時勝潔,王立光,高 磊,蔡傳江,何偉先,褚瑰燕*
(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)動物科技學(xué)院,楊凌 712100;2.齊全農(nóng)牧集團股份有限公司,遂寧 629000)
卵泡是哺乳動物卵巢的功能單位,由膜細胞、顆粒細胞(GCs)和卵母細胞組成[1]。顆粒細胞作為卵巢卵泡中最大的細胞群,其雌二醇合成能力對卵泡的生長發(fā)育是至關(guān)重要的[2]。顆粒細胞通過分泌雌二醇維持內(nèi)分泌系統(tǒng)平衡[3-4],抑制顆粒細胞凋亡,并促進有腔卵泡發(fā)育[5]。雌二醇的合成是以膽固醇為底物經(jīng)過多種酶的催化和切割完成的[6],雌激素合成的限速步驟是StAR介導(dǎo)的膽固醇從線粒體外膜轉(zhuǎn)運到線粒體內(nèi)膜,其中細胞色素P450酶催化膽固醇側(cè)鏈的裂解,通過CYP11A1轉(zhuǎn)化為孕烯醇酮[7],最后芳香化酶在顆粒細胞中將睪酮轉(zhuǎn)化為雌二醇。
microRNAs (miRNA)是長度約為22個核苷酸并具有調(diào)控基因表達功能的非編碼小RNA分子,參與許多關(guān)鍵的細胞生理過程。miRNA通過結(jié)合靶基因的3′-UTR特定序列來靶向mRNA,使其降解或抑制翻譯,從而在轉(zhuǎn)錄后或翻譯水平上抑制基因表達[8]。多項研究表明,miRNA可以通過直接調(diào)控雌二醇合成過程中的關(guān)鍵酶或蛋白從而影響雌二醇合成,例如,在豬的顆粒細胞中miR-378直接靶定CYP19A1抑制其轉(zhuǎn)錄后翻譯進而抑制雌二醇的合成[9]。miRNA也可以通過影響促性腺激素受體或相關(guān)信號通路等生物學(xué)過程間接調(diào)控雌二醇合成,例如,miR-31和miR-143通過靶向促卵泡素受體(FSHR)抑制牛卵泡中雌二醇和孕酮的合成[10],miR-574通過靶定TIMP3抑制p-ERK1/2信號通路從而影響顆粒細胞雌二醇的合成[11]。
microRNA-24-3p (miR-24-3p)是動物體內(nèi)高度保守的非編碼RNA,其成熟序列包含22個核苷酸,在不同物種組織和細胞的不同發(fā)育階段表現(xiàn)出特定的表達譜[12]。miR-24-3p在多個生物學(xué)過程中發(fā)揮重要的調(diào)節(jié)作用,其研究報道多集中在癌癥[13-14]、心臟纖維化[15]、細胞增殖凋亡[16]等方面。在動物繁殖領(lǐng)域,miR-24-3p在產(chǎn)仔數(shù)高(>16.4 頭·窩-1)的大白母豬卵巢組織中的表達水平高于低產(chǎn)母豬(<7.4頭·窩-1)[17]。在患有多囊卵巢綜合征的女性卵泡液中miR-24-3p的水平降低[18],表明miR-24-3p對卵泡發(fā)育至關(guān)重要。優(yōu)勢卵泡顆粒細胞合成雌二醇的能力高于普通卵泡,有研究表明,從奶牛發(fā)情第7天的優(yōu)勢卵泡分離的顆粒細胞中miR-24-3p的表達高于從屬卵泡[19]。前期研究發(fā)現(xiàn),miR-24-3p在豬顆粒細胞中通過靶定P27促進細胞增殖并抑制細胞凋亡[20]。而且顆粒細胞的雌二醇合成能力能夠影響細胞增殖與凋亡,基于以上的研究基礎(chǔ),假設(shè)miR-24-3p可能調(diào)節(jié)豬顆粒細胞的雌二醇合成,本研究將明確miR-24-3p在豬顆粒細胞雌二醇合成中的作用及其調(diào)控機制,提示miR-24-3p是顆粒細胞內(nèi)分泌功能的關(guān)鍵調(diào)控因子。
DMEM/F12(Gibco公司),10% 胎牛血清(Hyclone公司),豬的雌二醇 ELISA試劑盒(上海酶聯(lián)生物科技有限公司),蛋白裂解液RIPA(碧云天生物技術(shù)),negative control (NC),miR-24-3p-mimics,miR-24-3p-inhibitor (上海吉瑪生物公司),X-tremeGENE HP DNA羅氏轉(zhuǎn)染試劑(德國羅氏公司),抗體:StAR(Cell Signaling Technology公司),CYP19A1(Gene Tex),CYP11A1(Abcam公司), TOP1(abways公司),BMAL1(Santa Cruz公司),Mouse Antibody(abways公司),Rabit Antibody(Abways公司),β-actin(Cell Signalling Technology公司)。
本試驗中所用的顆粒細胞取樣自楊凌本香集團生豬屠宰場的180日齡健康母豬的卵巢組織。從生殖系統(tǒng)中剪掉連接的子宮和韌帶分離出健康的卵巢,立即放入含有100 IU·mL-1雙抗(青、鏈霉素)的37 ℃生理鹽水中,1 h內(nèi)運回實驗室。用75%酒精快速清洗3遍(酒精浸泡時間不要超過20 s),用含有雙抗的37 ℃生理鹽水清洗3遍,待用。在卵巢中選擇直徑為3~5 mm的健康卵泡,用10 mL注射器吸取卵泡中卵泡液;在1 500 g下離心10 min,棄去卵泡液上清;加入適量含有雙抗37 ℃的PBS輕輕吹打離心后的沉淀,清洗其中的顆粒細胞,1 500 g離心10 min,棄去PBS上清;加入含有10% FBS的DMEM/F12培養(yǎng)基重懸細胞,反復(fù)輕輕吹打,直至細胞完全散開、混勻;將適量混勻的細胞接種于培養(yǎng)板中,置于37 ℃,5% CO2培養(yǎng)箱中培養(yǎng);接種24 h后觀察顆粒細胞貼壁生長情況,吸去培養(yǎng)基及未貼壁的顆粒細胞、卵母細胞;使用含有雙抗37 ℃的PBS清洗貼壁的顆粒細胞,輕輕吹洗3遍,盡量將未貼壁的顆粒細胞及雜質(zhì)清除干凈;吸取PBS,更換新培養(yǎng)基,繼續(xù)培養(yǎng)。試驗對照組為mimics-NC/inhibitor-NC,處理組為mimics-miR-24-3p/inhibitor-miR-24-3p/mimics-miR-24-3p+TOP1,使用X-tremeGENE HP DNA羅氏轉(zhuǎn)染試劑進行轉(zhuǎn)染,24 h后細胞密度為80%時收集細胞進行檢測[21]。
按照ELISA試劑盒(貨號:YJ002366)說明書檢測培養(yǎng)基中的雌二醇水平,450 nm處的吸光度值表示在Multiskan TM FC (賽默飛世爾科技有限公司)上測量的激素的相對濃度,不同處理的培養(yǎng)基樣品在2 000 g離心20 min,將稀釋后的上清加入預(yù)先包被雌二醇特異性抗體的酶聯(lián)免疫吸附試驗條帶板,然后在37 ℃下用酶標結(jié)合的雌二醇抗體孵育30 min。洗滌后,加入底物溶液以觸發(fā)顯色反應(yīng)。使用Multiskan TM FC分光光度計在450 nm處測量(賽默飛世爾科技有限公司)吸光度[22]。
用TRIzol試劑 (TaKaRa公司)提取GCs中的總RNA,并使用NanoDrop 2000分光光度計(賽默飛世爾科技有限公司)測定其濃度,將總RNA (500 ng)逆轉(zhuǎn)錄為cDNA。StepOne Real-Time PCR儀(美國Applied Biosystems公司)進行RT-qPCR檢測(引物序列見表1),用2-ΔΔCt法計算相對基因表達量,檢測基因表達水平時將β-actin基因作為內(nèi)參進行歸一,檢測miR-24-3p水平時,U6小RNA作為內(nèi)參。
表1 RT-qPCR引物序列Table 1 RT-qPCR primer sequences
使用RIPA裂解液提取顆粒細胞中的總蛋白,用BCA法(Cwbio)測定蛋白濃度,蛋白定量后取20 μg總蛋白進行SDS-PAGE,轉(zhuǎn)膜后用5%脫脂奶粉封閉,用目的蛋白稀釋好的一抗進行4 ℃過夜孵育,將一抗孵育完的膜用TBST洗膜4次,每次5 min,將膜置于稀釋好的的二抗中,室溫孵育1 h,TBST洗膜4次,將Milipore的化學(xué)發(fā)光液滴加到膜上利用FluorChemRSystem(ProteinSimple)成像軟件系統(tǒng)分析蛋白條帶。曝光完成后,利用Image Lab軟件對蛋白結(jié)果進行定量分析。
使用target Scan 6.2和RNAhybrid網(wǎng)站預(yù)測miR-24-3p的靶基因。熒光素酶報告質(zhì)粒(psi-CHECK2)購于通用生物公司,將miR-24-3p-NC或miR-24-3p-mimics與CHECK2-TOP1報告載體或突變載體共轉(zhuǎn)染進HEK293T細胞,轉(zhuǎn)染24 h后收取細胞。采用雙熒光素酶測定系統(tǒng)測定熒光素酶活性(Promega, Madison, WI, USA)。
使用GraphPad Prime 8.0對試驗數(shù)據(jù)進行分析。所有數(shù)據(jù)均以3個獨立試驗的“means ± SEMs”表示。采用雙尾非配對學(xué)生t檢驗對兩個試驗組進行比較。P<0.05、P<0.01、P<0.001、P<0.000 1分別用星號(*)、(**)、(***)、(****)表示具有統(tǒng)計學(xué)意義的值。
雌二醇合成是豬顆粒細胞重要的內(nèi)分泌功能,隨著卵泡腔的增大雌二醇的水平逐漸升高。miR-24-3p在豬小、中、大有腔卵泡中的表達水平有逐漸升高的趨勢(圖1A)。miR-24-3p-NC及miR-24-3p-mimics處理顆粒細胞后,試驗結(jié)果表明在miR-24-3p-mimics處理組miR-24-3p的表達水平顯著升高(P<0.001,圖1B),并且促進了StAR、CYP11A1、CYP19A1的轉(zhuǎn)錄(P<0.05,圖1D)。ELISA結(jié)果顯示,過表達miR-24-3p后,培養(yǎng)基中的雌二醇含量顯著升高(P<0.01,圖1C)。此外過表達miR-24-3p可以顯著促進StAR、CYP19A1及CYP11A1的蛋白表達水平(P<0.05,圖1E&F)。這些結(jié)果表明miR-24-3p可以通過上調(diào)雌二醇合成關(guān)鍵基因的表達進而促進雌二醇的合成。
為了反向驗證miR-24-3p對豬卵巢顆粒細胞雌二醇合成的作用,在顆粒細胞中轉(zhuǎn)染miR-24-3p-inhibitor達到抑制miR-24-3p表達的作用(P<0.000 1,圖2A),ELISA結(jié)果表明干擾miR-24-3p后雌二醇的含量顯著降低 (P<0.05,圖2B)。干擾miR-24-3p可以顯著下調(diào)CYP19A1、CYP11A1 mRNA和蛋白的表達水平(P<0.05,圖2C-E)。以上結(jié)果表明干擾miR-24-3p可通過抑制雌二醇合成關(guān)鍵基因的表達進而抑制雌二醇的合成。
為了闡明miR-24-3p在顆粒細胞中的調(diào)控機制,在前期研究中使用miRDB、miRWalk、miRTarBase和TargetScan網(wǎng)站預(yù)測了miR-24-3p的靶基因,篩選出17個交集基因,試驗驗證發(fā)現(xiàn)miR-24-3p mimics抑制TOP1、CDC38、P27的mRNA水平,而miR-24-3p inhibitor增加其表達[20]。已有研究發(fā)現(xiàn)TOP1通過降低Bmal1水平抑制雌二醇合成[23]。通過BiBiServ軟件預(yù)測發(fā)現(xiàn)miR-24-3p的種子序列可以與TOP1 mRNA 3′UTR的序列完全匹配(圖3A)。接下來構(gòu)建了TOP1野生型與突變型的雙熒光素酶報告質(zhì)粒(圖3B)并與miR-24-3p mimics共轉(zhuǎn)染HEK293 T細胞,發(fā)現(xiàn)miR-24-3p可以顯著抑制野生型TOP1的活性(P<0.000 1),但對突變型的TOP1無顯著影響(圖3C)。這些結(jié)果表明TOP1是miR-24-3p的直接靶基因。
以上結(jié)果表明,miR-24-3p的種子序列能直接靶定TOP1的3′UTR區(qū),接下來進一步探究miR-24-3p對TOP1 mRNA和蛋白表達水平的影響,將miR-24-3p mimics和inhibitor轉(zhuǎn)染進顆粒細胞,結(jié)果表明過表達miR-24-3p可顯著抑制TOP1的轉(zhuǎn)錄與翻譯,促進BMAL1的表達(P<0.05,圖4A-C),而抑制miR-24-3p則可顯著提高TOP1的mRNA和蛋白水平,抑制BMAL1的表達(圖4D-F)。
為了進一步證明TOP1在促進miR-24-3p合成雌二醇中的作用,通過構(gòu)建TOP1的過表達載體,并將其與miR-24-3p-mimics共轉(zhuǎn)染到豬顆粒細胞中,pcDNA-TOP1處理組的TOP1 mRNA水平顯著升高(P<0.05,圖5A)。與pcDNA-3.1+miR-24-3p-mimics處理組相比,pcDNA-TOP1+miR-24-3p-mimics共轉(zhuǎn)染組雌二醇濃度顯著下降(P<0.05,圖5B)。已有研究表明,BMAL1可以促進豬顆粒細胞的雌二醇合成[23],而TOP1能夠抑制BMAL1轉(zhuǎn)錄[24],因此對BMAL1在不同處理組的表達水平進行檢測,CYP11A1、CYP19A1和BMAL1蛋白水平顯著下降(P<0.05,圖5C&D),表明過表達TOP1可減弱miR-24-3p對顆粒細胞雌二醇合成的促進作用。
顆粒細胞作為卵泡發(fā)育必需的細胞類型,雌二醇合成是顆粒細胞重要的內(nèi)分泌功能[25]。大量研究表明,miRNA參與到雌二醇的合成調(diào)控過程。在豬卵巢顆粒細胞中過表達miR-31可以抑制FSHR和HSD17B14的表達進而抑制雌二醇合成,miR-20b可靶向并抑制HSD17B14的表達進而抑制雌二醇的合成[26],miR-495-3p能夠刺激類固醇激素分泌從而影響山羊卵泡的發(fā)育[27]。目前大多數(shù)研究發(fā)現(xiàn),miRNA在卵巢顆粒細胞雌二醇的合成過程中發(fā)揮著負調(diào)控作用,但仍有少部分miRNA發(fā)揮正相關(guān)的調(diào)控作用,例如miR-132參與cAMP信號通路,并通過抑制卵巢顆粒細胞中轉(zhuǎn)錄誘導(dǎo)核受體相關(guān)1(Nurr1)的翻譯促進雌二醇合成[28],此外,miR-133b通過靶向Foxl2介導(dǎo)StAR和CYP19A1的負轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)來從而刺激雌激素的產(chǎn)生[29]。已有研究表明,miR-24-3p的表達水平與母豬產(chǎn)仔數(shù)[17]、卵泡發(fā)育能力相關(guān)[18-19],前期研究基礎(chǔ)也證明miR-24-3p促進豬顆粒細胞的增殖并抑制細胞凋亡[20],而且顆粒細胞的增殖凋亡等生理功能與雌二醇合成的內(nèi)分泌功能息息相關(guān)[30]。因此,為了探究miR-24-3p對顆粒細胞雌二醇合成的影響,通過在顆粒細胞中過表達和抑制miR-24-3p的水平,發(fā)現(xiàn)miR-24-3p促進雌二醇的合成。在顆粒細胞雌二醇合成過程中,CYP11A1將膽固醇轉(zhuǎn)化為孕烯醇酮,這是類固醇激素合成過程中的第一個限速反應(yīng)[31],CYP19A1編碼的芳香化酶將睪酮轉(zhuǎn)化為雌二醇[32],本研究結(jié)果也表明,miR-24-3p通過顯著上調(diào)雌二醇合成關(guān)鍵基因CYP11A1和CYP19A1的mRNA和蛋白水平來促進雌二醇合成。
A. miR-24-3p在豬小、中、大卵泡中的表達水平;B. 轉(zhuǎn)染miR-24-3p mimics后的過表達效率;C. ELISA檢測miR-24-3p過表達24 h后上清中雌二醇的濃度;D. 轉(zhuǎn)染miR-24-3p mimics 24 h后雌二醇合成相關(guān)基因StAR、CYP19A1、CYP11A1、FSHR和LHCGR mRNA的相對水平;E. 轉(zhuǎn)染24 h后雌二醇合成相關(guān)基因StAR、CYP19A1、CYP11A1的相對蛋白水平;F. StAR、CYP19A1、CYP11A1定量蛋白分析。結(jié)果為3個獨立試驗的“平均值±標準誤”;*.P<0.05,**. P<0.01,****.P<0.000 1,ns表示差異不顯著,下同 A. The levels of miR-24-3p in porcine small, medium and large follicles; B. The overexpression efficiency of miR-24-3p mimics; C. The concentration of E2 in the supernatant after overexpression of miR-24-3p is detected by ELISA for 24 h; D. Relative levels of steroid synthesis-related genes StAR, CYP19A1, CYP11A1, FSHR and LHCGR mRNA after transfection of miR-24-3p mimics for 24 h; E. Relative protein levels of steroid synthesis-related genes StAR, CYP19A1, CYP11A1 after transfection for 24 h; F. Quantification proteins analysis of StAR, CYP19A1 and CYP11A1. Results are “means ± SEMs” of 3 independent experiments; *.P<0.05,**.P<0.01,****.P<0.000 1, ns indicate no significant difference, the same as below圖1 過表達miR-24-3p促進顆粒細胞中雌二醇的合成Fig.1 Overexpression of miR-24-3p promotes E2 synthesis in granulosa cells
A. miR-24-3p-inhibitor與NC的干擾效率比較;B. ELISA檢測miR-24-3p干擾24 h后上清中雌二醇的濃度;C. 轉(zhuǎn)染miR-24-3p inhibitor 24 h后,雌二醇合成相關(guān)基因StAR、CYP19A1、CYP11A1、FSHR和LHCGR mRNA的相對水平;D. 轉(zhuǎn)染miR-24-3p inhibitor 24 h后雌激素合成相關(guān)基因StAR、CYP19A1、CYP11A1的相對蛋白水平;E. StAR、CYP19A1、CYP11A1定量蛋白分析 A. Interference efficiency of miR-24-3p inhibitor compared with NC; B. The concentration of E2 in the supernatant after interference of miR-24-3p for 24 h is detected by ELISA; C. Relative levels of steroid synthesis-related genes StAR, CYP19A1, CYP11A1, FSHR and LHCGR mRNA after transfection of miR-24-3p inhibitor for 24 h; D. Relative protein levels of steroid synthesis-related genes StAR, CYP19A1 and CYP11A1 after transfection of miR-24-3p inhibitor for 24 h; E. Quantification proteins analysis of StAR, CYP19A1 and CYP11A1圖2 干擾miR-24-3p抑制顆粒細胞中雌二醇的合成Fig.2 Interfering with miR-24-3p reduced E2 synthesis in granulosa cells
A. miR-24-3p與TOP1 mRNA 3′ UTR序列結(jié)合能預(yù)測;B. TOP1野生型和突變型雙熒光素酶載體構(gòu)建的序列;C. 共轉(zhuǎn)染的后的雙熒光素酶活性 A. Prediction of the binding energy of miR-24-3p to TOP1 mRNA 3′ UTR sequence; B. Sequence constructed by TOP1 wild-type and mutant dual-luciferase vectors; C. Dual-luciferase activity after co-transfection圖3 TOP1是miR-24-3p的直接靶基因Fig.3 TOP1 is a direct target gene of miR-24-3p
A. 轉(zhuǎn)染miR-24-3p mimics 24 h后TOP1的mRNA水平;B. 轉(zhuǎn)染miR-24-3p mimics 24 h后TOP1的蛋白水平;C. 蛋白結(jié)果的定量分析;D. 轉(zhuǎn)染miR-24-3p inhibitor 24 h后TOP1的mRNA水平;E. 轉(zhuǎn)染miR-24-3p inhibitor 24 h后TOP1的蛋白水平;F. 蛋白結(jié)果的灰度分析。結(jié)果呈現(xiàn)為“平均值±標準誤”,*.0.01
A. pcDNA-TOP1轉(zhuǎn)染進顆粒細胞的過表達效率;B. ELISA檢測上清液中的雌二醇含量;C. 共轉(zhuǎn)染后的CYP19A1和CYP11A1的蛋白水平;D. 蛋白的定量統(tǒng)計 A. The overexpression efficiency of pcDNA-TOP1 transfected into granulosa cells; B. ELISA to detect estradiol content in supernatant; C. CYP19A1 and CYP11A1 protein levels after co-transfection; D. Quantitative statistics of proteins圖5 過表達TOP1減弱miR-24-3p對顆粒細胞雌二醇合成的促進作用Fig.5 Overexpression of TOP1 attenuates the promoting effect of miR-24-3p on estradiol synthesis in granulosa cells
在明確了miR-24-3p促進顆粒細胞合成雌二醇的功能基礎(chǔ)上,進一步探究其具體的調(diào)控機制。通過靶基因預(yù)測及雙熒光素酶報告試驗發(fā)現(xiàn)miR-24-3p可能靶向TOP1, TOP1是拓撲異構(gòu)酶家族的一員,在DNA復(fù)制過程中斷裂,然后隨著DNA鏈的旋轉(zhuǎn)進而催化斷裂鏈的重新連接,從而改變螺旋DNA的拓撲狀態(tài)[33]。研究表明,TOP1位于BMAL1啟動子上的兩個RORE元件之間,TOP1結(jié)合位點是轉(zhuǎn)錄抑制所必需的,TOP1與遠端RORE協(xié)同作用,導(dǎo)致BMAL1轉(zhuǎn)錄被TOP1抑制而下調(diào)[24]。在外周血單核細胞中,敲降Bmal1導(dǎo)致雌二醇合成顯著減少[34],在豬卵巢顆粒細胞中,Bmal1可通過PI3K/Akt/mTOR信號通路促進雌二醇的合成[23]。因此,假設(shè)miR-24-3p通過靶向TOP1促進BMAL1的合成,從而促進雌二醇合成。通過試驗進行驗證,結(jié)果表明過表達miR-24-3p抑制TOP1水平,同時促進BMAL1的轉(zhuǎn)錄和翻譯,而抑制miR-24-3p則具有相反的結(jié)果。為了證明TOP1介導(dǎo)miR-24-3p對雌二醇合成的作用,在過表達miR-24-3p的基礎(chǔ)上過表達TOP1,回補試驗結(jié)果進一步證實了過表達TOP1會減弱miR-24-3p對顆粒細胞雌二醇合成的促進作用。針對TOP1的研究多集中在DNA損傷修復(fù)[35]、癌細胞的藥物靶點[36]、基因表達調(diào)控[37]等方面,目前尚無其他相關(guān)報道表明miRNA通過靶定TOP1在顆粒細胞雌二醇合成過程中發(fā)揮作用,但在癌細胞中已有研究表明TOP1作為miRNA靶基因發(fā)揮作用,miR-23a介導(dǎo)的TOP1表達抑制增強了人肝癌細胞對依托泊苷的反應(yīng)[38],miR-149可能通過抑制TOP1發(fā)揮其在癌癥預(yù)后中的作用[39]。
在豬顆粒細胞中,miR-24-3p通過直接靶向TOP1抑制其mRNA和蛋白水平,從而上調(diào)BMAL1的表達,提高雌二醇合成相關(guān)基因的表達水平進而促進雌二醇合成。