲀?yōu)閱慰截? 我們選取雙色雀鯛()與花鱸的進行共線性分析, 結果證明花鱸與其具有相似的鄰近基因, 證實了花鱸基因的命名的準確性。
圖3 cldns基因家族各成員系統(tǒng)進化樹
注: 紅點表示鑒定出的花鱸基因, 不同顏色表示不同的進化枝
將花鱸55條氨基酸序列構建物種內的進化樹, 依據(jù)聚類關系將55條共分為4個大組: Class Ⅰ包含和等多個旁系同源基因, 多為硬骨魚較高等脊椎動物所特有的基因; Class Ⅱ包括、、、和; Class Ⅲ包括、、、; Class Ⅳ包括、、、、(圖5)。
圖4 cldn1基因共線性分析
圖5 花鱸cldns系統(tǒng)進化樹
采用枝位點模型檢測不同分支上不同位點受到的選擇壓力。結果如表3所示: 將Class Ⅰ、Class Ⅱ、Class Ⅲ和Class Ⅳ四大枝分別作為前景枝, 每次計算時將其他分支標記為背景枝, 結果表明, 除Class Ⅱ以外均檢測到受正選擇作用的氨基酸位點, 在Class Ⅰ分枝中, 有6.38%的位點受到正選擇壓力, 139Y為正選擇位點(>0.95); 在Class Ⅳ的分支上, 115D在>0.95這個置信水平上被認為是受正選擇的氨基酸位點; 在Class Ⅲ的分支上, 在>0.95的置信水平上在蛋白的跨膜區(qū)域有14個位點被檢測出來: 92A、93S、100G、102K、105K、115D、117I、135A、136V、137S、139Y、140A、143V、174A。但就整體而言, 四大枝的值仍遠小于1, 處于負選擇。
表3 支位點模型的參數(shù)估計與似然比檢驗
對不同鹽度條件下的花鱸鰓組織的轉錄組數(shù)據(jù)進行Meta分析, 結果如表4所示,基因家族中至少有24個成員在鰓組織中表達, 共有6個基因在不同的鹽度實驗組中呈現(xiàn)出顯著差異表達:、、、、和。其中,和在淡水中的表達量顯著高于等滲水、海水中的表達量;和的表達量關系為: 海水>等滲水>淡水;、與在淡水中的表達量顯著高于海水, 其在淡水和等滲水中也存在顯著差異。研究結果表明: 這6個基因在不同的鹽度環(huán)境下差異表達, 可能參與花鱸鰓組織滲透調節(jié), 具備離子屏障等功能。
Cldns是細胞間緊密連接蛋白的重要功能和結構組件, 在調節(jié)細胞旁通路通透性方面起著至關重要的作用[8]。本研究在花鱸全基因組范圍內共鑒定出55個基因, 并對其進行了系統(tǒng)發(fā)育分析、基因拷貝數(shù)分析、染色體定位、進化分析以及鰓組織在不同鹽度環(huán)境下的表達特征分析。與多數(shù)硬骨魚的研究相似[10, 13, 14, 25-27], 相較于高等脊椎動物, 本研究中家族在花鱸中也出現(xiàn)顯著擴增, 為理解硬骨魚的基因進化和全基因組復制提供了一個理想模型。在硬骨魚中的注釋較為復雜, 如在斑馬魚中, 與人類有直系同源關系的基因以數(shù)字后綴命名(、等), 而斑馬魚相比于高等脊椎動物所特有的基因則以字母后綴命名(、等)[25]。在紅鰭東方鲀的相關研究中, 所有的基因均以數(shù)字后綴命名[9]。Baltzegar等人在2013年對斑馬魚基因的注釋根據(jù)系統(tǒng)發(fā)育關系進行了修訂[2]。本文通過與斑馬魚和紅鰭東方鲀的同源關系對花鱸的進行注釋, 并通過系統(tǒng)發(fā)育關系進行驗證。對于產(chǎn)生擴增且系統(tǒng)發(fā)育關系聚類不好的基因拷貝(如)通過共線性分析對基因的注釋進行進一步驗證。此外, 位于5號染色體上的通過串聯(lián)重復產(chǎn)生了一個旁系同源物, 二者所編碼的蛋白及理化性質完全一致, 我們參考斑馬魚的注釋原則, 在本文中將其注釋為和。
表4 花鱸鰓中cldns基因在不同鹽度下的差異表達
續(xù)表
注: 數(shù)值代表log2(差異表達倍數(shù)); *: 顯著差異表達基因
在高等哺乳動物的基因組中, 共發(fā)現(xiàn)27種[28], 而在硬骨魚中, 已經(jīng)有63個在16種硬骨魚中被發(fā)現(xiàn)。在本次研究中, 共獲得55個花鱸的。值得注意的是, 僅在硬骨魚中發(fā)現(xiàn)了直系同源基因的多拷貝現(xiàn)象, 表明硬骨魚基因相較于高等脊椎動物的顯著擴增與硬骨魚的全基因組復制(WGD)有密切的關系。據(jù)報道, 這次硬骨魚特異的全基因組復制事件是導致硬骨魚物種多樣化的重要原因[29]。而全基因組復制事件后部分基因丟失而硬骨魚的基因數(shù)量卻是高等脊椎動物的兩倍還多, 這表明單是WGD不足以解釋硬骨魚中基因的擴增, 例如本研究中5號和12號染色體上出現(xiàn)的多個基因形成的基因簇解釋了該現(xiàn)象。在基因復制事件后, 產(chǎn)生的新基因存在3種情況: 1) 丟失(例如成為假基因或沉默基因); 2) 關鍵通路的效能需增加一倍; 3) 有足夠的環(huán)境選擇壓力來推動新功能的發(fā)展, 新基因保存下來并獲得新的功能[30-31]。為此, 我們對花鱸的基因進行了選擇壓力分析, 枝模型和位點模型的計算結果表明,基因家族整體主要受負選擇。枝位點模型的計算結果表明, 在不同的主要分枝上, cldns蛋白的某些氨基酸位點受正選擇作用。所篩選到的正選擇位點主要分布在cldns蛋白跨膜區(qū)域, 這些位點上的正選擇壓力可能是不同基因的組織表達特異性和功能多樣性的重要原因。
由于鰓組織與周圍水環(huán)境直接接觸, 因此其對維持硬骨魚體內的穩(wěn)態(tài)至關重要。幾十年來, 人們普遍認為鰓上皮的不同的旁細胞特性對鰓組織的功能至關重要[12], 但是鰓組織緊密連接復合蛋白的分子生理學直到近幾年才成為人們關注的焦點[1]?;蛟邛w組織中的重要性已經(jīng)在多個硬骨魚中進行探討[10, 32], 并在多中硬骨魚的鰓組織中找到至少44個[1]。一些研究表明, 當青斑河豚和雙斑鲀由海水轉入淡水的低滲環(huán)境后,和亞型的mRNA表達量上調, 表明該的功能可能是形成細胞間屏障以限制體內離子的流失[16, 33]。本研究中, 我們同樣發(fā)現(xiàn)花鱸在淡水中的表達量顯著高于等滲水中, 且高于其在海水中的表達量; 此外,在淡水中的表達量顯著高于其在海水中的表達量, 且表達量在海水、等滲水和淡水中逐級上調, 表明在低滲環(huán)境下同樣起到細胞間“屏障”功能, Engelund等人對大西洋鮭的研究結果與上述結果一致, 其將大西洋鮭的轉染至哺乳動物的腎臟細胞系后降低了上皮細胞的電導率和一價陽離子的細胞旁通路滲透性[34]。對斑馬魚和大西洋鮭的研究表明, 在高滲環(huán)境下,的mRNA水平上調, 作為離子細胞(MRCs)和附屬細胞(AC)間的“泄漏孔洞”使體內多余的Na+排出體外[13-14, 25], 而在本研究中卻相反,、和在高滲環(huán)境中的表達較低, 在淡水中的表達顯著高于海水中的表達, 且未在鰓組織中發(fā)現(xiàn)在高滲環(huán)境顯著上調的基因。推測由于各物種應對環(huán)境鹽度變化的響應機制具有物種特異性, 以及實驗處理的條件不同、實驗用魚的規(guī)格不同所導致。關于花鱸的基因在應對環(huán)境鹽度變化的具體功能, 還需進一步深入研究。
本研究在花鱸全基因組范圍內共鑒定獲得55個基因, 通過系統(tǒng)發(fā)育和共線性分析確保了基因注釋的準確性; 基因拷貝數(shù)和染色體定位分析證實硬骨魚基因家族擴增為全基因組復制和串聯(lián)重復事件共同作用的結果; 選擇壓力分析表明花鱸基因家族整體處于負選擇, 但在蛋白的跨膜區(qū)域存在14個受環(huán)境正選擇作用的氨基酸位點, 這些位點上的正選擇壓力可能是基因多樣性和功能分化的重要依據(jù); 此外, 在不同的鹽度環(huán)境下, 鰓組織中共有6個基因呈現(xiàn)顯著的差異表達, 表明它們在應對鹽度環(huán)境變化時發(fā)揮潛在作用。
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Identification and evolutionary analysis of Claudins gene family in spotted sea bass and its expression characteristics in gill tissue under different salinity
LI Jun-jie, YU Peng, Li Yun, TIAN Yuan, ZHANG Kai-qiang, WANG Hai-liang, QI Xin, Wen Hai-shen
(The Key Laboratory of Mariculture, Ministry of Education, Ocean University of China, Qingdao 266003, China)
Claudin (cldn) is an important functional and structural component of the intercellular tight junction protein, which is involved in the regulation of osmotic pressure balance by controlling the permeability of cellular bypass pathways. In the present study,gene family was systematically identified and characterized in spotted sea bass (). The results showed that there were 55 members ingene family of spotted sea bass, which were distributed on 16 chromosomes. Among them, 34 members have their direct homologous genes in mammals, and the remaining 21genes seemed to be teleosts-specific. Selection pressure analysis showed that 14 amino acid sites were positively selected in the predicted transmembrane region of cldns protein, which may be associated with the gene diversity and functional differentiation within the family. Additionally, the expression levels of at least 24genes were detected in the transcriptome of gills in spotted sea bass and、、、andshowed significant expression differences between different salinity environment, suggesting their key roles in regulating osmotic pressure balance in gills of spotted sea bass. This study provides a theoretical basis for studying the osmotic regulation mechanism ofgene family in spotted sea bass and other teleosts.
gene family;; salinity; evolutionary analysis
Feb. 3, 2021
S917.4
A
1000-3096(2022)08-0065-14
10.11759/hykx20210203001
2021-02-03;
2021-03-09
國家自然科學基金課題(32072947); 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術體系專項(CARS-47)
[National Natural Science Foundation of China, No. 32072947; China Agriculture Research System, No. CARS-47]
李俊杰(1996—), 男, 江蘇蘇州人, 碩士研究生, 研究方向為魚類生理與繁育, E-mail: 1121938079@qq.com; 溫海深(1963—),通信作者, 男, 教授, 研究方向為魚類生理與繁育, E-mail: wenhaishen@ouc.edu.cn
(本文編輯: 楊 悅)