(1.西南民族大學(xué) 青藏高原動(dòng)物遺傳資源保護(hù)與利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 四川 成都 610041;2.西藏自治區(qū)農(nóng)牧科學(xué)院省部共建青稞和牦牛種質(zhì)資源與遺傳改良國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西藏 拉薩 850009)
肌細(xì)胞增強(qiáng)因子-2(Myocyte enhancer factor 2, MEF2)定位于細(xì)胞核內(nèi),屬于MADS-box轉(zhuǎn)錄因子家族[1]。MEF2蛋白最早發(fā)現(xiàn)于發(fā)育中的骨骼肌肌管,具有DNA結(jié)合活性,能夠與肌肉肌酸激酶(MCK)基因啟動(dòng)子中的A/T序列相結(jié)合[2]。MEF2家族在脊椎動(dòng)物中由4種亞基組成,分別包括MEF2A、MEF2B、MEF2C和MEF2D,在動(dòng)物不同組織生長發(fā)育過程中發(fā)揮調(diào)控作用[3]。MEF2蛋白家族N端均含有高度保守的MADS-box結(jié)構(gòu)域和MEF2結(jié)構(gòu)域,其結(jié)構(gòu)差異性主要集中在C端的轉(zhuǎn)錄活性區(qū)[4]。MEF2廣泛存在于肌肉細(xì)胞中,且能夠結(jié)合大多數(shù)肌肉特異性基因的啟動(dòng)子或增強(qiáng)子,增強(qiáng)相關(guān)基因的表達(dá),可作為肌源性基因表達(dá)的主要調(diào)節(jié)物[5-6]。MEF2A是一種由MEF2A基因編碼的蛋白質(zhì),位于染色體15q26,該蛋白在冠狀動(dòng)脈內(nèi)皮細(xì)胞中高表達(dá),在心臟和平滑肌細(xì)胞的形態(tài)發(fā)生和肌細(xì)胞生成過程發(fā)揮關(guān)鍵作用[7]。研究顯示,MEF2A在骨骼肌和心臟組織中發(fā)揮作用存在差異,其靶向基因能夠影響MAP激酶的活性和凋亡[8];通過對MEF2A缺失的MBs(心肌細(xì)胞)RNA-seq分析,MEF2A具有兩種不同作用,MEF2A的丟失不僅會(huì)導(dǎo)致肌肉功能的下調(diào),還會(huì)造成與細(xì)胞遷移和運(yùn)動(dòng)相關(guān)基因的上調(diào)。
類烏齊牦牛主要生活在西藏自治區(qū)東部昌都市類烏齊縣境內(nèi)的高山草甸草原地區(qū),海拔4 500 m以上,其形成歷史悠久,具有基本一致的外貌特征和繁殖性能,屬于以產(chǎn)肉為主的肉乳兼用型牦牛,是培育牦牛新品種或品系的重要基因資源[9]。本研究以普通牛MEF2A基因mRNA序列設(shè)計(jì)引物,克隆類烏齊牦牛MEF2A基因CDS區(qū),進(jìn)行生物信息學(xué)和差異性表達(dá)分析,為進(jìn)一步探討MEF2A基因?qū)﹃笈H赓|(zhì)性狀的影響提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),并為類烏齊牦牛特色性狀的選育提供參考。
選取西藏自治區(qū)昌都市類烏齊縣4.5歲健康成年的類烏齊牦牛作為試驗(yàn)樣本,分別采集其臀肌、心臟、肝臟、肺臟等組織,用DEPC水處理后,迅速用錫箔紙包裝,并置于液氮中保存?zhèn)溆谩?/p>
Trizol RNA提取試劑盒(TIANGEN);瓊脂糖(Amresco)、D2000 DNA Ladder(BioMIGA);反轉(zhuǎn)錄試劑盒(TIANGEN);DNA純化試劑盒(TIANGEN);RNase-Free ddH2O;pMD19-T載體(TaKaRa);DH5α感受態(tài)細(xì)胞等。
1.3.1 總RNA提取及RT-PCR反應(yīng) 稱取80~110 mg組織樣品于研缽中,邊研磨邊倒液氮,隨后將研磨好的組織迅速轉(zhuǎn)移至含Trizol裂解液的離心管,提取總RNA,1.5%瓊脂糖凝膠電泳檢測。采用分光光度計(jì)測定RNA樣品的濃度及OD260/280值。利用DNase I去除殘留DNA,然后反轉(zhuǎn)錄成cDNA,1.5%瓊脂糖凝膠電泳檢測其質(zhì)量,于-20 ℃保存?zhèn)溆谩?/p>
1.3.2 引物設(shè)計(jì) 參照GenBank中普通牛MEF2A基因cDNA序列(NM_001083638.2),采用Primer 5.0軟件設(shè)計(jì)特異性引物(表1),經(jīng)NCBI Primer-Blast程序檢測后,將擴(kuò)增引物交由英濰捷基(上海)生物技術(shù)有限公司合成。
表1 牦牛MEF2A基因的引物Table 1 Primer of MEF2A gene in yak
1.3.3 PCR擴(kuò)增 PCR總反應(yīng)體系為25 μL:上下游引物各1 μL、Taq Green PCR Master Mix(2×, 1.25 mL) 12.5 μL、ddH2O 9.5 μL、DNA模板1 μL。PCR反應(yīng)條件:94 ℃預(yù)變性3 min;95 ℃變性30 s,56.2 ℃退火30 s,72 ℃延伸2 min,循環(huán)35次;72 ℃延伸8 min,4 ℃保存。PCR產(chǎn)物用1.5%瓊脂糖凝膠電泳檢測,利用DNA純化試劑盒純化回收PCR產(chǎn)物,4 ℃保存?zhèn)溆谩?/p>
1.3.4 目的片段TA克隆與鑒定 回收純化后的PCR產(chǎn)物在16 ℃與pMD19-T載體過夜連接,將連接產(chǎn)物轉(zhuǎn)化至DH5α感受態(tài)細(xì)胞,篩選陽性克隆,送成都擎科梓熙生物技術(shù)有限公司測序。
1.3.5 生物信息學(xué)分析 使用NCBI中ORF Finder程序?qū)︻悶觚R牦牛MEF2A基因進(jìn)行開放閱讀框分析,利用DNAStar軟件分析堿基組成。運(yùn)用SOPMA、PHYREZ、Raswin等在線軟件預(yù)測MEF2A基因二級(jí)、三級(jí)結(jié)構(gòu)。利用TMHMM Server v.2.0、NetPhos 3.1 Server等軟件分析MEF2A基因的跨膜區(qū)、磷酸位點(diǎn),PSORT Prediction在線軟件對亞細(xì)胞定位進(jìn)行預(yù)測和分析;利用MegAlign和MEGA 6.0軟件進(jìn)行同源性比對和系統(tǒng)進(jìn)化樹構(gòu)建。
1.3.6 實(shí)時(shí)熒光定量PCR(Real-time PCR) 根據(jù)GenBank中β-actincDNA序列設(shè)計(jì)特異性引物,并以克隆所得MEF2A基因序列設(shè)計(jì)后續(xù)定量引物。qRT-PCR反應(yīng)體系(10 μL):上、下游引物各0.4 μL,模板cDNA 0.8 μL(將反轉(zhuǎn)錄后的cDNA稀釋3~5倍使用),2×SuperReal Pre-Mix Plus(SYBR Green) 5 μL,RNAase-Free ddH2O 3.4 μL。PCR擴(kuò)增程序:Segment1:95 ℃ 30 s;Segment2:95 ℃ 5 s;60 ℃ 20 s,39個(gè)循環(huán)。溶解曲線由BIORED熒光定量PCR儀自帶程序繪制。采用2-ΔΔCt法對MEF2A基因mRNA表達(dá)水平進(jìn)行相對定量分析。
類烏齊牦牛肝臟組織總RNA經(jīng)1.5%瓊脂糖凝膠電泳檢測,存在5S、18S、28S條帶(圖1),說明RNA的完整性良好,滿足后續(xù)試驗(yàn)需要。
經(jīng)檢測MEF2A基因PCR擴(kuò)增產(chǎn)物長1 882 bp,目的條帶單一、明亮,片段大小與預(yù)期結(jié)果一致(圖2)。篩選陽性菌液進(jìn)行測序,經(jīng)Blast比對分析,類烏齊牦牛MEF2A基因序列與普通牛MEF2A基因序列同源性達(dá)99%。
應(yīng)用NCBI中ORF Finder程序分析牦牛MEF2A基因序列,包括5個(gè)開放閱讀框,根據(jù)Kozak法則,獲得長1 469 bp ORF,起始密碼子ATG位于269 bp處,終止密碼子TAA位于1 738 bp處,由此得出牦牛MEF2A基因CDS區(qū)全長1 469 bp,其堿基組成分別為A (27.41%)、T(21.29%)、G(23.40%)、C(27.89%),其中(G+C)略高于(A+T),共編碼489個(gè)氨基酸(圖3)。
利用ProtParam與Proteam軟件預(yù)測牦牛MEF2A蛋白的理化性質(zhì),可知牦牛MEF2A蛋白分子式為C2263H3601N647O742S20,分子量為52 385.58,總原子數(shù)為7 273,理論等電點(diǎn)(pI)為6.27,該蛋白屬酸性蛋白質(zhì)。氨基酸中Ser(13.9%)、Pro(11.7%)的含量較高,極性氨基酸占41%,疏水性氨基酸占39.9%,酸性氨基酸占9.0%,堿性氨基酸占10.0%(表2)。消光系數(shù)(γ=280 nm/( mol·cm) )為27 515,不穩(wěn)定指數(shù)60.68,表明該蛋白質(zhì)為不穩(wěn)定蛋白。脂溶系數(shù)64.60,親水性平均值為-0.604,故此蛋白為親水性蛋白。
表2 牦牛MEF2A基因編碼蛋白氨基酸組成Table 2 The composition of amino acid coded byyak MEF2A gene
運(yùn)用ExPASy-ProtScale在線分析軟件預(yù)測牦牛MEF2A基因編碼蛋白的親水性/疏水性(圖4),第30位Cys疏水性最強(qiáng)(Max=2.162),第66位Glu親水性最強(qiáng)(Min=-2.608),MEF2A含有較強(qiáng)的親水區(qū)域,屬于可溶性蛋白。
使用TMHMM Server v.2.0軟件對MEF2A蛋白進(jìn)行跨膜區(qū)分析,結(jié)果顯示MEF2A蛋白包含489個(gè)氨基酸,其氨基酸均位于細(xì)胞膜表面,未發(fā)現(xiàn)跨膜螺旋區(qū)(圖5),這與該蛋白質(zhì)親水性區(qū)域的分析結(jié)果基本一致。
蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)主要是指多肽鏈主鏈骨架中局部的構(gòu)象,對其進(jìn)行預(yù)測分析可以有效認(rèn)識(shí)蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)[10]。使用SOPMA 在線軟件預(yù)測牦牛MEF2A蛋白的二級(jí)結(jié)構(gòu),結(jié)果表明,牦牛MEF2A蛋白分別由63.83%無規(guī)則卷曲、21.06%α-螺旋、10.84%延長鏈和3.27%β-轉(zhuǎn)角構(gòu)成。用SWISS-MODEL在線軟件對牦牛MEF2A進(jìn)行同源建模,得到三級(jí)結(jié)構(gòu)模型(圖6),發(fā)現(xiàn)其主要由無規(guī)卷曲、 螺旋和延長鏈在空間上折疊形成,與二級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測結(jié)果基本一致。
利用PSORT II Prediction軟件對牦牛MEF2A基因的亞細(xì)胞定位進(jìn)行預(yù)測分析。結(jié)果顯示,MEF2A基因在細(xì)胞核、細(xì)胞質(zhì)、線粒體、分泌系統(tǒng)囊泡中的分布比例分別為52.2%、26.1%、17.4%和4.3%,在細(xì)胞核中的分布最多。利用Psipred的FFpred預(yù)測蛋白質(zhì)功能,結(jié)果見圖7,發(fā)現(xiàn)該蛋白主要富集在分子功能(Molecular Function,MF)、生物學(xué)過程(Biological Process,BP)和細(xì)胞組成(Cell Component,CC)3個(gè)部分;在生物學(xué)過程方面主要參與轉(zhuǎn)錄、調(diào)節(jié)基因表達(dá)、高分子生物合成過成、氮化合物代謝過程、以及RNA合成過程;分子功能方面則主要在調(diào)節(jié)區(qū)DNA結(jié)合、RNA聚合酶II調(diào)節(jié)區(qū)的DNA結(jié)合以及細(xì)胞骨架蛋白、微管蛋白、肌動(dòng)蛋白結(jié)合方面發(fā)揮調(diào)控作用。
運(yùn)用NetPhos 3.1 Server在線分析軟件對牦牛MEF2A基因編碼蛋白的磷酸化位點(diǎn)進(jìn)行預(yù)測,結(jié)果顯示該基因編碼蛋白共含有71處磷酸化位點(diǎn)(圖8)。其中包含絲氨酸(serine)磷酸化位點(diǎn)48處,蘇氨酸(Threonine)磷酸化位點(diǎn)17處,酪氨酸(Tyrosine)磷酸化6處。
利用MegAlign軟件對普通牛、家貓、家犬、綿羊、小鼠、金錢豹、寬吻海豚、抹香鯨、美洲野牛、白犀、馬、東北虎、猴13個(gè)物種的MEF2A基因CDS區(qū)編碼氨基酸序列進(jìn)行Clustal W比對,結(jié)果見表3。通過Mega 6.0軟件中NJ法構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹,其中美洲野牛和小鼠聚為一類,牦牛與普通牛、綿羊聚為一類,且氨基酸序列同源性較高,親緣關(guān)系較為接近,與金錢豹、東北虎的親緣關(guān)系稍遠(yuǎn),符合進(jìn)化規(guī)律(圖9)。
對牦牛MEF2A基因的臀肌、心臟、肝臟、肺臟進(jìn)行實(shí)時(shí)熒光定量分析。結(jié)果表明,MEF2A基因在臀肌組織中的表達(dá)量最高,為2.500±0.405,其次是心臟(1.461±0.010)和肝臟(0.801±0.357),肺臟最低(0.452±0.158),不同組織表達(dá)量差異顯著(P<0.05)。
MEF2A基因又稱為MEF2因子,屬于MADS超家族成員之一,存在于所有真核生物中。MEF2A基因在神經(jīng)元、心肌細(xì)胞、免疫細(xì)胞、血管平滑肌細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞等多種特殊細(xì)胞類型中具有重要調(diào)控作用[10]。Zhu等[11]利用神經(jīng)干細(xì)胞研究了轉(zhuǎn)錄因子MEF2A在體外神經(jīng)元分化和發(fā)育中的作用,發(fā)現(xiàn)MEF2A存在于未分化的神經(jīng)干細(xì)胞中,且分化后在神經(jīng)元子集中的表達(dá)水平明顯高于非神經(jīng)元細(xì)胞,證明MEF2A與神經(jīng)干細(xì)胞的分化和成熟有關(guān)。Meyer等[12]通過轉(zhuǎn)錄因子MEF2A改變下丘腦神經(jīng)元形態(tài),OTR-MAPK-MEF-2A通路在下丘腦神經(jīng)元的形態(tài)學(xué)改變中起關(guān)鍵作用。Foroughmand等[13]研究顯示MEF2A基因多態(tài)性與冠心病(CAD)病因顯著相關(guān)。劉本榮等[14]認(rèn)為,轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)(TFBS)受到MEF2A啟動(dòng)子區(qū)SNPs的影響,其轉(zhuǎn)錄活性具有差異性,啟動(dòng)子的純合度與CAD易感性呈正相關(guān)。此外,在畜禽育種方面,MEF2A基因被認(rèn)為是影響屠宰性狀與生長發(fā)育的候選基因。易恒潔等[15]揭示了MEF2A基因多態(tài)性與三穗鴨屠體性狀的相關(guān)性。祁艷霞等[16]研究發(fā)現(xiàn),在南陽黃牛肌肉發(fā)育過程中,MEF2A基因在3月齡時(shí)表達(dá)量最低,在12月齡和18月齡時(shí)表達(dá)量顯著升高,隨后表達(dá)量下降。彭邦星等[17]對興義鴨的研究則闡明了MEF2A基因功能和結(jié)構(gòu)對其遺傳效應(yīng)的影響。
表3 牦牛與其它物種MEF2A基因的序列同源性比對Table 3 Sequence homologies alignment of yak and other species for MEF2A gene
圖9MEF2A基因的系統(tǒng)進(jìn)化樹
Fig.9 The phylogenetic tree ofMEF2AGene
目前,已有鼠、黃牛、豬、羊、鴨等物種MEF2A基因的研究報(bào)道,而關(guān)于牦牛MEF2A基因的研究卻鮮有報(bào)道。本研究采用RT-PCR技術(shù)結(jié)合生物信息學(xué)分析方法,成功獲得牦牛MEF2A基因CDS區(qū)核苷酸序列,全長1 469 bp,共編碼489個(gè)氨基酸,這與陳付英等[18]對黃牛MEF2A基因CDS區(qū)克隆結(jié)果相似,且發(fā)現(xiàn)MEF2A基因長度和編碼氨基酸殘基數(shù)與普通牛、綿羊相似,與個(gè)別物種如家犬、馬、家貓等略有不同。MEF2A基因第4位堿基G為偏好堿基,其翻譯起始位點(diǎn)遵循Kozak規(guī)則,這表明MEF2A基因具有較高翻譯效率。對類烏齊牦牛MEF2A基因編碼蛋白的理化性質(zhì)分析發(fā)現(xiàn),絲氨酸和脯氨酸占比最大。作為一種非必需氨基酸,絲氨酸在對細(xì)胞膜的加工、肌肉組織和包圍神經(jīng)細(xì)胞鞘的合成中均發(fā)揮作用[19],這與MEF2A基因參與細(xì)胞大分子生物合成的功能預(yù)測結(jié)果相一致。MEF2A蛋白的二級(jí)結(jié)構(gòu)和三級(jí)結(jié)構(gòu)在空間結(jié)構(gòu)上主要由無規(guī)則卷曲、 螺旋和延長鏈盤旋折疊而成,其中無規(guī)則卷曲占63.83%。作為構(gòu)成蛋白質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)的重要元素之一,無規(guī)則卷曲受側(cè)鏈相互作用的影響較大,常參與構(gòu)成酶活性部位和其它蛋白質(zhì)特異功能部位,如在很多鈣結(jié)合蛋白中能夠與鈣離子EF手型結(jié)構(gòu)的中央環(huán)結(jié)合[20]。蛋白質(zhì)功能預(yù)測表明MEF2A基因在細(xì)胞內(nèi)部能夠調(diào)節(jié)肌動(dòng)蛋白結(jié)合過程,這間接勢必會(huì)造成細(xì)胞骨架的分布狀態(tài)發(fā)生變化,推測這可能與該蛋白結(jié)構(gòu)中高比例的無規(guī)則卷曲相關(guān)。蛋白質(zhì)磷酸化是調(diào)節(jié)和控制蛋白質(zhì)活力與功能的重要調(diào)控機(jī)制,大多發(fā)生在絲氨酸(serine, S),蘇氨酸(threonine, T)或酪氨酸(tyrosine, Y)三個(gè)殘基上[21]。MEF2A蛋白共含有71處磷酸化位點(diǎn),其中serine磷酸化位點(diǎn)為48處,這表明MEF2A蛋白在蛋白激酶的催化下,能夠轉(zhuǎn)移更多ATP或CTP磷酸基團(tuán)到底物蛋白氨基酸殘基,促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)部信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子表達(dá)。Chen等[22]研究顯示,蛋白激酶B2(AKT2)能夠通過EndoG-MEF2A信號(hào)誘導(dǎo)心肌細(xì)胞的體積減小,其缺乏會(huì)造成心肌細(xì)胞發(fā)育遲緩,并認(rèn)為MEF2A需要與跟信號(hào)應(yīng)答相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子協(xié)同作用才能激活肌肉進(jìn)行表達(dá),這與本研究中對磷酸化位點(diǎn)進(jìn)行分析所得出的結(jié)果相吻合。
亞細(xì)胞定位結(jié)果顯示,該基因主要分布于細(xì)胞核、細(xì)胞質(zhì)、線粒體以及分泌系統(tǒng)的囊泡中,且在細(xì)胞核中占比最高。細(xì)胞核是遺傳信息的儲(chǔ)存場所,DNA對轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)需要依靠轉(zhuǎn)錄因子和RNA聚合酶。功能預(yù)測表明,MEF2A蛋白在生物學(xué)過程中參與轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)與DNA模板化,能夠影響RNA聚合酶II調(diào)節(jié)區(qū)的DNA結(jié)合,這在Silva等[23]研究中有所涉及,但并未揭示其詳細(xì)的調(diào)控機(jī)制。同源性能直觀反映出物種間親緣關(guān)系的親疏性。從牦牛與普通牛、家貓、家犬、綿羊、小鼠、金錢豹等13個(gè)物種的氨基酸序列同源性比對可知,不同物種間氨基酸親緣關(guān)系較接近,而利用MEF2A氨基酸序列構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹與動(dòng)物分類觀點(diǎn)相一致,表明MEF2A基因在漫長的物種進(jìn)化過程中高度保守。
在肌肉發(fā)育過程中,MEF2基因家族成員表達(dá)具有組織特異性和發(fā)育時(shí)空性[24]。牦牛MEF2A基因的組織表達(dá)結(jié)果顯示,MEF2A基因在牦牛臀肌中表達(dá)量最高,其次是心臟,在肝臟和肺臟中亦有較低的表達(dá)量。這與李善高等[25]在正常大鼠肝臟組織中得到的結(jié)果一致。高等動(dòng)物個(gè)體運(yùn)動(dòng)主要依賴于骨骼肌的收縮。肌球蛋白作為肌細(xì)胞的重要組成部分,是細(xì)胞骨架中微絲(又稱肌動(dòng)蛋白絲)的主要結(jié)構(gòu),在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中能夠形成細(xì)胞的收縮性結(jié)構(gòu)。MEF2A基因作為肌生成過程中的重要轉(zhuǎn)錄因子,能夠參與激活骨骼肌的修復(fù)再生[26]。馮劍等[27]通過對骨骼肌損傷修復(fù)過程中參與骨骼肌損傷后再生的生長因子進(jìn)行歸納,揭示了骨骼肌生長因子、肌球蛋白重鏈及膠原在骨骼肌損傷修復(fù)中的作用。由此推測,MEF2A在非肌肉組織中的微量表達(dá)可能與細(xì)胞骨架中微絲的生成有關(guān),但是具體的生命活動(dòng)過程尚處未知。
本研究通過RT-PCR技術(shù)及生物信息學(xué)分析方法克隆分析類烏齊牦牛MEF2A基因CDS區(qū)序列,并采用實(shí)時(shí)熒光定量PCR進(jìn)行組織定量分析,發(fā)現(xiàn)牦牛MEF2A蛋白由489個(gè)氨基酸組成,屬于親水性蛋白,且沒有跨膜結(jié)構(gòu),主要存在于細(xì)胞核中;該基因在臀肌中的表達(dá)量較高,說明該基因與牦牛肌肉代謝有關(guān)。研究結(jié)果為進(jìn)一步改善牦牛肉質(zhì)和優(yōu)質(zhì)育種,探究MEF2A基因的生物學(xué)功能奠定初步的理論基礎(chǔ)。