高麗麗 刁曉明 李 云 翟旭亮 周春龍
(1. 西南大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院, 重慶三峽生態(tài)漁業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院, 重慶 400715; 2. 西南大學(xué)淡水魚(yú)類(lèi)資源與生殖發(fā)育教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 重慶 400715; 3. 重慶市水產(chǎn)技術(shù)推廣站, 重慶 400020)
Foxl2(Forkhead transcriptionfactor gene 2)是叉頭狀轉(zhuǎn)錄因子超家族(Forkhead transcriptionfactor,FOX)成員之一[1,2], 1993年被發(fā)現(xiàn), 主要在垂體和卵巢顆粒細(xì)胞中表達(dá), 通過(guò)轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)其目的靶基因的轉(zhuǎn)錄、蛋白表達(dá), 參與顆粒細(xì)胞的增殖與分化, 與卵巢發(fā)育性二態(tài)分化和卵巢功能維持密切相關(guān)[2—4]。Foxl2突變引起小瞼裂綜合征(BPES)、卵巢早衰(POF)、腫瘤及山羊的無(wú)角間性綜合征(PIS)[4—6]。迄今Foxl2基因已在許多脊椎動(dòng)物和部分無(wú)脊椎動(dòng)物中獲得, 且結(jié)構(gòu)高度保守。Foxl2在哺乳動(dòng)物中研究最為深入, 被認(rèn)為是雌性相關(guān)基因[4,6]。國(guó)外學(xué)者對(duì)許多龜鱉動(dòng)物的Foxl2基因進(jìn)行了較為詳細(xì)的研究[7,8], 但對(duì)于中華鱉Foxl2基因的相關(guān)研究未見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道。
中華鱉(Pelodiscus sinensis)隸屬于爬行綱、龜鱉目、鱉科(Trionychidae)、鱉屬(Pelodiscus), 之前溫度依賴(lài)型性別決定模式已被公認(rèn), 但總有20%—30%的個(gè)體并沒(méi)有沿溫度方向發(fā)育, 遺傳因素是影響其性別發(fā)育方向的重要方面[9]。對(duì)于爬行動(dòng)物, 關(guān)鍵基因除外, 性激素在一定程度調(diào)控性別分化[10,11], 且在不同的發(fā)育階段發(fā)揮不同的作用[12]。
本實(shí)驗(yàn)室克隆了Foxl2 cDNA部分序列, 并以10 mg/kg劑量的MT和E2對(duì)中華鱉成鱉進(jìn)行注射實(shí)驗(yàn), 通過(guò)分析Foxl2表達(dá)變化, 旨在生理水平顯示外源性激素處理后Foxl2的響應(yīng)模式, 以分析激素與性別相關(guān)基因的關(guān)系, 為中華鱉性別調(diào)控機(jī)制提供一定的生物學(xué)資料。
2015年5月22日, 從重慶市北碚區(qū)歇馬鎮(zhèn)星云養(yǎng)殖場(chǎng)購(gòu)買(mǎi)150只中華鱉, 體長(zhǎng)為(12.01±2.01) cm,體寬為(11.20±1.20) cm, 體重為(291.80±103.80) g,置于室內(nèi)淡水循環(huán)養(yǎng)殖池中暫養(yǎng)3d, 水源為曝氣自來(lái)水, 水溫為(26±0.5)℃。共分為5個(gè)組。
17α-甲基睪酮(MT)和17β-雌二醇(E2)購(gòu)自生工生物工程(上海)股份有限公司, Trizol試劑以及pMD18-T Vector購(gòu)自Takara, IScriptTMcDNA Synthesis Kit以及SsoFast Eva Green購(gòu)自Bio-Rad,GoTaq(R)Green MasterMix和BM5000 DNA Marker購(gòu)自Promega, 其余國(guó)產(chǎn)分析純?cè)噭? 購(gòu)自生工生物工程(上海)股份有限公司。
在本實(shí)驗(yàn)開(kāi)展的前期, 已經(jīng)研究了中華鱉Foxl2多種組織的時(shí)空表達(dá), 結(jié)果表現(xiàn)出典型的性別二態(tài)性, 卵巢表達(dá)量明顯高于精巢表達(dá)量(結(jié)果待發(fā)表),在此研究工作的基礎(chǔ)上, 以同一濃度激素分別注射雌性與雄性個(gè)體, 充分顯示E2和MT對(duì)中華鱉成鱉Foxl2基因表達(dá)的影響。
在馴養(yǎng)3d后, 剔除體弱或受傷個(gè)體, 測(cè)量體型參數(shù), 注射激素后放入對(duì)應(yīng)編號(hào)養(yǎng)殖池。1號(hào)池為對(duì)照組, 2、3、4、5號(hào)池為實(shí)驗(yàn)組。劑量為10 mg/kg,每組設(shè)3個(gè)重復(fù), 每個(gè)重復(fù)10只, 實(shí)驗(yàn)周期15d。注射后的0、6h、12h、24h、48h、7d和14d時(shí)間點(diǎn)隨機(jī)抽取實(shí)驗(yàn)個(gè)體, 以0為對(duì)照組, 并取出卵巢和精巢組織置于液氮中保存?zhèn)溆? 后轉(zhuǎn)入-80℃冰箱保存,以備總RNA提取。
上述采集到的組織樣品用研缽在液氮中充分研磨, 取100 mg左右的研磨干粉, 根據(jù)Trizol(TakaRa)一步法提取各組織樣品總RNA, 所得到的總RNA定量到1 μg。通過(guò)1.5%的瓊脂糖凝膠電泳, Goldview染色, 檢測(cè)RNA的完整性。將所有樣品的總RNA用微量核酸測(cè)定儀(NanoDrop 1000)測(cè)定其濃度和純度, 確保OD值在1.8—2.0。根據(jù)IScriptTMcDNA Synthesis Kit(Bio-Rad)試劑盒合成cDNA, 得到的cDNA -20℃保存?zhèn)溆谩?/p>
根據(jù)Ensembl網(wǎng)站預(yù)測(cè)的中華鱉Foxl2基因mRNA序列, 針對(duì)于Foxl2基因的保守區(qū)域, 利用Primer Premier 5.0軟件來(lái)設(shè)計(jì)兼并引物, 用于后續(xù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的同源克隆。設(shè)計(jì)好的引物序列由華大基因公司合成; 所涉及的引物如下:Foxl2 (F: 5′-ATGATGGCCAGCTACCAGG-3′, R: 5′-CTAGATG TCTATCCGGGAGTGC-3′); GAPDH (F: 5′-AGAA CATCATTCCAGCATCCA-3′, R: 5′-CTTCATCA CCTTCTTAATGTCGTC-3′, GenBank登錄號(hào):AB 124567.1)。引物均稀釋為10 μmol/L備用。
以卵巢組織的總RNA進(jìn)行反轉(zhuǎn)錄生成第一鏈cDNA, 并將該cDNA作為模板, 使用Foxl2的上、下游引物, 對(duì)該目的基因進(jìn)行PCR擴(kuò)增。PCR體系為25 μL, 擴(kuò)增條件: 94℃ 5min; 35個(gè)循環(huán)(94℃ 40s,60℃ 40s); 72℃ 5min。PCR擴(kuò)增產(chǎn)物經(jīng) 1%的瓊脂糖凝膠電泳、切膠并回收純化后連接到pMD18-T載體上, 轉(zhuǎn)化DH5α大腸桿菌, 培養(yǎng)過(guò)夜, PCR篩選陽(yáng)性克隆后經(jīng)測(cè)序獲得Foxl2基因片段。
根據(jù)NCBI網(wǎng)站的氨基酸序列BLAST分析, 選取一部分典型的脊椎動(dòng)物物種, 經(jīng)Mega5.0軟件的Neighbor-joining法構(gòu)建各物種Foxl2氨基酸序列的系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù), 比較中華鱉Foxl2基因與其他物種之間的親緣關(guān)系。用DNAMAN軟件對(duì)不同物種的Foxl2基因所編碼的氨基酸序列進(jìn)行多重比對(duì)。
定量PCR引物設(shè)計(jì)跨越內(nèi)含子以減少基因組DNA的影響, 各引物序列如下:Foxl2 (F: 5′-AGAA CAGCATCCGCCACA-3′, R: 5′-GGGTCCAGCG TCCAGTAGTT-3′); GAPDH (F: 5′-AGAACATCATT CCAGCATCCA-3′, R: 5′-CTTCATCACCTTCTT AATGTCGTC-3′)。
從性腺提取總RNA, 按照IScriptTMcDNA Synthesis Kit (Bio-Rad)試劑盒合成cDNA, 以合成的20 μL cDNA為模板, 使用SsoFast Eva Green (Bio-RAD公司)熒光定量試劑盒。按照以下參數(shù)配置10 μL體系: SsoFast EvaGreen supermix 5 μL, 上下游引物各0.5 μL, cDNA模板1 μL, ddH2O 3 μL, 反應(yīng)液的配制在冰上操作, 每個(gè)反應(yīng)3次重復(fù), 各個(gè)樣品做3次平行實(shí)驗(yàn), 按以下參數(shù)在CFX-96實(shí)時(shí)熒光定量擴(kuò)增儀進(jìn)行PCR擴(kuò)增: 95預(yù)變性30s; (95℃, 5s;60.2℃, 30s), 40個(gè)循環(huán)。為了保證PCR擴(kuò)增和檢測(cè)的特異性(是否含有二聚體), 每個(gè)PCR反應(yīng)的程序后都增加溶解曲線(xiàn), 65—95℃, 5s/0.5℃。
目的基因的相對(duì)表達(dá)量采用2-ΔΔCt法, 2-ΔΔCt值代表目的基因與對(duì)照組表達(dá)量之間的倍數(shù)差異。目的基因表達(dá)量的統(tǒng)計(jì)值用算數(shù)平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤(mean±SE)表示, 用SPSS17.0軟件進(jìn)行單因素方差(One-Way ANOVA)和Tukey B檢驗(yàn)法統(tǒng)計(jì)分析。以P<0.05作為顯著性差異;P<0.01為非常顯著性差異;P<0.001為極顯著差異。
以卵巢組織cDNA為模板進(jìn)行PCR, 產(chǎn)物電泳顯示一條約為903 bp的片段, 隨后經(jīng)華大基因公司測(cè)序, 經(jīng)NCBI (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/blast)進(jìn)行序列比對(duì), 確定為中華鱉Foxl2基因片段, 編碼大約300個(gè)氨基酸殘基。將該序列提交GenBank, 已獲得登錄號(hào): KP734210。
根據(jù)NCBI網(wǎng)站的氨基酸序列BLAST程序進(jìn)行中華鱉Foxl2基因與其他物種同源關(guān)系分析, 結(jié)果表明: 中華鱉與紅耳龜(Trachemys scripta)相似性最高, 達(dá)到99%; 西部錦龜(Chrysemys picta bellii)、密西西比鱷(Alligator mississippiensis)、紅原雞(Gallus gallus)次之, 分別為92%、88%和84%, 其他物種的相似性基本在66%—80%。通過(guò)DNAMAN軟件進(jìn)行多重序列比對(duì)顯示Foxl2具有高度保守的FH結(jié)構(gòu)域(圖 1A)。構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)表明: 中華鱉Foxl2與同目爬行動(dòng)物聚為一分支, 其中與西部錦龜遺傳距離最近(圖 1B)。
如圖 2所示, 處理6h后雌性個(gè)體中Foxl2的表達(dá)量高于對(duì)照組, 差異不顯著(P>0.05), 12h和24h后,E2極顯著上調(diào)雌性個(gè)體Foxl2的表達(dá)量(P<0.001),其表達(dá)量呈現(xiàn)與時(shí)間相關(guān)的增加趨勢(shì), 分別增加到對(duì)照組的8倍和18倍, 尤其在24h出現(xiàn)表達(dá)高峰, 至第48h和第7天時(shí)雌性個(gè)體Foxl2的表達(dá)量下降, 差異不顯著(P>0.05); 至14d后E2又顯著提升Foxl2的表達(dá)量(P<0.05), 達(dá)到對(duì)照組的5倍; 處理6h、24h和48h后雄性個(gè)體Foxl2的表達(dá)量低于對(duì)照組, 差異不顯著(P>0.05), 至7d之前, E2對(duì)雄性個(gè)體Foxl2的表達(dá)影響均不顯著(P>0.05), 至7d和14d后, E2極顯著上調(diào)Foxl2的表達(dá)量(P<0.001), 均增加到對(duì)照組的5倍。
結(jié)果顯示: 1 mg/mL E2明顯促進(jìn)雌性中華鱉Foxl2的表達(dá), 促進(jìn)高峰在24h, 隨著時(shí)間的推移其促進(jìn)作用呈現(xiàn)減弱的趨勢(shì); 1 mg/mL E2在注射后期促進(jìn)雄性中華鱉Foxl2的表達(dá), 其促進(jìn)高峰時(shí)間比雌性個(gè)體大大延遲, 表達(dá)高峰出現(xiàn)在7d和14d, 且其表達(dá)量整體要低于在雌性個(gè)體中的表達(dá)量。
如圖 3所示, 處理6h和12h后雌性個(gè)體中Foxl2的表達(dá)量高于對(duì)照組, 差異不顯著(P>0.05);至24h之前, MT對(duì)雌性個(gè)體Foxl2的表達(dá)影響不顯著(P>0.05), 隨著時(shí)間的延長(zhǎng); 至24h后, MT極顯著上調(diào)雌性個(gè)體中Foxl2的表達(dá)(P<0.001), 出現(xiàn)表達(dá)高峰, 達(dá)到對(duì)照組的17倍; 至第48h、第7和第14天后,Foxl2的表達(dá)量呈現(xiàn)顯著下降的趨勢(shì)(P<0.05),但均穩(wěn)定在高于注射前5倍的水平。處理6h和12h后雄性個(gè)體Foxl2的表達(dá)量與對(duì)照組持平, 差異不顯著(P>0.05); 隨著注射時(shí)間的延長(zhǎng), 尤其在24h,MT極顯著促進(jìn)Foxl2的表達(dá)(P<0.001), 出現(xiàn)表達(dá)高峰, 達(dá)到對(duì)照組的5倍; 第48h后, 其表達(dá)量低于對(duì)照組(P>0.05); 7d后,Foxl2的表達(dá)量又出現(xiàn)顯著回升的趨勢(shì)(P<0.05); 至14d后, 其表達(dá)量略微下降。
結(jié)果顯示: 1 mg/mL MT明顯促進(jìn)雌性中華鱉Foxl2的表達(dá); 除48h外, 1 mg/mL MT對(duì)雄性中華鱉Foxl2的表達(dá)呈現(xiàn)不同程度的促進(jìn)作用, 但其作用沒(méi)有雌性明顯, 且無(wú)論雌雄, 24h時(shí)MT的促進(jìn)作用最強(qiáng)。
多重序列比對(duì)顯示中華鱉Foxl2基因部分片段含有一個(gè)高度保守的FH結(jié)構(gòu)域, 且與其他很多物種具有很高的相似性, 說(shuō)明該結(jié)構(gòu)域在不同物種生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中發(fā)揮重要作用; 同源性分析表明, 中華鱉Foxl2基因是已發(fā)現(xiàn)物種Foxl2基因的同源基因, 該基因在進(jìn)化上具有較高的序列保守性和功能一致性; 其中與紅耳龜和西部錦龜?shù)耐葱苑謩e達(dá)到99%和92%, 說(shuō)明其在進(jìn)化上與爬行類(lèi)的同源性;聚類(lèi)分析表明中華鱉與西部錦龜?shù)腇oxl2基因在同一大支, 而與氨基酸同源性較高的紅耳龜?shù)腇oxl2基因親緣關(guān)系較遠(yuǎn), 這說(shuō)明Foxl2基因在進(jìn)化過(guò)程中承受了不同的選擇壓力, 最終導(dǎo)致不同物種之間該基因的進(jìn)化速率差異, 但是其在進(jìn)化過(guò)程中變異還是較小, 且保守性很高, 其演化關(guān)系也與生物學(xué)結(jié)果一致。
圖 1 Foxl2氨基酸序列比對(duì)及分子進(jìn)化樹(shù)分析Fig. 1 Comparing amino acid sequence alignments and phylogenetic analysis of Foxl2
圖 2 E2對(duì)雌雄中華鱉Foxl2基因表達(dá)的影響Fig. 2 The effects of E2 on the Foxl2 expression in Pelodiscus sinensis's females and males
圖 3 MT對(duì)雌雄中華鱉Foxl2基因表達(dá)的影響Fig. 3 The effects of MT on the Foxl2 expression in Pelodiscus sinensis's females and males
在非哺乳脊椎動(dòng)物中, 雌激素是卵巢分化的關(guān)鍵因素, 但其作用機(jī)制仍不甚了解。本研究結(jié)果顯示, E2促進(jìn)中華鱉Foxl2基因的表達(dá), 雌性的促進(jìn)作用比雄性明顯, 且其表達(dá)高峰時(shí)間比雄性提前(提前一周), 可以判斷E2以不同的途徑調(diào)控中華鱉雌雄個(gè)體中Foxl2基因表達(dá)。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)中華鱉Foxl2基因的研究尚少見(jiàn)報(bào)道。多數(shù)文獻(xiàn)報(bào)道雌激素促進(jìn)Foxl2的表達(dá)[13,14]; 降低雌激素合成或者抑制雌激素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)均可顯著抑制Foxl2的表達(dá)[15,16],如南方鲇(Southern catfish)[17]、虹鱒(Rainbow trout)[18]、雞(Gallus gallus)[19]以及稀有 鯽(Gobiocypris rarus)[20]; 關(guān)于其調(diào)控機(jī)制, 有學(xué)者解釋為Foxl2基因通過(guò)激活芳香化酶(雄激素轉(zhuǎn)化為雌激素的關(guān)鍵酶)的表達(dá), 從而共同調(diào)控雌激素的生成[21,22];哺乳動(dòng)物中也有類(lèi)似現(xiàn)象[23]; 本研究中雌性的表達(dá)結(jié)果與以上研究結(jié)果一致。雌激素信號(hào)傳導(dǎo)過(guò)程依賴(lài)于細(xì)胞環(huán)境和受體的存在, 即雌激素受體(ERα和ERβ)以及跨膜受體GPER(非基因組通路),基因組通路(ERα和ER)的表達(dá)水平可以發(fā)生轉(zhuǎn)換,這種轉(zhuǎn)換允許E2在不同的方向介導(dǎo)其作用并調(diào)節(jié)未成熟支持細(xì)胞的增殖[24]。正常雌性個(gè)體中雌激素受體及其相應(yīng)原件均處于非激活狀態(tài)。從本研究結(jié)果來(lái)看E2可能通過(guò)激活雌性個(gè)體中的ERα或者ERβ來(lái)啟動(dòng)相應(yīng)原件(在基因轉(zhuǎn)錄水平上)上調(diào)Foxl2的表達(dá), 當(dāng)細(xì)胞內(nèi)激素濃度發(fā)生改變, 則開(kāi)始調(diào)動(dòng)GPER來(lái)調(diào)節(jié)激素平衡。但是我們并沒(méi)有檢測(cè)內(nèi)源激素水平和性腺發(fā)育狀態(tài), 所以不能進(jìn)行驗(yàn)證,而且雌激素的具體作用機(jī)制比較復(fù)雜, 這也是我們后續(xù)的研究熱點(diǎn)。
最新研究報(bào)道, 雌激素在動(dòng)物雄性個(gè)體中同樣發(fā)揮重要作用, 其中雌激素介導(dǎo)的ERα信號(hào)對(duì)于生殖細(xì)胞活性和維持生精上皮的正常組織至關(guān)重要。雌激素的生理水平對(duì)精子生成至關(guān)重要, 高劑量對(duì)精子發(fā)生有損傷作用, 而低劑量則對(duì)其有積極作用[24]。Hultman等[25]也發(fā)現(xiàn)EE2處理雄性虹鱒后,Foxl2表達(dá)水平上升。中華鱉雄性個(gè)體中Foxl2的表達(dá)水平在E2暴露7d后明顯上升, 這說(shuō)明E2在雄性中華鱉生長(zhǎng)后期發(fā)揮了重要作用, 但是對(duì)于具體機(jī)制,尚不清晰, 還需進(jìn)一步研究。
中華鱉雌雄個(gè)體注射MT后,Foxl2基因表達(dá)增強(qiáng), 在24h時(shí)均出現(xiàn)表達(dá)高峰, 之后逐漸減弱, 其變化趨勢(shì)可能與體內(nèi)外源MT有效劑量的變化相關(guān),表明中華鱉雌雄個(gè)體以相同的節(jié)奏和強(qiáng)度應(yīng)答外源MT, 24h是Foxl2基因應(yīng)激MT的敏感時(shí)期, 且MT對(duì)雌性個(gè)體的作用比雄性強(qiáng)烈。
有文獻(xiàn)報(bào)道MT在魚(yú)類(lèi)等性逆轉(zhuǎn)過(guò)程中發(fā)揮重要作用[26,27]; Fenseke和Segner[28]用10000 ng/L劑量的MT處理斑馬魚(yú), 結(jié)果發(fā)現(xiàn)CYP19b表達(dá)量上升。雄激素的信號(hào)傳導(dǎo)過(guò)程主要依賴(lài)以下3個(gè)途徑: 直接與雄激素受體(AR)結(jié)合、或者在芳香化酶的作用下轉(zhuǎn)化為雌二醇, 隨后雌二醇與雌激素受體結(jié)合而發(fā)揮效應(yīng), 也可以轉(zhuǎn)化為二氫睪酮(DHT)。本研究結(jié)果表明Foxl2基因的表達(dá)依賴(lài)以上機(jī)制的相互作用。MT影響雌雄個(gè)體的高峰期一致, 也說(shuō)明MT促進(jìn)中華鱉Foxl2基因表達(dá)的性別差異較小, 但是以上機(jī)制之間的具體作用機(jī)理及如何切換我們目前還不清楚。而且MT是直接作用于Foxl2基因還是通過(guò)間接的激素平衡反饋機(jī)制, 我們也不得而知。我們推測(cè)MT暴露不久后, MT轉(zhuǎn)化為了內(nèi)源性的E2, 雌雄性個(gè)體的應(yīng)答機(jī)制間接轉(zhuǎn)為擬雌激素效應(yīng), 并通過(guò)干擾內(nèi)源性激素的合成及代謝而發(fā)揮作用。此外還有研究表明MT抑制Foxl2基因的表達(dá)[29], 這可能由于多種因素導(dǎo)致, 例如所使用的性激素化合物種類(lèi)不用; 所采用方法的不同; 注射時(shí)間和濃度的差異; 或者是實(shí)驗(yàn)動(dòng)物所處的不用發(fā)育或生理時(shí)期等因素造成的。相關(guān)研究表明, 使用外源雄激素和芳香化酶抑制劑后, 血清中E2水平下調(diào)[30—32], 但是我們沒(méi)有檢測(cè)中華鱉血清內(nèi)激素含量的變化, 所以無(wú)法進(jìn)行驗(yàn)證, 這也是本文的不足之處。
總之, 基因在信號(hào)通道和代謝2個(gè)水平產(chǎn)生重要影響, 前者具有迅速而猛烈的特性, 后者具有緩沖和補(bǔ)償功能。在中華鱉雌性個(gè)體中, 外源性激素是以影響信號(hào)通道為主的模式來(lái)調(diào)控Foxl2表達(dá);在雄性個(gè)體中, 外源性激素打破了中華鱉原有激素的平衡[29], 改變了原有的代謝模式, 逐漸切入信號(hào)通道。從我們的實(shí)驗(yàn)中, 可以得出中華鱉雌性個(gè)體中Foxl2基因?qū)ν庠葱约に氐膽?yīng)答模式趨于一致,而中華鱉雄性個(gè)體中Foxl2基因?qū)ν庠葱约に氐膽?yīng)答模式存在差異, E2和MT均促進(jìn)中華鱉Foxl2基因的表達(dá)。但是不能分析其具體機(jī)制及E2對(duì)雄性個(gè)體中Foxl2基因的持續(xù)作用, 希望在后續(xù)的研究中得到結(jié)果。