盧文瑾,郭勇,胡新宇,張寅屏,黃啟震,劉迪,王力紅,田鳳,盛熙暉,齊曉龍,邢凱,倪和民,王相國*
(1. 北京農(nóng)學(xué)院動物科學(xué)技術(shù)學(xué)院,北京 102206; 2. 廈門大學(xué)醫(yī)學(xué)院生殖調(diào)控與生殖健康研究福建省高校重點實驗室,廈門 361102; 3. 中山大學(xué)附屬口腔醫(yī)院·口腔醫(yī)學(xué)研究所,廣州 510030; 4. 北京市昌平區(qū)畜牧水產(chǎn)推廣站,北京 102200)
哺乳動物胚胎的著床以及發(fā)育過程一直是生殖領(lǐng)域研究的熱點,胚胎在發(fā)育過程中受多種激素、生長因子以及各種酶的影響。早在20世紀(jì)60年代,科學(xué)家就發(fā)現(xiàn),哺乳動物胚胎發(fā)育到囊胚階段存在不立即著床的現(xiàn)象,這種現(xiàn)象使動物的交配和妊娠的時間得以延長,從而最大限度地保證后代在適宜的環(huán)境里出生并成長[1]。胚胎發(fā)育到胚泡階段時暫時進(jìn)入休眠狀態(tài)而并不立即著床的現(xiàn)象稱為延遲著床,處于延遲著床狀態(tài)的胚胎又稱休眠囊胚,此時胚胎在子宮中代謝速度變緩,停留時間延長。大鼠、小鼠、雪貂以及有袋動物均存在延遲著床現(xiàn)象。此外,無脊椎動物、植物、昆蟲也存在延遲著床現(xiàn)象[2]。研究者在蝙蝠中發(fā)現(xiàn),雖然群體中母蝙蝠交配時間不盡相同,但群體中大部分雌性蝙蝠能保證同時分娩,讓幼崽在同一時間出生,這種同步化現(xiàn)象能擴(kuò)大幼崽種群,保證種群的存活率,大大減少幼崽的死亡率,對于種群來說是進(jìn)化優(yōu)勢的體現(xiàn)[3]。
溶菌酶1(lysozyme 1,LYZ1)是存在于哺乳動物體液中的一種小分子堿性酶,廣泛存在于哺乳動物的血液以及肝中,眼淚、尿液、唾液和乳汁中也有分布;在黏膜表面,其濃度可達(dá)到1 mg/mL;在巨噬細(xì)胞,嗜中性粒細(xì)胞和樹突狀細(xì)胞等專業(yè)吞噬細(xì)胞中也有分布[4]。溶菌酶家族中所有成員都具有水解細(xì)菌細(xì)胞壁肽聚糖的能力,并且總體結(jié)構(gòu)相似。LYZ1是體液免疫中最為關(guān)鍵的第一道防御系統(tǒng)中的重要組成成分,對革蘭陽性菌以及部分革蘭陰性菌都有殺滅作用。細(xì)菌細(xì)胞壁的主要成分肽聚糖,是N-乙酰葡萄糖胺和N-乙酰胞壁酸交織形成的多糖支架,他們之間依靠β-1,4-糖苷鍵相互交聯(lián),N-乙酰胞壁酸分子上接四肽側(cè)鏈,肽鏈再相互連結(jié),形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)成為支撐細(xì)菌細(xì)胞的基礎(chǔ)。LYZ1專一作用于多糖支架之間的β-1,4-糖苷鍵,細(xì)菌細(xì)胞壁將失去支撐作用,從而使細(xì)菌溶解,人及哺乳動物不含細(xì)胞壁,故溶菌酶對人體無毒害作用[5]。目前溶菌酶已被運用于多種研究領(lǐng)域,在食品行業(yè)可用做防腐劑,或去除酒中的沉淀[6];在醫(yī)療行業(yè)常與其他抗菌藥物一起使用治療細(xì)菌感染;由于溶菌酶只對細(xì)胞壁有破壞作用,在生物工程行業(yè)上也常用于原生質(zhì)體的制備。但在生殖方面的功能少見報道,研究證實,處于延遲著床狀態(tài)的囊胚不含有透明帶,比正常孵化囊胚具有更強(qiáng)的抗逆性。本實驗室前期研究結(jié)果證明:經(jīng)過程序化冷凍的小鼠休眠囊胚解凍后存活率顯著高于正常孵化囊胚,顯示經(jīng)歷冷凍過程的休眠囊胚具有更好的抗凍潛力,而實驗室前期基因表達(dá)譜[7]結(jié)果發(fā)現(xiàn):程序化冷凍處理前、后休眠胚胎中Apol8[8]基因在表達(dá)水平顯著差異,RhoA[9]、Hba-α[10]、C3[11]等基因與正常孵化囊胚相比也有差異。與此類似,前人在冷凍、超排以及休眠三個因素對小鼠胚胎差異表達(dá)基因進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)LYZ1基因在超排前后和休眠胚胎表達(dá)有明顯差異。
因此,研究LYZ1及其家族在生殖領(lǐng)域的作用潛力能進(jìn)一步為闡明胚胎發(fā)育過程提供新的依據(jù)。本試驗通過研究超排和休眠因素對LYZ1蛋白在小鼠休眠囊胚與正常孵化囊胚中分布的影響,分析休眠囊胚具有更強(qiáng)發(fā)育潛力的原因,挖掘LYZ1基因在小鼠囊胚階段的潛在作用,探索哺乳動物胚胎著床過程中新的調(diào)控機(jī)制。
1.1.1 實驗動物
SPF級的性成熟ICR品系雌性小鼠50只,平均體重25~30 g,8~11周齡;SPF級的性成熟ICR品系雄性小鼠25只,平均體重35~40 g,9~12周齡,均來源于北京維通利華動物科技有限公司【SCXK(京)2014-0008】,試驗操作在北京農(nóng)學(xué)院屏障動物實驗室內(nèi)進(jìn)行【SYXK(京)2015-0004】。
1.1.2 實驗試劑
芝麻油、孕酮購自Sigma,美國;兔抗LYZ1單克隆抗體,購自Abcam,貨號:ab108508;抗兔LYZ1抗體,購自Cell Signaling,貨號:7074P2;PMSG、hCG購自寧波三生有限公司;TBST (pH8.0,10 ×),購自康為世紀(jì),貨號:CW0043S;PVDF膜,購自索萊寶。
1.1.3 實驗儀器
光學(xué)顯微鏡,江南儀器廠;電子天平,Sartorius,BS124S,美國;顯微鏡BX51,Olympus,日本;蓋玻片、載玻片,江蘇世泰實驗器材有限公司;低溫高速離心機(jī),Beckman Allegra Centrifuge 64R,美國;掌心離心機(jī),Bratt,美國;超凈工作臺,上海智城分析儀器,ZHJH-1112B;激光共聚焦顯微鏡,Olympus,日本;脫色搖床,Qilinbeier TS-1000;凝膠成像儀,BIO-RAD,美國。
實驗分為4組:A為不超排-孵化;B為超排-孵化;C為不超排-休眠;D為超排-休眠。
1.2.1 超排處理
選擇陰門潮紅、處于發(fā)情期的雌鼠,于晚間18:00腹腔注射PMSG 0.1 mL(10 IU/只),間隔46~48 h后,腹腔注射hCG 0.1 mL(10 IU/只),注射后立即合籠(公母比為1∶1),次日上午08:00點之前檢查陰道栓,檢出陰道栓雌鼠用于獲取超排孵化囊胚和超排休眠胚胎,將此天記為胎齡第1天(day 1)。
1.2.2 孵化囊胚的獲取
于見栓第5天(day 5)上午08:00頸椎脫臼法處死見栓雌鼠,摘取母鼠雙側(cè)子宮,除去系膜,使用PBS工作液多次沖洗雙側(cè)子宮角收集囊胚,經(jīng)PBS洗滌3次,儲存在-80℃保存?zhèn)溆?。見栓?天(day 4)上午08:00麻醉見栓雌鼠,將雌鼠雙側(cè)卵巢從背部摘除,保留輸卵管并縫合,此后,每天早晨08:00于小鼠頸部皮下注射0.1 mL孕酮(0.2 mg/mL),連用3 d,在次日上午(day 8)08:00沖洗雙側(cè)子宮收集休眠胚胎?;厥盏呐咛ソ?jīng)PBS洗滌3次,儲存在-80℃冰箱備用。
1.2.3 休眠胚胎的獲取
見栓第4天(day 4)上午08:00麻醉見栓雌鼠,摘除雌鼠雙側(cè)卵巢,小心操作以保留輸卵管,隨后連續(xù)3 d早晨08:00在小鼠頸部皮下濃度為0.1 mL孕酮(0.2 mg/mL),次日上午(day 8)08:00用PBS工作液沖洗雙側(cè)子宮收集休眠胚胎?;厥盏呐咛ソ?jīng)PBS洗滌3次,儲存在-80℃冰箱備用。
1.2.4 共聚焦顯微鏡術(shù)檢測LYZ1蛋白在各組胚胎上的分布
①固定:胚胎于PBS中充分洗滌,此后,室溫條件下置于4%多聚甲醛中固定30 min;②清洗:固定后的胚胎置于0.1% BSA-PBS液滴中室溫清洗6次,每次8 min;③通透:清洗后的胚胎室溫條件下置于2.5% Tween 20-PBS中通透5 min;④清洗:用0.1% BSA-PBS洗滌6次,每次8 min;⑤LYZ1抗體孵育:4℃條件下,胚胎置于LYZ1抗體(1∶2000)中過夜孵育;⑥清洗:先后采用0.2% Triton X-100,0.1% BSA-PBS各清洗6 次,每次8 min;⑦二抗孵育:37℃條件下,胚胎在置于稀釋好的抗LYZ1抗體熒光二抗(1∶1500)中避光孵育1.5 h;⑧清洗:先后采用0.2% Triton X-100,0.1% BSA-PBS各清洗6次,每次8 min;⑨染核:將胚胎置于PI染核液中染核5 min,再將胚胎置于0.1% BSA-PBS液滴中洗去染核液,重復(fù)3次,每次10 min;⑩壓片:洗凈后將胚胎置于在載玻片中央,用少量凡士林支撐起蓋玻片四角,在輕輕蓋上蓋玻片,緩慢操作,以免將胚胎擠壓變形;封片:蓋玻片四周用透明快干指甲油封住,在暗室條件下,盡快放入Confocal顯微鏡中成像。
1.2.5 LYZ1蛋白在各組胚胎間差異表達(dá)變化
①從-80℃冰箱中將凍存有胚胎的離心管取出,置于冰上,每100枚胚胎中加入10 μL裂解液,短時渦旋震蕩后,冰上孵育30 min,充分使其裂解;②12 000 r/min,4℃離心5 min,獲取上清液,等體積加入2× protein loading buffer;③沸水浴5 min,待冷卻備用;④配制濃度為12% SDS-PAGE分離膠,15% SDS-PAGE濃縮膠,室溫靜止,待凝膠凝聚后上樣,電泳1.5 h,電泳結(jié)束后轉(zhuǎn)移蛋白至PVDF膜上;⑤室溫條件下,將PVDF膜完全浸入封閉液中,搖床封閉2 h;⑥4oC條件下,將PVDF膜置于LYZ1抗體(1∶1500)中過夜孵育;⑦用1×TBST洗滌未結(jié)合到膜上的抗體,3次,10 min/次;⑧37oC條件下,將PVDF膜轉(zhuǎn)移至抗LYZ1抗體的熒光二抗(1∶1000)中搖床孵育1.5 h;⑨孵育后用1×TBST洗去未結(jié)合到PVDF膜上的熒光二抗;⑩ECL化學(xué)顯色后,凝膠成像儀成像。
1.2.6 圖像分析
用Image J軟件對凝膠成像系統(tǒng)所得圖片進(jìn)行灰度分析。
孵化囊胚與休眠囊胚均已完全孵化,無透明帶(圖1a和1b)。從圖1中可以看出,兩種胚胎內(nèi)細(xì)胞團(tuán)和滋養(yǎng)外胚層細(xì)胞結(jié)構(gòu)完整,邊緣清晰,可用于后續(xù)實驗。
圖1 小鼠休眠囊胚和孵化囊胚(bar=80 μm)Figure 1 Dormant and hatched mouse blastocysts (scale bar: 80 μm)
LYZ1蛋白在超排前后的小鼠孵化囊胚和休眠胚胎中的滋養(yǎng)層細(xì)胞和內(nèi)細(xì)胞團(tuán)中均有分布,但進(jìn)行超數(shù)排卵過程后的休眠胚胎中的LYZ1蛋白明顯集中于內(nèi)細(xì)胞團(tuán)中。見圖2。
各組胚胎蛋白中看家基因β-actin表達(dá)穩(wěn)定,可用于后續(xù)實驗。用Image J軟件對凝膠成像系統(tǒng)圖片進(jìn)行灰度值分析(見圖3a)。SPSS 20.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析,結(jié)果如圖3b所示:超數(shù)排卵前后的小鼠正常孵化囊胚和休眠胚胎均能檢測到LYZ1蛋白的表達(dá);且超排前后孵化囊胚(A組、B組)中LYZ1蛋白表達(dá)差異無顯著性(P>0.05);而超排-休眠囊胚(D組)LYZ1蛋白表達(dá)差異極顯著高于超排-孵化組(B組)和不超排-休眠的囊胚(C組);同時休眠后的不超排囊胚(C組)與休眠前不超排孵化囊胚(A組)相比,差異無顯著性(P>0.05)。
注:A.不超排-孵化囊胚;B.超排-孵化囊胚;C.不超排-休眠囊胚;D.超排-休眠囊胚。綠色熒光表示LYZ1蛋白分布區(qū)域;紅色熒光表示細(xì)胞核。圖2 LYZ1蛋白在各組胚胎中分布情況Note: A) Hatched blastocysts, no superovulation; B) hatched blastocysts, superovulation; C) dormant blastocysts, no superovulation; D) dormant blastocysts, superovulation. Green fluorescence represents LYZ1 protein, and red fluorescence represents nuclei.Figure 2 Localization of LYZ1 protein in the embryos of each group
注:a. Western Blot 檢測LYZ1蛋白在各組胚胎間的相對表達(dá)量。b. Western Blot檢測LYZ1蛋白相對表達(dá)量分析圖: A.不超排-孵化囊胚;B.超排-孵化囊胚;C.不超排-休眠囊胚;D.不超排-休眠囊胚。上標(biāo)相同字母表示差異無顯著性(P>0.05);不同字母表示差異有極顯著性(P<0.01)。圖3 LYZ1 蛋白在各組胚胎中差異表達(dá)分析Note: a. Western blot analysis of relative LYZ1 protein expression in the embryos; b. western blot analysis of relative LYZ1 expression in: A. hatched blastocysts, no superovulation; B. hatched blastocysts, superovulation; C. dormant blastocysts, no superovulation; and D.dormant blastocysts, superovulation. The same letterindicates no significance (P>0.05), while different letters indicate significance (P<0.01).Figure 3 Differential expression analysis of LYZ1 protein in the embryos of each group
廣泛分布于體液中的溶菌酶作為免疫反應(yīng)中的重要成員參與了體內(nèi)多種免疫反應(yīng),其水解細(xì)菌細(xì)胞壁的出色能力賦予了溶菌酶在非特異性免疫中的重要地位。它可改善和增強(qiáng)巨噬細(xì)胞吞噬消化功能,識別細(xì)菌脂多糖,滅殺細(xì)菌,增強(qiáng)機(jī)體抵抗力,由于水解作用的專一性,細(xì)菌很少對溶菌酶產(chǎn)生抗性。有報道顯示,經(jīng)放射線照射后的家兔血清中溶菌酶含量呈現(xiàn)下降趨勢[12],因此血清中溶菌酶的含量或可作為衡量機(jī)體放射損傷的一項指標(biāo)來反映機(jī)體的損傷程度[13]。
與正常孵化囊胚相比,休眠囊胚細(xì)胞的代謝率低,與周圍環(huán)境的能量交換過程較少。滯育期間,胚胎細(xì)胞將進(jìn)入一種維持自身較低的能量及代謝的狀態(tài)。正常孵化囊胚經(jīng)歷短暫“窗口期”就會著床,與母體子宮建立緊密聯(lián)系。而胚胎滯育期間,子宮不具有容受性,經(jīng)過微量雌激素刺激,胚胎才會開始著床,因此相比于能量代謝旺盛、與母體子宮發(fā)生信息與物質(zhì)聯(lián)結(jié)的正常孵化囊胚相比,休眠囊胚能更好的抵抗外界各種刺激。這與本研究發(fā)現(xiàn)的LYZ1蛋白在超排后休眠囊胚中的表達(dá)顯著高于孵化囊胚基本一致。
蛋白表達(dá)定位結(jié)果顯示,LYZ1蛋白在四組胚胎的內(nèi)細(xì)胞團(tuán)中均有表達(dá),而休眠囊胚中表達(dá)量明顯高于孵化囊胚,說明LYZ1蛋白在早期胚胎發(fā)育過程中具有重要作用,并且主要在內(nèi)細(xì)胞團(tuán)內(nèi)發(fā)揮作用以維持細(xì)胞的穩(wěn)定狀態(tài)。蛋白相對表達(dá)水平結(jié)果研究表明,超排后休眠囊胚中LYZ1蛋白的表達(dá)極顯著上調(diào),說明休眠囊胚與正常孵化囊胚在抵御不利環(huán)境下的機(jī)制有很大不同。LYZ1為保護(hù)胚胎免受外界影響而在此時上調(diào),高水平LYZ1蛋白可能有利于胚胎在相對不利條件下存活,維持細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)。超排-孵化組的LYZ1蛋白在滋養(yǎng)層細(xì)胞中有分布,其余三組的LYZ1蛋白主要集中在內(nèi)細(xì)胞團(tuán)中表達(dá)。而內(nèi)細(xì)胞團(tuán)比滋養(yǎng)層細(xì)胞具有更少的線粒體,所以其能量代謝水平比滋養(yǎng)層細(xì)胞更低,所以在內(nèi)細(xì)胞團(tuán)細(xì)胞中自噬活動較少,細(xì)胞能量代謝處于靜止?fàn)顟B(tài)[14]。Lee等[15]發(fā)現(xiàn),小鼠滋養(yǎng)層細(xì)胞中的自噬比內(nèi)細(xì)胞團(tuán)中的高。LYZ1在胚胎內(nèi)細(xì)胞團(tuán)和滋養(yǎng)層細(xì)胞中的廣泛分布,是胚胎在面對不利環(huán)境時提高存活能力的表現(xiàn),這也是休眠囊胚抗逆性強(qiáng)于正常孵化囊胚的另一種體現(xiàn)。
胚胎休眠期間,有許多基因和蛋白在休眠時期有差異表達(dá)[16]。然而,盡管休眠小鼠囊胚中的DNA合成和有絲分裂停止,代謝率下降,但仍滿足了胚胎存活的最低營養(yǎng)需要[17]。造成此差異的原因是在滯育期間小鼠胚胎提供代謝需求的機(jī)制與孵化囊胚有很大不同[18]。有證據(jù)表明,延長的休眠周期與休眠胚胎的數(shù)量呈負(fù)相關(guān)[14],雌激素停藥后激活自噬,誘發(fā)延遲著床,而自噬在休眠囊胚延長存活的過程中持續(xù)存在。Weitlauf[18]發(fā)現(xiàn)延遲著床的胚胎再激活時,雖然細(xì)胞整體自噬總體水平并無下降,但內(nèi)細(xì)胞團(tuán)中的自噬體數(shù)量有下降的趨勢。延遲著床期間,細(xì)胞能通過自噬作用溶解少量細(xì)胞,被消化成碎片的細(xì)胞可以作為胚胎細(xì)胞中重要的營養(yǎng)物質(zhì)被溶酶體-高爾基體消化,重新循環(huán)合成滯育期間需要的蛋白質(zhì)。溶菌酶也是一種溶酶體酶,自噬發(fā)生時,自噬小泡與溶酶體將融合形成自噬吞噬體,從而影響溶菌酶的分泌過程。Starling[14]認(rèn)為自噬途徑分泌溶菌酶是由內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激引發(fā)的。很可能當(dāng)體內(nèi)穩(wěn)態(tài)受到干擾,蛋白質(zhì)運輸、分揀系統(tǒng)出現(xiàn)壓力或應(yīng)激時,溶菌酶將進(jìn)入自噬運轉(zhuǎn)系統(tǒng),被雙層囊泡結(jié)構(gòu)包裹著運輸至相應(yīng)部位參與調(diào)節(jié)。
Sae-Kwang等[19]在對小鼠構(gòu)建敗血癥模型后,發(fā)現(xiàn)術(shù)后第5天,患敗血癥小鼠全部死亡,但對患病鼠體內(nèi)注射溶菌酶5 d后能將小鼠存活率提高到20% ~30%。這是因為在機(jī)體發(fā)生炎癥反應(yīng)時,血管內(nèi)皮蛋白C受體(EPCR)會脫落成為可溶性的血管內(nèi)皮蛋白C受體(s EPCR),而s EPCR是血管受損的標(biāo)志之一,脫落的EPCR刺激體內(nèi)免疫系統(tǒng),引起炎癥反應(yīng),而血管上皮中的溶菌酶能抑制血管內(nèi)皮蛋白C受體的脫落,表明溶菌酶在炎癥反應(yīng)發(fā)生時能維持血管完整性。2012年,Kaizu等[20]用RNA干擾技術(shù)造成溶菌酶在對蝦體內(nèi)缺失,以此分析溶菌酶在對蝦體內(nèi)的功能。結(jié)果顯示,缺失溶菌酶的對蝦在5 d內(nèi)全部死亡,死亡原因是對蝦淋巴中的血細(xì)胞數(shù)量大量減少和體內(nèi)細(xì)菌數(shù)量顯著增加。Lapcharoen對感染瘧原蟲的按蚊進(jìn)行了溶菌酶基因敲除實驗[21],結(jié)果顯示敲除該基因后,瘧原蟲卵囊數(shù)量顯著減少。原因是當(dāng)瘧原蟲入侵按蚊體內(nèi),激活了按蚊的先天性免疫防御反應(yīng),按蚊腸上皮會分泌出一些蛋白酶和表面蛋白,其中就含有溶菌酶,這些蛋白經(jīng)過一系列復(fù)雜的級聯(lián)反應(yīng),最終生成黑色素和毒性物質(zhì),此過程稱為黑化包被反應(yīng),按蚊通過此機(jī)制抵御和消滅入侵體內(nèi)的瘧原蟲[22]。這些都顯示出溶菌酶在胚胎發(fā)育過程中是至關(guān)重要的,缺失將會導(dǎo)致生物致死或?qū)纳x卵囊發(fā)育產(chǎn)生消極影響,在遭遇不利條件時又能上調(diào)使機(jī)體維持穩(wěn)態(tài)。
在小鼠孵化囊胚中,LYZ1蛋白少量分布在整個透明帶滋養(yǎng)層細(xì)胞中,在孵化和休眠囊胚中,LYZ1集中分主要分布在胚胎細(xì)胞的內(nèi)細(xì)胞團(tuán)中。發(fā)育至囊胚階段的胚胎,在經(jīng)歷短暫的“窗口期”后進(jìn)行胚胎著床,在母-胎進(jìn)行營養(yǎng)與物質(zhì)交換的胎盤中,以及乳汁中均含有溶菌酶,預(yù)示從孵化囊胚時期開始,LYZ1已在胚胎發(fā)育過程中發(fā)揮一定的作用。囊胚的休眠過程延長了囊胚在子宮隱窩中停留的時間,子宮外環(huán)境和胚胎自身主動調(diào)節(jié)代謝速度變緩,來保證胚胎存活,胚胎代謝減緩到能維持其生存的最低水平,在這種情況下,母體子宮的免疫系統(tǒng)調(diào)動一系列激素與酶參與休眠過程,以此保證胚胎的正常代謝和存活。
目前LYZ1的功能研究主要集中在免疫系統(tǒng)和非特異性免疫中,本研究發(fā)現(xiàn)其在胚胎發(fā)育中同樣有著至關(guān)重要的作用。由此可見,LYZ1基因?qū)τ谀遗咴诔瑪?shù)排卵和休眠雙重因素下有著不可忽視的作用。下一步研究將繼續(xù)檢測LYZ1在小鼠不同妊娠階段的表達(dá)以及分布,將有助于進(jìn)一步了解LYZ1在胚胎不同發(fā)育階段的分布和功能,能更完整地詮釋該基因在生殖方面的功能。