張蕾 任嵩 楊嫻婧 孫杰 廖和榮
摘要:本研究旨在挖掘玫瑰冠雞與科寶雞胚胎期胸肌組織中差異表達基因,探討2種雞肌肉發(fā)育及肌內脂肪(IMF)沉積的分子遺傳機理。本研究利用RNA-Seq技術對玫瑰冠雞和科寶雞胚胎期胸肌組織中差異表達基因(Differentially expressed genes, DEGs)進行篩選,通過GO富集和KEGG數據庫對DEGs的功能進行注釋與分析。結果顯示:4個文庫共鑒定到4 643個差異表達基因,其中玫瑰冠公雞胸肌和科寶公雞胸肌中有1 909個顯著表達的基因,以科寶雞為參照,929個上調,980個下調;玫瑰冠母雞胸肌和科寶母雞胸肌中有2 734個顯著表達的基因,其中1 444個上調,1 290個下調。經熒光定量PCR驗證,選取的12個差異基因的表達趨勢與測序結果一致。GO富集結果表明,MYL2調控骨骼肌的生長發(fā)育,MYOG參與肌細胞的形成與分化;ACACA、ACOX2和ACOX3參與脂肪酸代謝過程;Notch1參與了胚胎發(fā)育及脂肪分化相關過程。此外,KEGG通路分析結果顯示,能量代謝相關的信號通路(mTOR)與肌肉發(fā)育相關的信號通路相互作用影響肌纖維的發(fā)育。細胞連接相關通路(局部粘附、ECM-受體互作)參與了肌肉脂肪代謝過程。本研究結果為進一步解析雞優(yōu)質肉質性狀相關的遺傳機制奠定了基礎。
關鍵詞:玫瑰冠雞;科寶雞;胚胎期;胸肌;差異表達基因;RNA-Seq
中圖分類號:S831.2文獻標識碼:A文章編號:1000-4440(2020)05-1237-10
Abstract:This study aimed to identify differentially expressed genes (DEGs) in the embryonic breast muscle tissue of Rose-crowned chicken and Cobb broilers, and to explore the molecular genetic mechanism in muscle development and intramuscular fat (IMF) deposition. RNA-Seq technology was used to screen differentially expressed genes in the embryonic breast muscle tissues of Rose-crowned chicken and Cobb broilers. GO enrichment and KEGG database were used to annotate the functions of DEGs. The results showed that a total of 4 643 differentially expressed genes were identified in the four libraries. Among them, 1 909? genes were significantly expressed in the breast muscle of Rose-crowned cocks and Cobb cocks. Taking Cobb broilers as reference, 929 genes were up-regulated and 980 genes were down-regulated. There were 2 734 significantly expressed genes in the breast muscle of Rose-crouned henes and Cobb hens, 1 444 genes were up-regulated and 1 290 genes were down-regulated. The results of real-time PCR indicated that the expression trend of 12 differential genes was consistent with the sequencing results. Go enrichment analysis results showed that MYL2 regulated the growth and development of skeletal muscle. MYOG was involved in the formation and differentiation of muscle cells. ACACA, ACOX2 and ACOX3 were involved in the fatty acid metabolism. Notch1 was involved in embryo development and adipogenesis-related processes. In addition, KEGG pathway analysis results indicated that the interaction between the energy metabolism-related signaling pathway (mTOR) and muscle development-related signaling pathways affected the development of muscle fibers. Cell junction-related pathways (focal adhesion, ECM-receptor interaction) were involved in IMF metabolism. The results of this study lay the foundation for further analysis of genetic mechanisms associated with high-quality meat quality traits in chickens.
Key words:Rose-crowned chicken;Cobb broilers;embryonic period;breast muscle;differentially expressed genes;RNA-Seq
雞是具有重要經濟意義的食用動物,同時廣泛用作胚胎發(fā)育研究的模式動物。肌肉中的肌纖維直徑和橫截面積與肉品質呈負相關,肌纖維密度與肉品質呈正相關,而肌內脂肪(IMF)含量影響雞肉的風味、多汁性和嫩度[1-3]。肌肉的發(fā)育取決于肌細胞的發(fā)生,在某種程度上還取決于脂肪的形成[4]。肌肉質量和肌內脂肪含量均由細胞數量和單位細胞大小決定,胚胎期是肌肉和脂肪組織發(fā)育的關鍵時期,而肌肉中肌纖維和脂肪細胞的數目在胚胎期及發(fā)育早期就被確定,在生長后期僅表現為細胞的增大和質量的增加[5-6]。有研究結果表明,在雞胚胎發(fā)育的7~10 d,脂肪細胞成脂標志基因PPARα表達水平逐漸增加,此時肌內脂肪快速沉積[7]。Pax基因家族與肌纖維生長發(fā)育密切相關,廖菁等[8]研究發(fā)現Pax-3在胸肌中的表達高峰期出現在胚胎期 8~20? d,此后迅速下降并保持穩(wěn)定。本課題組前期研究結果表明,玫瑰冠雞與科寶雞腿肌均在7胚齡開始出現脂肪沉積,胸肌則在8胚齡開始出現脂肪沉積[9]。也有研究結果表明胚胎期肌肉發(fā)育和肌內脂肪沉積對出雛后家禽產肉量和肉品質具有決定性作用[10]。Velleman研究發(fā)現火雞在25胚齡時胸肌肌纖維已存在品種和性別的差異,表明胚胎期肌纖維發(fā)育對出生后肌肉發(fā)育潛力有極大影響[11]。Charrin等研究了麻鴨1~98 d IMF的沉積規(guī)律,發(fā)現第1 d胸肌組織中總脂肪含量較高,表明胚胎期脂肪沉積對早期階段的生長和能量需求是必要的[12]。
玫瑰冠雞具有地方雞種良好的肉品質及獨特的風味,其桑葚狀冠型巨大鮮艷,肉質細嫩,香氣濃郁,極具食用和觀賞價值[13],科寶雞具有生長速度快、飼料轉化率高、屠宰率高等優(yōu)點,尤其是其胸肌肌肉產量,在28 d后可達到活體質量的20%以上,但兩者在生長速度、肌肉品質等方面存在顯著差異 [14]。因此,這2個品種是研究雞肌肉生長發(fā)育及肉品質遺傳機理的理想動物模型。
雞胚胎期肌肉發(fā)育及脂肪形成受多種基因的影響和調控,但其潛在的分子機制仍不明確。本研究采用RNA-Seq技術挖掘和篩選影響玫瑰冠雞、科寶雞胚胎期肌肉發(fā)育及脂肪形成的候選基因和信號通路,以期為闡明雞肉品質性狀差異的遺傳機理奠定基礎。
1材料與方法
1.1樣品采集
玫瑰冠雞種蛋由石河子大學動物科技學院實驗站提供,科寶雞種蛋由新疆泰昆種雞場提供。所有種蛋均按常規(guī)程序進行孵化,胚胎期第8 d分別采集玫瑰冠雞(M)、科寶雞(K)的胸肌組織(X),置于Trizol試劑中,并迅速放入液氮中保存。將采集的樣品分為4組:玫瑰冠公雞(MGX)、科寶公雞(KGX)、玫瑰冠母雞(MMX)、科寶母雞(KMX),每組3個生物學重復。
1.2RNA提取、轉錄組文庫構建與測序
使用Trizol法提取玫瑰冠雞和科寶雞胸肌組織的總RNA,接著采用1%的瓊脂糖凝膠電泳,然后納米分光光度計、Qubit和Bioanalyzer 2 100分別檢測RNA的質量、濃度以及完整性。樣品檢測合格后,使用NEBNext UltraTM Directional RNA Library Prep Kit構建文庫。最后,使用Agilent Bioanalyzer 2100對文庫質量進行評估,庫檢驗合格后,使用Illumina Hiseq 4000平臺對文庫進行RNA-Seq。
1.3測序數據處理與分析
原始序列(Raw reads)中去除低質量、帶接頭的序列,獲得高質量序列(Clean reads),同時計算Clean reads的Q20、Q30(分別表示 Phred 數值大于20、30的堿基占總堿基的百分比)和C+G含量。使用Bowti2和 HISAT2 將過濾后的序列定位到雞的參考基因組(http://asia.ensembl.org/Gallus_gallus/Info/Index)上,比對過程中不容許錯配,后續(xù)分析都基于比對結果進行。
1.4SNP及可變性剪切分析
通過Samtools和Picard-tools等工具對比對結果進行染色體坐標排序、序列去重復等處理,然后通過變異檢測軟件GATK2統(tǒng)計每個樣品的單核苷酸多態(tài)性位點(SNP)和插入缺失突變(Indel)。使用rMATS (http://rnaseq-mats.sourceforge.net/index.html)對樣品中的可變剪切事件(外顯子跳躍、第一個外顯子可變剪切、最后一個外顯子可變剪切、外顯子選擇性跳躍、內含子滯留)進行分類和差異分析。
1.5差異表達基因分析
使用Cuffdiff (http://cole-trapnell-lab.github.io/cufflinks/cuffdiff/index.html)軟件進行定量分析,以FPKM(Fragments per Kilobase Million)來表示基因的表達量。通過計算皮爾遜相關系數(Pearson product-moment correlation coefficient)評估品種內重復樣品的相關性。以差異倍數值(Fold change)及P<0.05進行差異基因篩選。
1.6差異表達基因GO和KEGG分析
基于非中心超幾何分布算法,采用GOseq 對差異表達基因進行GO注釋。采用Kobas 2.0(http://kobas.cbi.pku.edu.cn/help.do)找出差異基因參與的顯著性富集的通路。GO注釋及KEGG通路分析均以P<0.05為差異顯著判斷標準。
1.7測序結果的實時熒光定量PCR驗證
隨機挑選了12個差異表達基因進行熒光定量PCR,使用primer5設計特異性引物,選擇U6作為相對定量的內參基因,委托上海生工生物工程有限公司合成,引物信息見表1。反應體系(20 μl):染料10 μl,ddH2O 7 μl,上下游引物各1 μl,cDNA 1 μl。反應條件:95 ℃預變性5 min;95 ℃變性10 s,最佳退火溫度20 s,72 ℃延伸10 s,共45個循環(huán);95 ℃ 5 s,65 ℃ 1 min,97 ℃ 1 s 。使用2 -△△Ct法對基因的表達量進行標準化計算。差異性分析使用SPSS 22軟件,以P<0.05為差異顯著判斷標準。
2結果與分析
2.1測序數據質量
測序結果顯示,每個樣品產出的原始序列數量均在91 374 036以上,所得高質量的序列所占比例均在95.27%以上。Q20和Q30是衡量測序準確率的一個重要指標,Q20的含量均在96.9%以上,Q30的含量均在92.11%以上,所有樣品中G+C含量集中分布在45.25%~52.02%。Total mapped是比對到參考基因組的高質量序列的數量,所有樣品比對到雞基因組上的高質量序列數量均在92.62%以上,統(tǒng)計結果見表2。
2.2SNP及其可變剪接
所有樣品中檢測到的SNP數量為993 778~1 619 033個,從理論上來看,每一個SNP 位點都可以有4 種不同的變異形式,但實際上發(fā)生的只有2種,即轉換和顛換,二者之比為1∶2。SNP在CG序列上出現最為頻繁,而且多是C轉換為T。所有樣品中發(fā)生插入缺失突變事件的數目為84 008~138 470個,且均位于染色體上。
由圖1可知,2個比較組合中均包含了5類可變剪切事件,且2種方法檢測的結果相似,均是外顯子跳躍(SE)和外顯子選擇性跳躍(MXE)最多。
2.3差異表達基因
Pearson相關分析結果表明,樣本間相關系數均在0.902以上(圖2),相關性高,說明樣品表達模式相似度高。通過與參考基因組序列進行比對,4個文庫共鑒定到4 643個差異表達基因,其中,玫瑰冠公雞胸肌和科寶公雞胸肌中有1 909個顯著表達基因,以科寶雞為參照,其中929個上調,980個下調(圖3A);玫瑰冠母雞胸肌和科寶母雞胸肌中有2 734個顯著表達基因,其中1 444個上調,1 290個下調(圖3B)。通過對差異表達基因分析,其中有367個基因在4個文庫中共表達(圖4A),對其進行聚類分析,顯示玫瑰冠雞與科寶雞表達的基因分別聚類到2個不同的類群,表明2個品種雞表達的基因存在一定的差別(圖4B)。
2.4差異表達基因GO富集
利用GOseq對兩品種雞胸肌組織中差異表達基因進行富集分析,結果顯示在玫瑰冠公雞胸肌和科寶公雞胸肌中共顯著(P<0.05)富集到1 016個GO條目,包括675個生物過程 (Biological process, BP),171個細胞組分 (Cellular component, CC)和170個分子功能 (Molecular function, MF)。在玫瑰冠母雞胸肌和科寶母雞胸肌中共顯著(P<0.05)富集到813個GO條目,包括498個BP,185個CC和128個MF。主要涉及到生物代謝過程、細胞組分、生物合成過程、細胞增殖和分化及骨骼肌發(fā)育等過程的調控,其中顯著富集到脂肪酸代謝過程的差異表達基因包括ACOX2、ACOX3、ACSL1、ACACA等;MSC、SIX1、MYOG、MYL2、MYF6等被顯著富集到骨骼肌發(fā)育相關的生物學過程中;TWIST1、NOTCH1、WNT3等差異表達基因被顯著富集到胚胎發(fā)育相關的生物學過程中(表3)。這些差異表達基因在兩品種雞胚胎期細胞的增殖分化、肌肉發(fā)育及脂肪形成過程中存在一定差異,是造成雞肉品質性狀差異的重要影響因素。
2.5差異表達基因的KEGG通路
在 GO 注釋分類的基礎上,對差異表達基因進行通路顯著性富集分析,KEGG通路分析是可以更清楚地了解基因間相互作用,共同行使生物學功能的途徑。結果顯示,玫瑰冠公雞胸肌和科寶公雞胸肌中差異表達基因顯著富集到10條信號通路,包括ECM-受體互作、核糖體、mTOR信號通路、 RNA降解、RNA轉運和mRNA監(jiān)測途徑等。玫瑰冠母雞胸肌和科寶母雞胸肌中差異表達基因顯著富集到11個信號通路,包括核糖體、碳代謝、氧化磷酸化、RNA轉運和mRNA監(jiān)測途徑等。KEGG富集結果與GO富集結果相似(圖5),這些差異表達基因顯著富集的信號通路多與細胞器、RNA加工和修飾及細胞的生物學過程相關。
2.6實時熒光定量PCR驗證結果
選取12個差異表達基因進行熒光定量PCR,結果顯示,差異表達基因熒光定量結果與RNA-Seq結果的差異倍數存在偏差,但兩者在上調和下調的表達趨勢相同(圖6),表明RNA-Seq所得數據較為準確,可進行后續(xù)分析。
3討論
RNA-Seq轉錄組學研究方法,可用于快速生長肉雞與優(yōu)質肉雞在肉質性狀基因差異表達、調控等方面的研究。Zhang等[15]對固始雞肌內脂肪細胞和腹部脂肪細胞進行了轉錄組測序,分別獲得了4 403和4 693個差異基因,并顯著富集到PPAR、ECM-受體相互作用、局部粘附及Ca2+等信號通路。束婧婷[16]等利用基因芯片技術對清遠麻雞和科寶肉雞的比目魚肌進行分析,篩選到20個可能影響肌纖維生長發(fā)育及分化的候選基因。本試驗采取玫瑰冠雞和科寶雞胚胎期第8 d的胸肌組織,使用RNA-Seq技術探討了2個品種的雞胸肌組織在轉錄組水平上的差異,篩選到多個差異表達基因,并被富集到骨骼肌發(fā)育、脂肪酸代謝過程、細胞增殖和分化等過程中,這些差異表達基因可能在胚胎期的發(fā)育過程中發(fā)揮關鍵作用。
肌肉發(fā)育過程中,大量基因的特異性表達形成了復雜的調控網絡和信號轉導通路。本研究篩選到部分與肌肉發(fā)育相關的差異表達基因 ,其中快肌肌球蛋白輕鏈2基因(MYL2)在動物心肌和骨骼肌的生長和發(fā)育過程中發(fā)揮重要作用,可能是調節(jié)骨骼肌發(fā)育和影響家畜肉品質的候選基因[17-18]。肌細胞生成素(MYOG)是成肌調節(jié)因子(MRFs)家族的成員之一,在肌肉細胞的形成與分化過程中有重要的調控作用[19-20]。本研究顯著富集到在骨骼肌代謝中發(fā)揮關鍵作用的mTOR信號轉導通路,mTOR是動物生長的重要調控因子,在細胞的增殖、生長和分化過程起到重要的調控作用[21]。研究結果表明,能量代謝相關的信號通路與肌肉發(fā)育相關的信號通路相互作用從而調控肌肉的生長發(fā)育,這與束婧婷等[16]的研究結果相似。
肌內脂肪是決定肉質的重要因素[22-24],它的沉積和分化受到眾多的基因調控。本研究發(fā)現大量的差異表達基因參與了 PPAR 信號轉導通路,如乙酰輔酶A羧化酶(ACACA)基因通過促進脂肪酸生物合成在脂質代謝中發(fā)揮重要作用[25]。脂酰輔酶A氧化酶2(ACOX2)基因催化支鏈、長鏈脂肪酸和膽汁酸的前體分子,并參與脂肪酸代謝、脂蛋白代謝和膽汁酸合成以及過氧化物脂類代謝等過程。脂酰輔酶A氧化酶3(ACOX3)基因則催化2-甲基支鏈脂肪酸脫氫氧化生成烯脂酰輔酶A和降植烷酸,它們對脂肪酸氧化均具有正調節(jié)作用[26-27]。此外,有研究結果表明,Notch1在成脂過程中表達量持續(xù)降低,在成熟脂肪細胞分化末期的表達量顯著低于分化前[28],表明Notch1可能抑制脂肪細胞的分化。GO富集結果表明,Notch1基因被顯著注釋到多個與胚胎發(fā)育相關的生物學過程中,提示其在胚胎期脂肪分化過程中可能發(fā)揮重要作用。KEGG 通路分析結果表明,雞胚胎期IMF 的沉積不僅受到脂質代謝相關基因和通路的調節(jié),還受到維持組織和細胞信號轉導完整性相關通路(局部粘附、ECM-受體互作)的調節(jié)和介導,這與Cui等[29]的研究結果一致。
綜上所述,本研究采用RNA-Seq技術挖掘了玫瑰冠雞與科寶雞胚胎期胸肌組織中大量差異表達的基因,其中MYL2調控骨骼肌的生長發(fā)育,MYOG參與肌細胞的形成與分化;ACACA、ACOX2和ACOX3參與脂肪酸代謝過程;Notch1可能參與了與胚胎期脂肪分化相關的生物學過程。KEGG分析結果表明,mTOR信號通路與肌肉發(fā)育相關信號通路相互作用從而影響肌纖維的發(fā)育,細胞連接相關通路(局部粘附、ECM-受體互作)參與了 IMF 代謝過程,這些信號通路形成了一個調控網絡,影響雞胚胎期肌肉組織的發(fā)育及脂肪的沉積。本研究初步揭示了影響玫瑰冠雞與科寶雞肌肉發(fā)育和脂肪代謝的差異表達基因及信號通路,為家禽肉品質性狀的改善奠定了基礎。
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(責任編輯:陳海霞)