張 虔,崔 燕,2*,余四九,2,廖 博,鄒勝南,白雪峰,Seth Yaw Afedo,趙鵬飛,龍 敏
(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物醫(yī)學(xué)院,蘭州 730070;2.甘肅省牛羊胚胎工程技術(shù)研究中心,蘭州 730070)
牦牛(Bosgrunniens)是我國青藏高原的特有牛種,長期生活于海拔3 000 m以上高寒、低氧的極度惡劣環(huán)境,擁有“高原之舟”的美譽(yù)[1]。皮膚作為保護(hù)機(jī)體免受外界干擾的第一道防線,在應(yīng)對紫外線照射、物理或化學(xué)損傷及微生物感染等外界挑戰(zhàn)時(shí)發(fā)揮著重要作用[2]。皮膚由表皮、真皮及皮下組織構(gòu)成,在真皮層中含有大量的皮膚附屬物,如毛囊、皮脂腺、汗腺等。毛囊是皮膚中控制毛發(fā)生長的微型器官,毛囊由內(nèi)向外依次由內(nèi)根鞘、外根鞘及結(jié)締組織鞘三部分構(gòu)成。它擁有獨(dú)特的生長周期,在維持體溫等方面發(fā)揮重要的作用[3]。
Findlay和Yang[4]對艾爾郡奶牛頸側(cè)部和背部毛細(xì)血管的組織學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了觀察和測量,發(fā)現(xiàn)毛細(xì)血管的周圍圍繞著兩個(gè)或多個(gè)毛囊群,測得背部毛囊直徑[(0.086±0.030)mm]顯著高于頸側(cè)部[(0.040±0.005)mm]。胡倩倩等[5]對皖東黃牛的毛囊組織學(xué)結(jié)構(gòu)觀察發(fā)現(xiàn),毛球主要呈球形,構(gòu)成毛球的細(xì)胞深染,毛球末端為凹陷的毛乳頭。毛囊由表皮向真皮下陷而成,在真皮層內(nèi)傾斜排布。皖東黃牛毛囊與表皮的傾斜角度約70°,毛囊底部位于乳頭層深部和網(wǎng)狀層內(nèi)。王富金等[6]對延邊黃牛的毛囊結(jié)構(gòu)觀察并進(jìn)行相關(guān)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),延邊黃牛的毛干呈淺黃色,每根毛有一個(gè)毛囊,毛囊密度為1 614.630 2 根·cm-2,且公畜的毛囊密度大于母畜的毛囊密度。牦牛的皮膚結(jié)構(gòu)特性已有大量報(bào)道,岳靜[7]、于川等[8]通過對不同年齡牦牛皮膚23個(gè)部位測量發(fā)現(xiàn),牦牛皮膚的厚度隨年齡的增加而逐漸增厚。楊雪等[9]對牦牛皮膚毛囊周期性結(jié)構(gòu)變化規(guī)律進(jìn)行研究,運(yùn)用Sacpic染色更加具體的展現(xiàn)了生長期、退行期及休止期毛囊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。曹迷霞[10]對成年牦牛的皮脂腺和汗腺結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)成年牦牛的皮膚從背部到腹部存在漸變趨勢,與其他牛類相比,牦牛汗腺和皮脂腺的密度高,但前者的分泌功能不發(fā)達(dá)而后者發(fā)達(dá),這可能與其為了適應(yīng)高原高寒環(huán)境有關(guān)。
TGF-β2是TGF-β(transforming growth factor-β)超家族中的一員,它存在于哺乳動(dòng)物體內(nèi)[11]。據(jù)報(bào)道,TGF-β家族在細(xì)胞增殖[12]、凋亡[13]、分化[14]等方面擁有著重要的作用,且與腫瘤的發(fā)生發(fā)展[15]和纖維化[16]密切相關(guān)。而在毛囊的相關(guān)研究中發(fā)現(xiàn),TGF-β家族成員能夠使毛囊退行期延遲,從而使毛囊周期發(fā)生改變[17]。然而在不同的物種中,TGF-β家族成員中行使動(dòng)能的成員卻不盡相同。在小鼠中TGF-β1發(fā)揮著主要作用[11],TGF-β2則是影響人類毛囊發(fā)生上皮細(xì)胞凋亡[13]。宋亮麗等[18]對TGF-β1、TGF-β2及TGF-β3在牦牛毛囊周期的調(diào)控研究發(fā)現(xiàn),TGF-β2 mRNA在毛囊生長中期、生長晚期和退行期皮膚內(nèi)的轉(zhuǎn)錄水平,顯著高于同時(shí)期皮膚內(nèi)TGF-β1、TGF-β3 mRNA,說明TGF-β2在毛囊周期轉(zhuǎn)換中發(fā)揮重要的作用。
低氧誘導(dǎo)因子(hypoxia-inducible factors,HIFs)家族中的HIF-1α是機(jī)體適應(yīng)低氧環(huán)境的關(guān)鍵調(diào)控因子[19]。1992年,Semenza和Wang[20]在Hep3B細(xì)胞株中發(fā)現(xiàn)HIF-1α是專一調(diào)節(jié)氧氣的HIF-1亞單位,它能夠與靶基因結(jié)合,促進(jìn)其轉(zhuǎn)錄,使機(jī)體產(chǎn)生一系列缺氧適應(yīng)反應(yīng)。在低氧條件下,HIF-1α通過激活許多基因的轉(zhuǎn)錄,如參與能量代謝、血管生成、凋亡等,合成相應(yīng)的蛋白質(zhì)以增加氧的釋放,使機(jī)體適應(yīng)低氧環(huán)境[21]。李勇堅(jiān)等[22]對HIF-1α與 iNOS在銀屑病皮損中的表達(dá)及其與血管生成的關(guān)系研究中發(fā)現(xiàn),銀屑病皮損組織存在HIF-1α和iNOS蛋白的過表達(dá), 可能通過促進(jìn)銀屑病新生血管的生成, 對銀屑病的發(fā)生發(fā)展起重要作用。另有戴葉芹等[23]研究發(fā)現(xiàn),HIF-1α在體外具有促進(jìn)人毛囊生長和增加毛囊成纖維細(xì)胞及真皮鞘細(xì)胞活性。
牦牛作為季節(jié)性發(fā)情動(dòng)物,于7~8月為發(fā)情高峰,在4~5月為繁殖旺季[24]。半歲幼年牦牛多處于高原的冬季,此時(shí)牦牛皮膚的結(jié)構(gòu)完整性是冬季正常生存的重要保障,而關(guān)于幼年牦牛皮膚的組織結(jié)構(gòu)特性鮮見報(bào)道。為探尋幼年牦牛皮膚毛囊結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及毛囊生長的分子調(diào)控機(jī)制,本試驗(yàn)首先采用HE和Sacpic染色法對幼年牦牛皮膚毛囊結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察并對毛囊數(shù)量進(jìn)行計(jì)數(shù),篩選出多毛皮膚和少毛皮膚,其次采用免疫組化、Western blot及qRT-PCR法,對TGF-β2及HIF-1α在幼年牦牛皮膚多毛部位和少毛部位進(jìn)行定位和定量研究。以探究TGF-β2及HIF-1α對幼年牦牛毛囊生長發(fā)育的影響,并為后期探究牦牛皮膚高海拔適應(yīng)性分子調(diào)控機(jī)制提供資料。
從青海西寧樂家灣選取10頭健康幼年牦牛(5~6月齡)。采用頸部放血的方法處死試驗(yàn)動(dòng)物后,采集牦牛頸部、背部、胸部、腹部、小腿部、腋下和陰囊皮膚,一部分組織樣放置于4%的多聚甲醛溶液中固定2周,用于毛囊計(jì)數(shù)和免疫組化;另一部分分子樣迅速放置于液氮中,運(yùn)輸至實(shí)驗(yàn)室放置于-80 ℃ 冰箱中,用于后期qRT-PCR和Western blot試驗(yàn)。
從4%的多聚甲醛固定液中取出皮膚組織,切成0.4 cm×0.4 cm×0.5 cm大小的組織塊,采用常規(guī)石蠟切片包埋,制作4~5 μm厚的連續(xù)切片,采用HE和Sacpic染色法進(jìn)行染色,利用Olympus DP71顯微照相系統(tǒng)進(jìn)行觀察并攝片。
1.2.1 Sacpic染色法 切片脫蠟至水,自來水潤洗后天青石藍(lán)B染液染色5 min,經(jīng)自來水潤洗后,Weigert’s 蘇木精染液染色5 min,自來水潤洗后返藍(lán)水(0.5 g碳酸氫鈉、5 g硫酸鎂和500 mL蒸餾水充分混勻)返藍(lán)3 min,自來水潤洗后置于沙黃染液中5 min,分別用70%酒精和95%酒精分化,苦味酸乙醇飽和溶液3 min,再用95%酒精和70%酒精分化,自來水潤洗后靛藍(lán)胭脂紅染色1 min,自來水潤洗,最后梯度酒精脫水,二甲苯透明及中性樹膠封片。
1.2.2 實(shí)時(shí)熒光定量PCR 取不同部位皮膚,研磨后置于冰盒上,用TriQuick Reagent法提取總RNA,按照反轉(zhuǎn)錄試劑盒說明書步驟將其反轉(zhuǎn)為cDNA后,進(jìn)行PCR及實(shí)時(shí)熒光定量PCR試驗(yàn)。反應(yīng)體系20 μL。根據(jù)GenBank中黃牛(Bostaurus)TGF-β2、HIF-1α、β-actin基因序列,采用 Primer Premier6.0軟件設(shè)計(jì),并由華大基因合成,qRT-PCR 引物序列和基因序列號(hào)如表1所示。
表1 目的基因和內(nèi)參基因引物序列
1.2.3 Western blot 將采取的幼年牦牛背部、腋下、腹部及陰囊皮膚分別研磨后,各稱取0.1 g于離心管中,每管加入1 mL的RIPA和10 μL PMSF,勻漿1.5 h,4 ℃,12 000×g離心5 min,吸取上清液至新的離心管,用ND-1000(Nano Drop Technologies)測定蛋白濃度后并進(jìn)行調(diào)整。將蛋白與4×SDS-PAGE loading buffer 3∶1的比例混合,沸水浴10 min,將蛋白變性。用等量變性的蛋白上樣并進(jìn)行10%SDS-PAGE電泳,轉(zhuǎn)移至PVDF膜上,用5%脫脂奶粉室溫封閉2 h,一抗孵育(Mouse Anti-TGF-β2,ab-36495,1∶1 000稀釋;Mouse Anti-HIF-1α,ab-16066,1∶1 000稀釋;β-actin,1∶1 000稀釋),4 ℃過夜。用PBST清洗PVDF膜后,二抗孵育(HRP標(biāo)記的鼠二抗,1∶2 500),室溫1 h,用PBST清洗PVDF膜后,ECL化學(xué)發(fā)光液顯色并觀察結(jié)果。條帶結(jié)果用Image J軟件測定各條帶灰度值,從而得出TGF-β2及HIF-1α在幼年牦牛不同皮膚中的相對表達(dá)量。
1.2.4 免疫組織化學(xué)染色 切片脫蠟至水后,放入pH6.0的檸檬酸鹽緩沖液進(jìn)行微波加熱修復(fù),待溶液冷卻至室溫后,用PBS洗3 min×3,3%過氧化氫溶液(來自SP試劑盒)37 ℃ 15 min, 用PBS洗3 min×3,正常山羊血清(來自SP試劑盒),室溫封閉10 min,傾去勿洗,一抗孵育(TGF-β2,ab-36495,1∶1 000稀釋;HIF-1α,ab-16066,1∶1 000稀釋),4 ℃,過夜。復(fù)溫20 min,用PBS洗3 min×3,二抗孵育(SP試劑盒B液),37 ℃ 15 min,用PBS洗3 min×3,三抗孵育(SP試劑盒C液),37 ℃ 15 min,用PBS洗3 min×3,DAB顯色,在顯微鏡下觀察并控制顯色,自來水終止反應(yīng)。蘇木精復(fù)染2 min,鹽酸酒精分化,自來水返藍(lán),梯度酒精脫水,二甲苯透明,中性樹膠封片。
毛囊計(jì)數(shù):組織蠟塊橫切,連續(xù)切片隔3取1,各部位各取40張切片,對毛囊進(jìn)行計(jì)數(shù)。
2.1.1 不同部位皮膚毛囊的結(jié)構(gòu) 幼年牦牛的毛囊主要分布在真皮層,由內(nèi)向外依次由內(nèi)根鞘、外根鞘和結(jié)締組織鞘組成,不同部位的毛囊組織學(xué)結(jié)構(gòu)基本相似,毛囊底部膨大形成毛球(圖1B),頸部(圖1D)、背部(圖1G)、小腿部(圖1H)、腋下(圖1I)和陰囊(圖1 J)皮膚中,大多數(shù)毛干的毛髓質(zhì)及毛囊內(nèi)根鞘結(jié)構(gòu)不完整;腹部(圖1E)和胸部(圖1F)皮膚依然清晰可見毛囊三層結(jié)構(gòu),毛囊處于退行期。Sacpic染色可見毛囊內(nèi)根鞘為紅色,外根鞘為蒼綠色,結(jié)締組織鞘為藍(lán)綠色(圖1C)。
A.腹部皮膚縱切,Sacpic染色,100×;B.背部皮膚縱切,Sacpic染色,100×;C.胸部皮膚縱切,Sacpic染色,100×;D.頸部皮膚縱切,HE染色,100×;E.腹部皮膚橫切,HE染色,100×;F.胸部皮膚縱切,HE染色,100×;G.背部皮膚縱切,HE染色,200×;H.小腿部皮膚橫切,HE染色,200×;I.腋下皮膚縱切,HE染色,100×;J.陰囊皮膚縱切,HE染色,100×;K.陰囊皮膚縱切,HE染色,200×;L.腋下皮膚縱切,HE染色,100×。EP.表皮;DE.真皮;HF.毛囊;IRS.內(nèi)根鞘;ORS.外根鞘;CTS.結(jié)締組織鞘;SWS.汗腺的分泌部;SWD.汗腺的導(dǎo)管部;SEG.皮脂腺
2.1.2 不同部位皮膚毛囊的數(shù)量 幼年牦牛毛囊的數(shù)量從腹部、背部、胸部、小腿部、頸部、腋下及陰囊依次遞減,且部位間差異顯著(P<0.05)(表2)。
表2 幼年牦牛不同部位皮膚毛囊的數(shù)量
采用qRT-PCR對TGF-β2及HIF-1α基因的表達(dá)進(jìn)行定量研究,β-actin(圖2A)、TGF-β2(圖2B)及HIF-1α(圖2C)基因擴(kuò)增產(chǎn)物大小分別為174、98和82 bp,各個(gè)基因的擴(kuò)增產(chǎn)物大小與預(yù)期片段大小相符,引物特異性強(qiáng),可用于后續(xù)qRT-PCR試驗(yàn)。實(shí)時(shí)熒光定量結(jié)果顯示,TGF-β2在陰囊皮膚和腋下皮膚的基因轉(zhuǎn)錄水平顯著高于背部皮膚和腹部皮膚(P<0.05)(圖2D)。HIF-1α在腹部皮膚的基因轉(zhuǎn)錄水平顯著高于其他三個(gè)部位(P<0.05)(圖2E)。
A~C.β-actin、TGF-β2及HIF-1α基因擴(kuò)增產(chǎn)物;D~E:TGF-β2及HIF-1α基因在幼年牦牛不同部位中的表達(dá);M.DNA 相對分子質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn);1.背部;2.腋下;3.腹部;4.陰囊;不同字母表示差異顯著(P<0.05)
2.3.1 TGF-β2在幼年牦牛多毛皮膚和少毛皮膚內(nèi)的蛋白表達(dá)檢測 Western blot結(jié)果顯示,TGF-β2在幼年牦牛多毛皮膚(背部和腹部)及少毛皮膚(腋下和陰囊)中均有表達(dá),在陰囊、腋下、腹部及背部中的表達(dá)依次呈遞減趨勢,且各部位之間差異顯著(P<0.05)(圖3B)。
A.Western blot結(jié)果;B.TGF-β2蛋白的相對表達(dá);不同字母表示差異顯著(P<0.05),相同字母表示差異不顯著(P>0.05)
2.3.2 HIF-1α在幼年牦牛多毛皮膚和少毛皮膚內(nèi)的蛋白表達(dá)檢測 Western blot結(jié)果顯示,TGF-β2在幼年牦牛多毛皮膚(背部和腹部)及少毛皮膚(腋下和陰囊)中均有表達(dá),腹部表達(dá)量顯著高于其他三個(gè)部位(P<0.05)(圖4B)。
A.Western blot結(jié)果;B.HIF-1α蛋白的相對表達(dá);不同字母表示差異顯著(P<0.05),相同字母表示差異不顯著(P>0.05)
免疫組織化學(xué)結(jié)果顯示,TGF-β2在背部皮膚和腋下皮膚呈強(qiáng)陽性表達(dá),而在腹部皮膚和陰囊皮膚呈弱陽性表達(dá)。TGF-β2在皮膚的不同部位表達(dá)相似,主要表達(dá)在表皮層、毛囊外根鞘、皮脂腺及汗腺(圖5A1~D2)。HIF-1α表達(dá)部位基本相似,主要表達(dá)在表皮層、毛囊內(nèi)根鞘、毛囊外根鞘、皮脂腺及汗腺(圖5A3~D4)。
A1.背部皮膚縱切,100×;A2.背部皮膚縱切,400×;A3.背部皮膚縱切,100×;A4.背部皮膚縱切,200×;A5.背部皮膚縱切,陰性對照,400×;B1.腋下皮膚縱切,100×;B2.腋下皮膚縱切,400×;B3.腋下皮膚縱切,100×;B4.腋下皮膚縱切,200×;B5.腋下皮膚縱切,陰性對照,100×;C1.腹部皮膚縱切,200×;C2.腹部皮膚縱切,400×;C3.腹部皮膚縱切,200×;C4.腹部皮膚縱切,400×;C5.腹部皮膚縱切,陰性對照,400×;D1.陰囊皮膚縱切,100×;D2.陰囊皮膚縱切,200×;D3.陰囊皮膚縱切,100×;D4.陰囊皮膚縱切,200×;D5.陰囊皮膚縱切,陰性對照,200×。EP.表皮;HF.毛囊;SW.汗腺;SEG.皮脂腺
本研究發(fā)現(xiàn),幼年牦牛的皮膚毛囊結(jié)構(gòu)松散,毛髓質(zhì)及內(nèi)根鞘結(jié)構(gòu)不完整,毛囊處于退行期,成年牦牛毛囊結(jié)構(gòu)完整,結(jié)締組織鞘和外根鞘較厚[10]。HE染色可以分析皮膚整體組織學(xué)結(jié)構(gòu),但毛囊細(xì)微結(jié)構(gòu)的內(nèi)根鞘、外根鞘和結(jié)締組織鞘難以辨析,而Sacpic染色可以清晰地將牦牛毛囊組織學(xué)結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出來。通過對半歲牦牛的各部位皮膚毛囊計(jì)數(shù),幼年牦牛腹部的毛囊數(shù)量最多,這與成年牦牛頸部毛囊數(shù)量較多的結(jié)果不一致,這可能是由于兩個(gè)部位間皮膚厚度而引起的環(huán)境適應(yīng)性規(guī)律變化。研究發(fā)現(xiàn)幼年時(shí)牦牛的腹部皮膚比頸部皮膚薄,為了抵御嚴(yán)寒的高原環(huán)境,腹部需要有更多的毛發(fā)來減少熱量的散失,當(dāng)發(fā)育為成年牦牛時(shí),牦牛腹部皮膚比頸部皮膚厚,隨著對環(huán)境的適應(yīng),動(dòng)物機(jī)體對自身作出調(diào)整,毛囊數(shù)目減少[8]。本研究也發(fā)現(xiàn)了幼年牦牛的腋下及陰囊部位皮膚中毛囊較為稀疏,導(dǎo)致的原因可能有兩種,一是由于腋下部位深,向內(nèi)凹陷,相對其他部位封閉,容易積聚熱量。二是由于腋下部位是大血管和淋巴管流經(jīng)地,離皮膚近,其內(nèi)熱量易散于此處。陰囊部位毛囊稀疏可能由于體內(nèi)溫度過高,不利于精子發(fā)育,睪丸需脫出體外,導(dǎo)致陰囊部位皮薄毛少[25]。
哺乳動(dòng)物的毛發(fā)周期包括3個(gè)時(shí)期,即生長期、退行期和休止期。脫發(fā)是由于多種原因?qū)е旅疫^早進(jìn)入退行期的結(jié)果,比如雄激素[26]、抗癌藥物[27]和炎癥反應(yīng)[28]等。退行期細(xì)胞凋亡主要發(fā)生在毛乳頭周圍的毛基質(zhì)細(xì)胞和外根鞘的外層細(xì)胞[29]。TGF-β超家族能夠促進(jìn)這些細(xì)胞的凋亡,從而使得毛囊的退行期提前發(fā)生。而TGF-β2可能是TGF-β超家族成員中在牦牛的體內(nèi)主要發(fā)揮作用的因子,且該過程可能通過 TGF-βRⅡ介導(dǎo)途徑誘導(dǎo)牦牛毛囊上皮細(xì)胞發(fā)生凋亡來實(shí)現(xiàn)[17]。半歲的幼年牦牛腋下皮膚和陰囊皮膚毛囊數(shù)量少,腹部皮膚和背部皮膚毛囊數(shù)量多。通過對這4個(gè)部位的TGF-β2蛋白和基因檢測,作者發(fā)現(xiàn)TGF-β2在腋下皮膚和陰囊皮膚的表達(dá)量高,在背部和腹部的表達(dá)量低。在毛囊較少的部位表達(dá)量高,這可能表示,TGF-β2亦可以抑制毛囊生長。
牦牛長期生活在高寒低氧的環(huán)境中,低氧誘導(dǎo)因子是牦牛適應(yīng)低氧環(huán)境的重要轉(zhuǎn)錄因子。低氧誘導(dǎo)因子作為一種轉(zhuǎn)錄因子, 低氧時(shí)廣泛表達(dá)在各組織細(xì)胞中, 如腎、肝、肺、腦、心等和許多細(xì)胞系, 它和低氧反應(yīng)有關(guān)的基因中的低氧反應(yīng)元件(HRE)上的HIF-1結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合, 介導(dǎo)低氧反應(yīng)[30]。在惡性腫瘤增長的過程中,其內(nèi)部容易形成缺氧的狀態(tài),腫瘤細(xì)胞適應(yīng)缺氧環(huán)境的策略有兩種,一種是提高糖酵解速率;另一種是血管的再生,增加輸氧能力。HIF-lα可以通過增強(qiáng)靶基因如促紅細(xì)胞生成素(EPO)、血管內(nèi)皮生長因子(VEGF)及糖酵解酶等基因轉(zhuǎn)錄來刺激血管新生[31]。在用去鐵草酰胺(DFO)處理的真皮乳頭細(xì)胞中,HIF-1α的穩(wěn)定性增加,去鐵氧胺是一種促進(jìn)HIF-1α穩(wěn)定的化學(xué)羥化酶抑制劑[32]。通過促進(jìn)糖酵解來穩(wěn)定HIF-1α可以減少氧化應(yīng)激并促進(jìn)毛發(fā)生長。在對成年牦牛皮膚中HIF-lα進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上[33],本試驗(yàn)對背部、腋下、腹部及陰囊皮膚的HIF-1α蛋白和基因的表達(dá)量檢測發(fā)現(xiàn),HIF-1α在腹部表達(dá)量比其他三個(gè)部位高,而腹部屬于多毛皮膚,這和預(yù)期試驗(yàn)結(jié)果相一致。說明HIF-1α可能具有促進(jìn)毛囊生長的作用。
幼年牦牛各部位皮膚組織學(xué)結(jié)構(gòu)基本相似,毛囊處于退行期。腹部毛囊數(shù)量最多,背部次之,陰囊最少。TGF-β2和HIF-1α在不同部位皮膚中的表達(dá)水平存在顯著差異,TGF-β2在少毛皮膚中相對表達(dá)量較高,而HIF-1α在多毛皮膚中相對表達(dá)量較高,推測TGF-β2和HIF-1α在毛囊生長中發(fā)揮重要作用。