張美珍,王志新,吳羽媛,梁海鷹
(廣東海洋大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院,廣東湛江 524088)
【研究意義】Toll樣受體(Toll-like receptors,TLRs)是一類重要的模式識別受體,在炎癥發(fā)生、促免疫分子表達(dá)、免疫細(xì)胞成熟、配體識別、調(diào)節(jié)免疫應(yīng)答及抗病毒感染等方面發(fā)揮重要作用(唐深和冷靜,2004;唐沙等,2021)。TLRP(Toll-like receptor protein)屬于TLRs家族成員之一,但其序列特征和功能尚未清楚。因此,克隆TLRP基因cDNA序列并進(jìn)行表達(dá)特征分析,可為后續(xù)研究TLRP基因功能提供理論依據(jù)?!厩叭搜芯窟M(jìn)展】TLRs家族種類較多,按細(xì)胞定位可分為細(xì)胞表面TLRs和細(xì)胞內(nèi)TLRs。其中,細(xì)胞表面TLRs包括TLR1、TLR2、TLR4、TLR5、TLR6和TLR10,主要識別脂多糖、脂蛋白等微生物膜 成 分;細(xì) 胞 內(nèi)TLRs包 括TLR3、TLR7、TLR8、TLR9、TLR11、TLR12和TLR13,主要識別細(xì)菌和病毒 的 核酸(Manavalan et al.,2011;Kawasaki and Kawai,2014)。除上述TLRs外,近年來在魚類中還鑒定出特有的TLR27(Wang et al.,2015)。TLRs主要由三大部分組成,包括富含亮氨酸重復(fù)序列(Leucine rich repeats,LRRs)的胞外區(qū)、跨膜結(jié)構(gòu)域(Transmembrane region,TM)及含有與白介素-1受體高度同源的TIR結(jié)構(gòu)域(Toll/I L-1receptor domain)的胞內(nèi)區(qū)(唐雪穎,2018),其中,LRRs的數(shù)量和序列特征決定了TLRs特異性識別病原的模式識別受體(Pattern-recognition receptors,PAMPs),TIR結(jié)構(gòu)域可招募MyD88和TRIF等接頭蛋白,激活下游信號通路,從而啟動(dòng)免疫反應(yīng)(Narayanan and Park,2015;尹淑園,2020)。已有研究發(fā)現(xiàn),鰻弧菌感染短蛸后,其肝臟中的TLR13基因表達(dá)量升高且在感染后24 h達(dá)最大值,暗示該基因參與鰻弧菌病變過程(周建波等,2019);大彈涂魚感染鰻弧菌后TLR5基因在其肝臟和脾臟中的表達(dá)量均呈先增加后減少的變化趨勢,說明TLR5基因在細(xì)菌刺激下能產(chǎn)生一定的應(yīng)激反應(yīng)(劉坪等,2020);細(xì)粒棘球蚴感染小鼠肝臟組織后,TLR2基因表達(dá)量增加且出現(xiàn)明顯的炎癥癥狀(王金龍,2020)??梢?,TLRs在不同物種的免疫防御反應(yīng)中扮演著重要角色?!颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】馬氏珠母貝(Pinctada fucata martensii)是我國海水珍珠養(yǎng)殖的主要貝類之一,具有極高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。近年來,因海水水質(zhì)日益惡化導(dǎo)致馬氏珠母貝各種病害頻繁發(fā)生,產(chǎn)珠能力及珍珠質(zhì)量呈現(xiàn)下降趨勢(何軍軍等,2019);在馬氏珠母貝植核過程中通常會(huì)帶入大量病原體引起受體貝的強(qiáng)烈免疫應(yīng)答,而導(dǎo)致吐核甚至死亡(Wang et al.,2017)。在細(xì)菌感染或植核后,馬氏珠母貝部分免疫相關(guān)基因和蛋白會(huì)發(fā)生顯著變化,其中TLRs發(fā)揮著重要作用(Wang et al.,2017,2019)。本課題組前期已完成馬氏珠母貝基因組測序、組裝和注釋(Du et al.,2017),在基因組中發(fā)現(xiàn)多個(gè)TLRs基因,鑒定出TLR2(師尚麗等,2014)、TLR3(汪歡,2012)、TLR4(Wu et al.,2017)、TLR6(吳羽媛等,2017)和TLR13(吳羽媛等,2018),并進(jìn)行初步分析,但仍有部分TLRs基因尚未得到鑒定。【擬解決的關(guān)鍵問題】通過RACE克隆馬氏珠母貝TLRP基因(PmTLRP)cDNA序列,并運(yùn)用實(shí)時(shí)熒光定量PCR檢測PmTLRP在馬氏珠母貝各組織中的表達(dá)情況和哈維氏弧菌(Vibrio harveyi)刺激、植核及脂多糖(Lipopolysaccharide,LPS)刺激后的表達(dá)模式,為進(jìn)一步研究TLRs在馬氏珠母貝中的免疫機(jī)制打下基礎(chǔ)。
2齡馬氏珠母貝取自廣東省湛江市徐聞養(yǎng)殖場,在實(shí)驗(yàn)室海水中暫養(yǎng)7 d后挑選活性強(qiáng)、規(guī)格相近的馬氏珠母貝進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。SMARTerTMRACE cDNA Amplification Kit試劑盒購自Clontech公司;rTaqDNA聚合酶、反轉(zhuǎn)錄試劑盒、pMD19-T載體及Reverse Transcriptase M-MLV(RNase H)等購自Ta-KaRa公司;純化回收試劑盒購自北京全式金生物技術(shù)股份有限公司;SYBR?Select Master Mix和TRIzol購自Thermo Fisher Scientific公司。
采用TRIzol法提取馬氏珠母貝肝胰腺等6個(gè)組織總RNA,以1.0%瓊脂糖凝膠電泳和NanoDrop ND-1000紫外分光光度計(jì)測定RNA濃度及純度;然后參照RACE試劑盒說明制備3′-RACE和5′-RACE模板,同時(shí)按照RNase H說明合成cDNA模板。
從本課題組前期構(gòu)建的馬氏珠母貝珍珠囊轉(zhuǎn)錄組文庫中篩選出注釋為TLR的Unigenes序列,并設(shè)計(jì)特異性引物(表1)。運(yùn)用巢式PCR擴(kuò)增5′和3′末端,普通PCR擴(kuò)增中間片段。擴(kuò)增產(chǎn)物以1.0%瓊脂糖凝膠電泳進(jìn)行檢測,然后回收目的基因進(jìn)行純化,連接至pMD19-T載體,再轉(zhuǎn)化Trans1-T1 Phage Resistant感受態(tài)細(xì)胞,以LA固體培養(yǎng)基(含Amp+)進(jìn)行過夜培養(yǎng)。挑取陽性單克隆菌落,接種至LB液體培養(yǎng)基中培養(yǎng)6 h后進(jìn)行菌落PCR鑒定,將陽性質(zhì)粒送至生工生物工程(上海)股份有限公司廣州測序部測序。
測序結(jié)果和Unigenes序列采用DNAMAN進(jìn)行比對分析,而拼接得到PmTLRP基因cDNA序列,以O(shè)RF Finder在線預(yù)測其氨基酸序列;采用ExPASy的ProtParam和ProtScale預(yù)測PmTLRP蛋白分子量、理論等電點(diǎn)(pI)及其親/疏水性;利用SignalP 4.0和TMHMM v.2.0分別預(yù)測其信號肽及跨膜結(jié)構(gòu)域;運(yùn)用SMART、SoftBerry Psite和SOPMA預(yù)測PmTLRP蛋白的結(jié)構(gòu)域、序列功能位點(diǎn)及其二級結(jié)構(gòu);經(jīng)TLRs氨基酸多序列比對分析后,以MEGA X的鄰接法(Neighbor-joining,NJ)構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育進(jìn)化樹。
選取10只活性強(qiáng)、規(guī)格一致的馬氏珠母貝,采集其血淋巴、外套膜、性腺、肝胰腺、閉殼肌和鰓組織,分別提取總RNA并反轉(zhuǎn)錄合成cDNA,以GAPDH基因?yàn)閮?nèi)參基因進(jìn)行實(shí)時(shí)熒光定量PCR擴(kuò)增。反應(yīng)體系10.0μL:cDNA模板0.5μL,SYBR?Select Master Mix 5.0μL,上、下游引物(10μmol/L)各0.4μL,滅菌ddH2O 3.7μL。擴(kuò)增程序:95℃預(yù)變性5 min;95℃10 s,60℃15 s,72℃15 s,進(jìn)行45個(gè)循環(huán);添加1個(gè)熔解曲線(95℃10 s,60℃60 s,95℃1 s);37℃延伸30 s。每個(gè)樣品設(shè)3個(gè)重復(fù),每個(gè)組織進(jìn)行3次生物學(xué)重復(fù)。
復(fù)蘇保存的哈維氏弧菌菌株,取20 mL菌液加入至800 mL的TSB培養(yǎng)基中振蕩培養(yǎng)至對數(shù)生長期,菌株以PBS洗滌3次后重懸于PBS。選取健康的馬氏珠母貝140只,分成哈維氏弧菌刺激組和PBS對照組,每組70只。采用閉殼肌注射法向哈維氏弧菌刺激組馬氏珠母貝注射哈維氏弧菌(1×107個(gè)/mL)進(jìn)行誘導(dǎo),100μL/只,對照組注射等量PBS。于注射刺激前(0 h)及刺激后2、6、8、12、16和24 h各處理組隨機(jī)選取10只馬氏珠母貝,抽取其血淋巴,4℃下3500 r/min離心5 min,收集血細(xì)胞,提取RNA并反轉(zhuǎn)錄合成cDNA。通過實(shí)時(shí)熒光定量PCR對Pm-TLRP基因進(jìn)行定量分析,每個(gè)樣品重復(fù)3次。同時(shí),對暫養(yǎng)1周的80只馬氏珠母進(jìn)行植核試驗(yàn),分別抽取植核前(0 h)及植核后5、10、15、20和30 d的血淋巴,4℃下3500 r/min離心5 min,收集血細(xì)胞,提取總RNA并反轉(zhuǎn)錄合成cDNA,以實(shí)時(shí)熒光定量PCR對PmTLRP基因進(jìn)行定量分析。
選取200只健康的馬氏珠母貝,分成LPS刺激組和PBS對照組,每組100只。采用從閉殼肌注射法向LPS刺激組馬氏珠母貝注射10μg/mL的LPS,100 μL/只,對照組注射等量PBS。于注射刺激前(0 h)及刺激后2、3、4、6、8、12、16、24和48 h各處理組隨機(jī)選取10只馬氏珠母貝,分別抽取血淋巴和采集肝胰腺,提取總RNA并反轉(zhuǎn)錄合成cDNA后,以實(shí)時(shí)熒光定量PCR對PmTLRP基因進(jìn)行定量分析。
以GAPDH基因的表達(dá)量為校對基準(zhǔn),采用2-ΔΔCt法換算PmTLRP基因相對表達(dá)量,并以SPSS 19.0進(jìn)行單因素方差分析(One-way ANOVA)和Duncan’s多重比較。
測序結(jié)果和Unigenes序列經(jīng)DNAMAN比對分析后拼接出PmTLRP基因cDNA序列全長為2214 bp,開放閱讀框(ORF)共編碼681個(gè)氨基酸殘基(圖1);其5′非編碼區(qū)(5′-UTR)為33 bp,3′非編碼區(qū)(3′-UTR)為135 bp,且3′-UTR包含有27 bp的poly(A)尾巴和加尾信號序列AATAA。
PmTLRP蛋白分子量為79.78 kD,理論等電點(diǎn)(pI)為5.66,不穩(wěn)定系數(shù)為44.56,屬于不穩(wěn)定蛋白。ProtScale預(yù)測發(fā)現(xiàn),在第383位氨基酸達(dá)最大親水性,親水性系數(shù)為-2.956;在第440~441位氨基酸達(dá)最大疏水性,親水性系數(shù)為4.156;總平均親水性系數(shù)為-0.313,故確定為親水性蛋白(圖2)。PmTLRP蛋白在第12~34位和第423~445位氨基酸處存在跨膜結(jié)構(gòu)域,且在N-末端存在信號肽序列;TMHMM v.2.0預(yù)測結(jié)果(圖3)表明,PmTLRP蛋白含有LRRs重復(fù)序列、跨膜結(jié)構(gòu)域和TIR結(jié)構(gòu)域。SoftBerry Psite功能位點(diǎn)預(yù)測發(fā)現(xiàn),PmTLRP蛋白包含2個(gè)酪氨酸激酶磷酸化位點(diǎn)和CAAX box、3個(gè)cAMP和cGMP依賴性的蛋白激酶磷酸化位點(diǎn)與N-豆蔻?;稽c(diǎn)、7個(gè)N-糖基化位點(diǎn)、10個(gè)蛋白激酶C磷酸化位點(diǎn)、12個(gè)微體C-末端定位信號序列及13個(gè)酪蛋白激酶II磷酸化位點(diǎn)。SOPMA預(yù)測結(jié)果顯示,PmTLRP蛋白二級結(jié)構(gòu)中的α-螺旋、β-轉(zhuǎn)角、延伸鏈、無規(guī)則卷曲分別占39.21%、4.70%、19.68%和36.42%;采用SWISS-MODEL預(yù)測得知PmTLRP蛋白三維結(jié)構(gòu)與美洲牡蠣(Crassostrea virginica)TLP蛋白相似(圖4)。
運(yùn)用DNAMAN對PmTLRP氨基酸序列與歐洲扇貝(Pecten maximus)Tollo氨基酸序列(XP_03375 4674.1)、蝦夷扇貝(Mizuhopecten yessoensis)Tollo氨基酸序列(XP_021374025.1)、美洲牡蠣TLP氨基酸序列(XP_022322147.1)、福壽螺(Pomacea canaliculata)TLR2氨基酸序列(XP_025114565.1)和紫貽貝(Mytilus galloprovincialis)TLR1氨基酸序列(DI511 60.1)進(jìn)行多序列比對分析,結(jié)果(圖5)顯示,PmTLRP氨基酸序列與其他物種的TLRs氨基酸序列存在一定相似性,其中與美洲牡蠣TLP氨基酸序列的相似度較高,為48.75%。基于TLRs氨基酸序列相似性構(gòu)建的系統(tǒng)發(fā)育進(jìn)化樹(圖6)也顯示,馬氏珠母貝與美洲牡蠣聚為一支,二者的親緣關(guān)系較近。
實(shí)時(shí)熒光定量PCR檢測結(jié)果(圖7)發(fā)現(xiàn),Pm-TLRP基因在馬氏珠母貝外套膜、血淋巴、肝胰腺、鰓、性腺和閉殼肌中均有表達(dá),以在外套膜、肝胰腺和血淋巴中的相對表達(dá)量較高,尤其是在肝胰腺中的相對表達(dá)量最高,顯著高于在其他組織中的相對表達(dá)量(P<0.05,下同)。
運(yùn)用實(shí)時(shí)熒光定量PCR檢測PmTLRP基因在哈維氏弧菌刺激及植核后不同時(shí)期血淋巴中的表達(dá)情況,結(jié)果發(fā)現(xiàn),在哈維氏弧菌刺激下,PmTLRP基因相對表達(dá)量在注射刺激后12 h開始上調(diào),至注射刺激后16 h達(dá)最大值,約是注射刺激前(0 h)的19.0倍,其差異達(dá)極顯著水平(P<0.01),但在注射刺激后24 h逐漸恢復(fù)至原有水平(圖8-A)。經(jīng)植核刺激后,PmTLRP基因相對表達(dá)量在植核后5~20 d呈逐漸上升趨勢(圖8-B),但差異不顯著(P>0.05),于植核后30 d達(dá)最大值,約是植核前(0 h)的6.4倍,二者差異顯著。
運(yùn)用實(shí)時(shí)熒光定量PCR檢測PmTLRP基因在LPS刺激后不同時(shí)期血淋巴和肝胰腺中的表達(dá)情況,結(jié)果發(fā)現(xiàn),經(jīng)LPS刺激后PmTLRP基因在馬氏珠母血淋巴中的相對表達(dá)量先上升后下降,至注射刺激后3 h達(dá)最大值,約是對照組的5.0倍(圖9-A),二者差異顯著;PmTLRP基因在馬氏珠母肝胰腺中的相對表達(dá)量呈升高→降低→升高→降低→升高的波動(dòng)變化趨勢(圖9-B),至注射刺激后24 h相對表達(dá)量上調(diào)至最大值,約是對照組(0 h)的6.0倍。
TLRs是病原微生物感染入侵后識別免疫系統(tǒng)PAMPs的關(guān)鍵分子,也是識別細(xì)胞損傷或死亡所產(chǎn)生內(nèi)源性損傷相關(guān)分子模式的重要分子,更是連接先天性免疫與適應(yīng)性免疫的重要橋梁(Lu et al.,2016;尹淑園,2020)。本研究成功克隆獲得PmTLRP基因cDNA序列并進(jìn)行生物信息學(xué)分析,結(jié)果顯示,PmTLRP基 因cDNA序 列 全 長 為2214 bp,共 編 碼681個(gè)氨基酸殘基;PmTLRP蛋白分子量為79.78 kD,pI為5.66,屬于不穩(wěn)定蛋白,含有信號肽、LRRs重復(fù)序列、跨膜結(jié)構(gòu)域和TIR結(jié)構(gòu)域,符合TLRs家族所具有的特征。PmTLRP氨基酸序列與其他物種的TLRs氨基酸序列存在一定相似性,其中與美洲牡蠣TLP氨基酸序列的相似度較高。
了解基因在不同組織器官中的表達(dá)模式是研究基因功能的基本手段之一(Cui et al.,2010)。本研究的實(shí)時(shí)熒光定量PCR檢測結(jié)果顯示,PmTLRP基因在馬氏珠母貝肝胰腺、鰓和血淋巴中高表達(dá),與其他物種的表達(dá)模式類似,如青蛤TLR4和TLR13基因在血細(xì)胞中的相對表達(dá)量最高(Ren et al.,2016),厚殼貽貝新型TLRs在肝胰腺中的相對表達(dá)量高于在鰓組織中的相對表達(dá)量(Xu et al.,2018),厚殼貽貝McTLR2基因在血細(xì)胞中的表達(dá)量最高且顯著高于其他組織(Li et al.,2019)。在軟體動(dòng)物中,肝胰腺、鰓和血細(xì)胞均是極其重要的免疫器官,其中,肝胰腺參與代謝和消化吸收,鰓可過濾水中的細(xì)菌和有害物質(zhì)及抵御細(xì)菌和毒性物質(zhì)(王志新等,2013)。PmTLRP基因在肝胰腺中高表達(dá)暗示其可能參與馬氏珠母貝免疫防御機(jī)制。
在貝類養(yǎng)殖過程中,微生物疾病危害可導(dǎo)致貝類死亡率增高,其中危害最嚴(yán)重的細(xì)菌性病原菌是弧菌(陳皓文,2005;方皓,2019;張穎雪等,2020)。哈維氏弧菌屬于革蘭氏陰性短桿菌,是多種海洋魚類和無脊椎動(dòng)物的病原體,主要通過包埋、侵襲宿主細(xì)胞,以及在宿主體內(nèi)增殖和產(chǎn)生毒素等形式促使貝類發(fā)病(Zhang et al.,2020)。本研究采用實(shí)時(shí)熒光定量PCR檢測哈維氏弧菌刺激后PmTLRP基因在馬氏珠母貝血淋巴中的表達(dá)情況,結(jié)果發(fā)現(xiàn)Pm-TLRP基因相對表達(dá)量呈先上升后下降的變化趨勢,與鮸魚TLR5S基因(Huo et al.,2018)和海鱸TLR1基因(Li et al.,2018)經(jīng)哈維氏弧菌刺激后在其肝臟中的表達(dá)趨勢基本一致,表達(dá)量上升可能是機(jī)體識別哈維氏弧菌或哈維氏弧菌在宿主細(xì)胞內(nèi)大量繁殖并產(chǎn)生毒素所致;但也有研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)哈維氏弧菌刺激后TLR6基因在馬氏珠母貝血淋巴中的表達(dá)呈先上升后下降再上升趨勢(吳羽媛等,2017)??梢?,哈維氏弧菌能激活TLRs參與應(yīng)答,但表達(dá)趨勢存在差異。
LPS是在革蘭氏陰性菌細(xì)胞壁中發(fā)現(xiàn)的一種具有代表性的分子(Park and Lee,2013),能激活NFκB信號通路,使機(jī)體分泌相關(guān)因子而介導(dǎo)免疫反應(yīng)。本研究通過探究LPS刺激后PmTLRP基因在馬氏珠母貝血淋巴和肝胰腺中的時(shí)序表達(dá),結(jié)果發(fā)現(xiàn)PmTLRP基因在血淋巴中的相對表達(dá)量先上升后下降,而在肝胰腺中的相對表達(dá)量呈升高→降低→升高→降低→升高的波動(dòng)變化趨勢,第2次上升可能是由于機(jī)體所受感染程度增加而產(chǎn)生更多的TLRP來抵御病害。血淋巴是通過吞噬、傷口修復(fù)等方式參與細(xì)胞免疫,以及分泌非特異性體液分子參與體液免疫,因此PmTLRP基因在馬氏珠母貝血淋巴中呈先上升后下降的表達(dá)變化趨勢,與LPS刺激后TLR4基因在血淋巴中的表達(dá)趨勢(Wu et al.,2017)一致,表明LPS刺激下不同組織中PmTLRP基因表達(dá)存在差異。本研究還發(fā)現(xiàn),經(jīng)LPS刺激和哈維氏弧菌刺激后PmTLRP基因在馬氏珠母貝血淋巴中的表達(dá)趨勢相同,但前者的相對表達(dá)量在刺激后2 h開始上升,而后者在刺激后12 h才開始上升且最大值出現(xiàn)在刺激后16 h,說明不同刺激下PmTLRP基因在同一組織中均產(chǎn)生免疫效應(yīng)但作用時(shí)間存在明顯差異。
植核是珍珠培育的關(guān)鍵步驟,是指向育珠貝內(nèi)臟團(tuán)中移植供體貝的細(xì)胞小片或珠核,通常會(huì)引起免疫排斥,嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致育珠貝死亡(Wei et al.,2017),因此,檢測植核后馬氏珠母貝免疫相關(guān)基因在一段時(shí)間內(nèi)的時(shí)序表達(dá)對開展移植免疫機(jī)制研究具有重要意義。本研究發(fā)現(xiàn),PmTLRP基因相對表達(dá)量在植核后5 h即開始上升,可能與移植過程中切入外套膜組織造成的傷口有關(guān)(Adzigbli et al.,2020)。PmTLRP基因相對表達(dá)量在植核后5~30 d呈持續(xù)上升趨勢,且在植核后30 d達(dá)最大值。Jiao等(2019)研究表明,同種異體植核和異種植核30 d后馬氏珠母貝血淋巴中差異基因數(shù)量明顯增多,且異種植核較同種異體植核損傷程度高。故推測本研究中植核后30 d的PmTLRP基因相對表達(dá)量達(dá)最大值是傷口感染程度增加所導(dǎo)致。吳羽媛等(2017)研究發(fā)現(xiàn),TLR6基因在馬氏珠母貝血淋巴中的表達(dá)最大值也是出現(xiàn)在植核后30 d,但TLR6基因表達(dá)量在植核后15 d才開始上升,說明植核能引起TLRs的免疫反應(yīng),但引起反應(yīng)的時(shí)間有所差異。
PmTLRP基因在馬氏珠母貝外套膜、血淋巴、肝胰腺、鰓、性腺和閉殼肌中均有表達(dá),但表達(dá)水平存在差異,經(jīng)哈維氏弧菌、植核及LPS刺激后呈明顯上調(diào)表達(dá)趨勢,說明TLRP在馬氏珠母貝的免疫防御反應(yīng)中扮演重要角色。