李彥霞 王晉鵬 馮芬 包斌武 董益聞 王興平 羅仍卓么
(1. 寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院,銀川 750021;2. 寧夏回族自治區(qū)反芻動物分子細(xì)胞育種重點實驗室,銀川 750021)
大腸桿菌(Escherichia coli)是引起奶牛乳房炎的主要病原菌之一,感染奶牛乳房時會引起急性臨床乳房炎,造成奶牛乳腺上皮細(xì)胞(bovine mammary epithelial cells,bMECs)的乳合成能力和分泌功能障礙,導(dǎo)致牛奶品質(zhì)顯著下降[1-3]。研究表明,即使患病奶牛的臨床癥狀和致病菌消失,其乳腺也不會迅速恢復(fù)到原狀[4],這將導(dǎo)致產(chǎn)奶量持續(xù)受到影響。除了上述影響,乳房炎的致病菌還會誘導(dǎo)炎癥因子表達(dá),產(chǎn)生炎癥反應(yīng)。脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)作為E.coli表面的活性成分,是E.coli型乳房炎的主要致病因子[5],它可以引起腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)、白細(xì)胞介素-6(interleukin-6,IL-6)和白細(xì)胞介素-1β(interleukin 1β,IL-1β)等基因在奶牛乳腺組織和bMECs 炎癥過程中表達(dá)量升高[6]。此外,乳房炎也可引起外周血液[7]和乳腺組織[8]的基因表達(dá)量發(fā)生變化,進(jìn)而嚴(yán)重影響了奶牛的產(chǎn)奶量和乳品質(zhì)。因此,從分子和細(xì)胞水平上研究抑制產(chǎn)奶量減少和乳品質(zhì)下降的原因,是當(dāng)下學(xué)者們研究的熱點領(lǐng)域,為高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)奶牛的分子育種奠定基礎(chǔ)。
在奶牛產(chǎn)奶性狀方面,學(xué)者們挖掘了許多與奶牛產(chǎn)奶量、乳蛋白率和乳脂率相關(guān)的基因,如脂肪酸結(jié)合蛋白3(fatty acid binding protein 3,F(xiàn)ABP3)、脂蛋白脂酶(lipoprotein lipase,LPL)、α-酪蛋白家族(casein alpha-S1,CSN1S1)、β-酪蛋白(casein beta,CSN2)、α-乳白蛋白(lactalbumin alpha,LALBA)、乳脂球表皮生長因子8(milk fat globule-EGF factor 8 protein,MFGE8) 基因。FABP3和LPL主要與乳脂相關(guān),其中FABP3調(diào)控乳脂主要合成通道,LPL參與乳脂合成過程和代謝過程[9-10];牛奶蛋白主要由4 種酪蛋白和乳清蛋白組成,CSN1S1和CSN2是乳蛋白組成成分中的兩種酪蛋白,而LALBA是乳蛋白組成成分中的乳清蛋白[11]。MFGE8主要與炎癥以及產(chǎn)奶量相關(guān)[12-13]。雖然已經(jīng)發(fā)現(xiàn)上述基因在奶牛乳合成中發(fā)揮著重要作用,但是對于它們在E.coli型奶牛乳房炎和bMECs 炎癥反應(yīng)中的表達(dá)模式目前還尚不清楚,有待進(jìn)一步研究。
因此,本研究采用qPCR 技術(shù)檢測了CSN1S1、CSN2、LALBA、FABP3、LPL和MFGE8基因在E.coli型乳房炎奶牛乳腺組織和bMECs 炎癥反應(yīng)中的表達(dá)模式,以期為解析E.coli型乳房炎奶牛的產(chǎn)奶量、乳蛋白率及乳脂率下降的原因,以及為高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)奶牛的分子育種提供理論依據(jù)。
本實驗所用的乳腺組織為2-3 歲健康奶牛和E.coli誘導(dǎo)乳房炎的荷斯坦奶牛的乳腺組織,為實驗室前期采集、鑒定和凍存[8]。其中E.coli誘導(dǎo)乳房炎的荷斯坦奶牛的乳腺組織是采用無菌手術(shù)法活體采集奶牛的乳腺組織,主要步驟:將E.coli凍干粉溶解,擴(kuò)大培養(yǎng),用PBS 稀釋,用通乳針將E.coli懸浮液經(jīng)乳導(dǎo)管一次性注入到試驗組奶牛的右后乳房中,在接種后的第7 天,采集其乳腺組織[14];bMECs 為課題組前期鑒定并保存于液氮罐中的細(xì)胞[15]。
實驗所用的主要儀器:CO2培養(yǎng)箱(Thermo,美國)、CFX96 實時熒光定量PCR 儀(Bio-Rad,美國)、高壓滅菌鍋(普和希,日本)、電熱恒溫水浴鍋(一恒,上海)、普通PCR 儀(Bio-Rad,美國)。
實驗所用的主要試劑:DMEM/F12 細(xì)胞培養(yǎng)基(Hyclone,美國)、0.25%的胰酶消化液(Hyclone,美國)、PBS 緩沖液(Hyclone,美國)、胎牛血清(BI,以色列)、脂多糖(Sigma,美國)、Real time-熒光定量PCR 試劑盒(聚合美,北京)、逆轉(zhuǎn)錄試劑盒(TaKaRa,北京)、TriZol 試劑(TaKaRa,北京)、RNase-free H2O(天根,北京)。
1.2.1 bMECs 的復(fù)蘇與傳代培養(yǎng) 從液氮中取出bMECs,37℃水浴鍋解凍;接種在含有10%胎牛血清的DMEM/F12 培養(yǎng)液中,在37℃、5% CO2和100%濕度的培養(yǎng)箱中培養(yǎng);待細(xì)胞融合度為90%時傳代,即用PBS 漂洗細(xì)胞1-2 遍,再用胰酶消化液吹打消化2-3 min,加入2 mL 培養(yǎng)基終止消化;轉(zhuǎn)移至15 mL 離心管中,1 000 r/min 離心5 min;棄上清,加入1 mL 培養(yǎng)基吹打混勻后,接種到新培養(yǎng)基中培養(yǎng)。
1.2.2 bMECs 炎癥模型的建立 將bMECs 接種于6孔細(xì)胞培養(yǎng)板中培養(yǎng)24 h,待細(xì)胞融合度達(dá)60%-70%時,向每孔細(xì)胞中滴加LPS 溶液(終濃度為50 ng/μL),誘導(dǎo)細(xì)胞產(chǎn)生炎癥反應(yīng)[16]。在LPS 誘導(dǎo)的0、3、6、12 和24 h,分別收集細(xì)胞,用于RNA 提取。通過檢測細(xì)胞炎癥因子mRNA 的表達(dá)量,判斷炎性細(xì)胞模型是否構(gòu)建成功。
1.2.3 RNA 提 取 與cDNA 合 成 采 用TriZol 法 分別提取約1 cm3的健康奶牛右后乳區(qū)的乳腺組織和E.coli誘導(dǎo)乳房炎奶牛右后乳區(qū)的乳腺組織,以及LPS 誘導(dǎo)不同時間(0、3、6、12 和24 h)bMECs的RNA。電泳檢測RNA 的完整性,全波長酶標(biāo)儀檢測RNA 的濃度與純度(1.8 < OD260/280< 2.0)。
采用PrimeScriptTMRT Reagent Kit with gDNA Eraser 逆轉(zhuǎn)錄試劑盒,按照說明書,通過兩步反應(yīng)(去除基因組DNA 反應(yīng)和反轉(zhuǎn)錄)合成cDNA,以此cDNA 為模板,進(jìn)行下一步實驗。多功能酶標(biāo)儀檢測cDNA 的濃度,稀釋至100 ng/μL,-20℃凍存。
1.2.4 qPCR 反應(yīng) 參照GenBank 數(shù)據(jù)庫中各mRNA的序列信息,利用Primer premier 5.0 軟件設(shè)計qPCR引物(表1),委托通用生物(安徽)有限公司合成,RNase free H2O 溶解。
表1 qPCR 引物信息Table1 qPCR primer information
qPCR 的反應(yīng)體系:2×M5 Hiper SYBR Premix Es Taq (with Tli RNaseH) 10.0 μL,100 μmol/L 的 上下游引物各0.8 μL,DNA 模板1.5 μL,加滅菌去離子水至20.0 μL。qPCR 的反應(yīng)程序:(預(yù)變性95℃30 s,95℃ 5 s,60℃ 30 s)40 個 循 環(huán);95℃ 10 s,65℃ 5 s。
1.2.5 數(shù)據(jù)分析 采用2-△△ct方法計算基因的相對表達(dá)量(n=3),所有數(shù)據(jù)均以“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”表示。利用GraphPad 8.3 軟件的單因素方差(one-way AVONA)進(jìn)行組間基因表達(dá)水平的差異顯著性分析,P< 0.05 表示差異顯著,有統(tǒng)計學(xué)意義。
2.1.1 乳蛋白和泌乳量相關(guān)候選基因在奶牛乳腺組織中的表達(dá)分析 利用qPCR 技術(shù)檢測了乳蛋白和泌乳量相關(guān)的CSN1S1、CSN2和LALBA基因在健康奶牛和E.coli型乳房炎奶牛的乳腺組織中的表達(dá)量。結(jié)果表明,與健康奶牛相比,乳蛋白相關(guān)的CSN1S1、CSN2和LALBA基因在E.coli型乳房炎奶牛的乳腺組織中的mRNA 表達(dá)量均極顯著下調(diào)(P<0.000 1)(圖1)。該結(jié)果提示,在奶牛E.coli型乳房炎發(fā)生后,上述3 個基因表達(dá)量下降可能導(dǎo)致牛奶的乳蛋白含量及泌乳量減少。
圖1 CSN1S1、CSN2 和LALBA 基因在E.coli 型乳房炎奶牛的乳腺組織中的表達(dá)量Fig. 1 Expressions of CSN1S1, CSN2 and LALBA gene in the cow mammary tissues of dairy cows with E.coli type mastitis
2.1.2 乳脂調(diào)控相關(guān)候選基因在奶牛乳腺組織中的表達(dá)分析 利用qPCR 技術(shù)檢測了乳脂調(diào)控相關(guān)的FABP3和LPL基因在健康奶牛和E.coli型乳房炎奶牛的乳腺組織中的表達(dá)量。結(jié)果表明,與健康奶牛相比,上述2 個基因在E.coli型乳房炎的乳腺組織中的表達(dá)量都極顯著下調(diào)(P< 0.000 1)(圖2)。上述結(jié)果提示,F(xiàn)ABP3和LPL基因表達(dá)量下調(diào)可能導(dǎo)致了在E.coli型乳房炎奶牛分泌的牛奶乳脂減少和乳脂率降低。
圖2 FABP3 和LPL 基因在E.coli 型乳房炎奶牛的乳腺組織中的表達(dá)量Fig. 2 Expressions of FABP3 and LPL gene in the mammary tissues of dairy cows with E.coli mastitis
2.1.3 炎癥和泌乳量相關(guān)MFGE8基因在奶牛乳腺組織中的表達(dá)分析 利用qPCR 技術(shù)檢測了MFGE8基因在健康奶牛和E.coli型乳房炎奶牛的乳腺組織中的表達(dá)量。結(jié)果表明,與健康奶牛相比,MFGE8基因在E.coli型乳房炎的乳腺組織中的表達(dá)量都極顯著下調(diào)(P< 0.000 1)(圖3)。結(jié)果提示,MFGE8基因的表達(dá)量降低導(dǎo)致抗炎反應(yīng)減弱,炎癥反應(yīng)加劇,最終乳腺組織的功能減弱,導(dǎo)致產(chǎn)奶量減少。
圖3 MFGE8 基因在E.coli 型乳房炎奶牛的乳腺組織中的表達(dá)量Fig. 3 Expression of MFGE8 gene in mammary tissue of dairy cows with E.coli mastitis
本研究通過體外培養(yǎng)bMECs(圖4-A),利用LPS 誘導(dǎo)bMECs 構(gòu)建細(xì)胞炎癥模型。為驗證炎癥細(xì)胞模型的可靠性,利用qPCR 技術(shù)檢測了LPS 誘導(dǎo)不同時間細(xì)胞內(nèi)主要炎癥因子基因的表達(dá)情況。結(jié)果表明,與0 h(對照組)相比,炎癥因子TNF-α在6 h 的表達(dá)量極顯著上調(diào)(P< 0.000 1)(圖4-B);炎癥因子IL-6在3、6 和12 h 時的表達(dá)量極顯著上調(diào)(P< 0.01)(圖4-C);炎癥因子IL-8在6 h、12 h 和24 h 的表達(dá)量極顯著上調(diào)(P< 0.01)(圖4-D),說明本實驗成功構(gòu)建了bMECs 炎癥模型。
圖4 主要炎癥因子基因在LPS 誘導(dǎo)bMECs 不同時間的表達(dá)量Fig. 4 Expression of main inflammatory factor genes in LPS-induced bMECs at different times
2.3.1 乳蛋白和泌乳量相關(guān)候選基因在bMECs 炎癥反應(yīng)中的表達(dá)量 為揭示乳蛋白和泌乳量相關(guān)的CSN1S1、CSN2及LALBA基因在bMECs 炎癥反應(yīng)中的動態(tài)表達(dá)情況,采用qPCR 技術(shù)檢測了它們在LPS誘導(dǎo)bMECs 產(chǎn)生炎癥反應(yīng)不同時間的表達(dá)量。結(jié)果表明,與對照組(0 h)相比,CSN1S1、CSN2及LALBA基因的表達(dá)量都顯著降低,其中CSN1S1在LPS 誘導(dǎo)3、6、12、24 h 后的表達(dá)量都極顯著下調(diào)(P< 0.000 1)(圖5-A);CSN2在LPS 誘 導(dǎo)3 h 后表達(dá)量降低,但未達(dá)到顯著效果,當(dāng)LPS 誘導(dǎo)6、12、24 h 時,CSN2的表達(dá)量極顯著下調(diào)(P<0.000 1)(圖5-B);LALBA在LPS 誘 導(dǎo)3、6、12 h表達(dá)量顯著下調(diào)(P< 0.05),而24 h 時表達(dá)量降低,但差異不顯著(P> 0.05)(圖5-C)。結(jié)果提示,在LPS 誘導(dǎo)細(xì)胞產(chǎn)生炎癥后,下調(diào)了上述基因的表達(dá),可能降低了bMECs 中乳蛋白的合成與乳汁分泌量。
圖5 乳蛋白相關(guān)基因在LPS 誘導(dǎo)bMECs 不同時間的表達(dá)量Fig. 5 Expressions of milk protein-related genes in LPSinduced bMECs at different times
2.3.2 乳脂調(diào)控相關(guān)候選基因在bMECs 炎癥反應(yīng)中的表達(dá)量 為探討乳脂相關(guān)基因FABP3和LPL在bMECs 炎癥反應(yīng)中的動態(tài)表達(dá)情況,采用qPCR 技術(shù)檢測了它們在LPS 誘導(dǎo)bMECs 不同時間的表達(dá)量,結(jié)果表明,與對照組(0 h)相比,F(xiàn)ABP3和LPL在LPS 誘導(dǎo)bMECs 產(chǎn)生炎癥反應(yīng)的3、6、12和24 h 的表達(dá)量均顯著下調(diào),其中FABP3在3、6、12 和24 h 的表達(dá)量極顯著下調(diào)(P< 0.000 1)(圖6-A);LPL在3 h 的表達(dá)量顯著下調(diào)(P< 0.05),在6、12 和24 h 的表達(dá)量極顯著下調(diào)(P< 0.000 1)(圖6-B)。結(jié)果提示,在LPS 誘導(dǎo)bMECs 產(chǎn)生炎癥過程中上述基因表達(dá)量下調(diào),可能導(dǎo)致了乳中的乳脂率降低。
圖6 乳脂調(diào)控相關(guān)基因在LPS 誘導(dǎo)bMECs 不同時間的表達(dá)量Fig. 6 Expressions of milk fat regulation related genes in LPS-induced bMECs at different times
2.3.3MFGE8基因在bMECs 炎癥反應(yīng)中的表達(dá)量 為探討基因MFGE8在bMECs 炎癥反應(yīng)中的動態(tài)表達(dá)情況,采用qPCR 技術(shù)檢測了其在LPS 誘導(dǎo)bMECs 不同時間的表達(dá)量,結(jié)果表明,與對照組(0 h)相比,MFGE8在3、12 和24 h 的表達(dá)量極顯著下調(diào)(P< 0.001),在6 h 的表達(dá)量也極顯著下調(diào)(P< 0.000 1)(圖7)。結(jié)果提示,MFGE8表達(dá)量降低,吞噬凋亡細(xì)胞的能力下降,抗炎反應(yīng)減弱,導(dǎo)致bMECs 炎癥反應(yīng)的抵抗力下降,乳合成能力和泌乳量減少。
圖7 MFGE8 基因在LPS 誘導(dǎo)bMECs 不同時間的表達(dá)量Fig. 7 Expressions of MFGE8 gene in LPS-induced bMECs at different times
乳房炎作為奶牛最常見的疾病之一,患病后奶牛健康狀況急劇下降,泌乳量減少,但是其分子層面的原因尚不清楚。乳腺組織是奶牛泌乳的主要功能器官,而bMECs 是泌乳的主要功能細(xì)胞,也是乳腺防御病原菌入侵的第一道防線。LPS 作為E.coli的主要毒力因子,可誘導(dǎo)bMECs 產(chǎn)生固有免疫應(yīng)答和炎癥反應(yīng),并且可導(dǎo)致細(xì)胞損傷和凋亡[19]。當(dāng)奶牛乳腺組織受到E.coli刺激時,其生理狀態(tài)發(fā)生改變,表現(xiàn)出乳房炎臨床癥狀,產(chǎn)奶量明顯降低,牛奶體細(xì)胞數(shù)上升[20]。值得一提的是,乳腺組織發(fā)生炎癥反應(yīng)時,除了bMECs 之外,其他免疫細(xì)胞也參與炎癥反應(yīng)[14]。此外,有研究發(fā)現(xiàn),LPS 誘導(dǎo)的乳房炎癥反應(yīng)可影響乳蛋白和乳脂的合成[21-22]。因此,為全面探討E.coli型乳房炎中泌乳量、乳蛋白和乳脂率下降的原因,本研究從組織水平(E.coli型乳房炎奶牛和健康奶牛的乳腺組織)和細(xì)胞水平(LPS誘導(dǎo)的bMECs)2 個層面研究了6 個泌乳性狀相關(guān)候選基因(CSN1S1、CSN2、LALBA、FABP3、LPL和MFGE8)的表達(dá)情況,結(jié)果發(fā)現(xiàn)上述6 個候選基因在炎癥前后的組織水平和細(xì)胞水平的表達(dá)量變化是完全一致的,說明這6 個基因參與了乳腺組織和bMECs 的泌乳或炎癥反應(yīng)過程。
據(jù)報道,牛奶中酪蛋白編碼的基因CSN1S1、CSN2和LALBA的表達(dá)量與產(chǎn)奶量顯著相關(guān)[23]。CSN1S1和CSN2是奶牛泌乳性狀的關(guān)鍵基因[24],兩者相互作用、相互影響。Wu 等[25]研究發(fā)現(xiàn),在肽聚糖(peptidoglycan, PGN)和脂磷壁酸(lipoteichoic acid, LTA)引起的奶牛乳房炎中,CSN1S1和CSN2基因的mRNA 表達(dá)量降低,并通過降低組蛋白H3乙?;瑴p少了泌乳量。LALBA是泌乳期的bMECs產(chǎn)生的一種對牛奶和乳腺具有特異性的牛奶蛋白[26],與溶菌酶具有高度同源性[27],可以通過催化乳糖合成進(jìn)而調(diào)控乳產(chǎn)量[28]。在小鼠乳腺中注射LPS 24 h 內(nèi),LALBA的表達(dá)量顯著降低,其表達(dá)量降低可能是通過LPS 誘導(dǎo)核因子-κB(NF-κB)和細(xì)胞因子的產(chǎn)生來介導(dǎo)[29]。本研究中也發(fā)現(xiàn)CSN1S1、CSN2和LALBA基因在E.coli型乳房炎奶牛乳腺組織和炎性細(xì)胞模型中的表達(dá)量顯著降低。結(jié)合上述前人的研究結(jié)果,推測CSN1S1、CSN2和LALBA基因的表達(dá)量降低,可能是引起E.coli型乳房炎產(chǎn)奶量和乳蛋白率降低的原因。
乳脂是牛奶的主要成分,也是乳品質(zhì)的主要檢測指標(biāo)之一。在乳脂代謝調(diào)節(jié)的研究中,學(xué)者們發(fā)現(xiàn)LPL和FABP3是參與乳脂合成與分解代謝過程中的關(guān)鍵蛋白[30-31]。FABP3作為結(jié)合脂肪酸的FABP家族成員之一,可協(xié)同其他基因形成一個調(diào)控奶牛乳腺脂肪酸向乳脂合成的通道[9]。已有研究表明,F(xiàn)ABP3與乳脂合成信號通路中的相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子成正相關(guān)關(guān)系[32]。本研究發(fā)現(xiàn),F(xiàn)ABP3在E.coli型乳房炎奶牛的乳腺組織和炎癥細(xì)胞模型中的表達(dá)量顯著下調(diào)。結(jié)合前人的研究結(jié)果,推測在E.coli型奶牛乳房炎中,F(xiàn)ABP3基因表達(dá)下調(diào),抑制了乳脂合成,降低了牛奶的乳脂率。
LPL 是脂肪代謝的關(guān)鍵酶,催化產(chǎn)生甘油三酯,并將脂蛋白水解為脂肪酸和單甘油三酯,參與了脂肪酸合成和組織吸收利用的整個過程[10,33-34]。乳腺上皮細(xì)胞可以生成LPL,哺乳期LPL的酶活性較高,增加了乳腺中脂肪酸的釋放[31]。與健康奶牛的乳汁相比,乳房炎奶牛的乳汁中游離脂肪酸含量較高,但LPL活性較低[35]。與上述研究結(jié)果一致,本研究中LPL基因在E.coli型乳房炎奶牛的乳腺組織和炎性細(xì)胞模型中的表達(dá)量也顯著降低,這可能導(dǎo)致E.coli型乳房炎奶牛的乳腺中LPL的活性降低,抑制了脂肪酸的釋放,使得牛奶的乳脂率降低。
MFGE8基因在乳腺組織、乳腺上皮細(xì)胞及巨噬細(xì)胞中均存在[36],但在乳腺上皮細(xì)胞中以乳糖蛋白的形式大量存在,且與泌乳量密切相關(guān)。此外,它還具有抗菌和抗病毒作用,在乳腺退化期間可清除凋亡的乳腺上皮細(xì)胞[12-13]。當(dāng)缺乏MFGE8時,導(dǎo)致bMECs 凋亡和MFGs 的清除功能延遲,以及乳腺開始退化和產(chǎn)生炎癥反應(yīng)[37]。以上研究表明,MFGE8在乳腺組織中發(fā)揮著重要作用。該結(jié)果與本實驗結(jié)果相似,即在E.coli型乳房炎發(fā)生或在bMECs 產(chǎn)生炎癥后,乳腺組織和bMECs 中MFGE8的表達(dá)量顯著降低。結(jié)合前人結(jié)果,推測MFGE8的表達(dá)量降低可能使得吞噬細(xì)胞凋亡能力降低,抗炎反應(yīng)減弱,炎癥反應(yīng)加劇,最終乳腺組織的功能減弱,導(dǎo)致乳脂合成和產(chǎn)奶量減少。
E.coli型奶牛乳房炎發(fā)生和LPS 誘導(dǎo)bMECs 產(chǎn)生炎癥后,產(chǎn)奶相關(guān)基因CSN1S1、CSN2、LALBA、FABP3、LPL和MFGE8的表達(dá)量均顯著下降,可能導(dǎo)致乳蛋白合成減少、脂肪酸釋放降低和產(chǎn)奶量下降,解釋了E.coli型乳房炎發(fā)生過程中產(chǎn)奶量減少和乳脂率降低的原因,研究結(jié)果可為高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的奶牛分子育種提供參考。