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罗非鱼SIRT1基因的克隆及其表达规律分析

2019-01-03陈亨德褚武英李玉珑许友卿丁兆坤钟艺文王利香安晓玲

江苏农业科学 2019年21期
关键词:罗非鱼饥饿

陈亨德 褚武英 李玉珑 许友卿 丁兆坤 钟艺文 王利香 安晓玲

摘要:为了解克隆罗非鱼SIRT1基因,并分析其在不同组织器官中的表达量和饥饿前后白肌和肝中的表达量,以期为研究罗非鱼基因功能和代谢调控机制提供参考。采用逆转录PCR(RT-PCR)技术由罗非鱼肌肉组织克隆获得罗非鱼SIRT1基因,并用生物信息学方法构建系统进化树,利用实时荧光定量PCR(QRT-PCR)技术对SIRT1在罗非鱼体内表达进行研究。结果显示,SIRT1基因开放阅读框(ORF)为2 109 bp,共编码702个氨基酸,具有保守的DUF、SIR2和TPP保守结构域。进化树分析发现,罗非鱼与伯氏朴丽鱼和红丽鱼的SIRT1首先成簇,说明2个物种的亲缘关系最接近。且SIRT1基因在所检测的组织、器官中均有表达,其中白肌、肠道中表达量最高,且差异显著(P<0.05)。与饥饿组0 d相比,饥饿组7 d的白肌SIRT1基因mRNA的表达无明显变化,而肝表达量却显著增加(P<0.05)。提示罗非鱼SIRT1基因可作为信号转导调控机体糖代谢、脂肪代谢的候选基因之一。

关键词:罗非鱼;SIRT1基因;实时定量PCR;饥饿;系统进化树

中图分类号: S917.4文献标志码: A

文章编号:1002-1302(2019)21-0103-04

收稿日期:2018-07-25

基金项目:国家自然科学基金面上项目(编号:31472256);湖南省长沙市科技计划重点项目(编号:ZD1601003);湖南省长沙市科技计划一般项目(编号:K1705044)。

作者简介:陈亨德(1993—),男,福建泉州人,硕士,研究方向为水生动物营养、生理生化和分子生物学。E-mail:335776526@qq.com。

通信作者:丁兆坤,博士,教授,研究方向为环境生物学、水生动物营养、生理、生化和分子生物学。E-mail:zhaokun.ding@hotmail.com。

罗非鱼是联合国粮食及农业组织(FAO)向全世界推广的优质养殖鱼类品系,目前全球有近百个国家和地区进行罗非鱼的规模化人工养殖,罗非鱼同时也是我国农业农村部主要推广的重要淡水养殖品种,我国罗非鱼养殖产量在世界上高居榜首。尼罗罗非鱼(Oreochromis niloticus)是罗非鱼类中的主要养殖品种,该鱼的养殖性能极其优越,具有生长快、食性广、抗病强、肉质鲜美、富含谷氨酸和甘氨酸等特点[1],深受许多美食爱好者的喜爱。

沉默信息调节因子2同源蛋白1(silent mating type information regulation 2 homolog1,简称SIRT1)是一种依赖于烟酰胺腺嘌呤二核甘酸(NAD+)的组蛋白去乙酰化酶[2],于1999年从人类中发现[3]。SIRT1能夠广泛表达于成熟组织,在胚胎早期和生殖细胞中含量也较高[4]。哺乳动物中Sirtuins家族共有7名成员(SIRT1~SIRT7)[3],其中SIRT1与沉默信息调节因子2的同源性最高[5],是Sirtuins家族中目前研究得最为广泛的1名成员。SIRT1在机体内可通过对几种控制代谢转录因子的去乙酰化作用来调节其活性,广泛参与机体的糖代谢和脂肪代谢通路,还参与基因转录、细胞衰老的调节过程[6]。SIRT1还可抑制成脂肪分化因子PPARγ的转录因子活性,减少脂肪的合成与堆积[7]。同时能够使FOXO1、STAT3等去乙酰化促进糖异生而抑制糖酵解[8-9]。SIRT1还可以通过环磷腺苷效应元件结合蛋白(cAMP-response element binding protein,简称CREB),调节糖脂代谢[10]。目前对SIRT1基因的研究主要还是集中在人类、小鼠、家畜与家禽(猪、羊、鸡等)上,对鱼类SIRT1基因的相关研究还鲜有报道。本研究探讨罗非鱼SIRT1 mRNA在不同组织器官中的规律性表达,目的是为今后罗非鱼SIRT1基因的相关研究提供理论依据。

1材料与方法

1.1试验材料

试验用鱼是新鲜健康的成年罗非鱼,体质量约为(500±10) g,于2018年3月采自湖南省水产科学研究所。分别解剖正常组0 d和饥饿组7 d试验鱼,采集白肌、红肌、肝、脑、脾、肾、肠道和心脏8个新鲜的组织器官,放入已灭菌的1.5 mL 离心管中,立即转存于液氮罐中运回实验室,移置于-80 ℃冰柜中保存,用于总RNA提取和基因克隆。所用各种试剂、消耗品和容器均用高压灭菌锅处理,解剖工具和研磨器具经160 ℃烘烤6 h,灭活RNA酶。

1.2试验方法

1.2.1罗非鱼SIRT1基因的克隆

用Trizol Reagent试剂盒,并根据Trizol Reagent试剂盒使用说明书从成年罗非鱼各组织器官中分别提取总RNA。将提取的罗非鱼不同组织器官的总RNA稀释后测定其D260 nm/D280 nm和浓度(ng/μL),并用1.5%琼脂糖凝胶电泳对提取的RNA进行检测,检测其纯度和完整性。采用宝生物工程(大连)有限公司提供的cDNA合成试剂盒,并按试剂盒说明书进行反转录合成cDNA第1链。

1.2.2内参基因的选择及引物设计

从GenBank中下载其他鱼类的SIRT1基因全序列,用DNAStar比对进行保守性分析。并运用Primer 5.0软件设计罗非鱼内参基因和目的基因的引物序列(表1),送生工生物工程(上海)股份有限公司进行合成,合成后再1次对所有引物进行验证。

1.2.3罗非鱼SIRT1基因片段的克隆与序列测定

以cDNA为模板进行RT-PCR克隆,将扩增的DNA片段经琼脂糖凝胶电泳检测,分析其纯度。然后采用Omega纯化试剂盒割胶回收,用TaKaRa公司的pMD19-T载体试剂盒,并按说明书连接过夜,再将得到的连接产物转化到感受态细胞中,取50 μL 转化产物涂板,37 ℃正置1 h后倒置过夜培养,挑取白色单菌斑培养,菌液经过PCR扩增,电泳分析确定插入片段是否正确。对于筛选出的阳性菌,克隆提取质粒送上海博尚生物工程技术服务有限公司测序,测序结果经模板比对以及National Center for Biotechnology Information(NCBI)数据库中Basic Local Alignment Search Tool(BLAST)检索,确定为目的基因片段后,使用DNAstar软件进行序列拼接。

1.2.4实时荧光定量PCR

本试验采用SYBR GreenⅠ染料法,在QRT-PCR仪(博乐公司CFX96TM型号)上进行扩增和数据分析。以最小的CT值和最高的荧光值为标准,分别对引物的浓度、循环的条件、退火温度等试验流程进行优化。扩增二步法反应程序如下:95 ℃ 30 s预变性;95 ℃ 5 s变性,58 ℃ 25 s退火、延伸,循环40次;绘制熔解曲线;65~95 ℃,每0.5 ℃读板1次。

1.3数据统计与分析

实时荧光定量PCR后,根据收集到的目的基因与内参基因的CT值,运用2-ΔΔCT方法[11]计算出目的基因的相对表达量。运用SPSS 20.0软件中的一般线性模型(GLM)对SIRT1基因的相对表达量进行单因素方差分析,采用最小显著差数法(LSD)进行多重比较,并用SigmaPlot 12.0软件对处理完成的数据作罗非鱼SIRT1基因的相对表达柱状图。所有结果以平均值±标准差(X±SD)表示。P<0.05为有显著差异。

2结果与分析

2.1罗非鱼SIRT1基因的生物信息学分析

SIRT1基因编码区为2 109 bp(GenBank登录号:MH229477),编码702个氨基酸,推导的SIRT1蛋白相对分子量为76 571.30 u,等电点为4.64。用“http://www.molbiol-tools.ca/Motifs.htm”网站上的在线软件进行氨基酸结构域分析,可知SIRT1基因具有保守的DUF、SIR2和TPP结构域(图1)。

2.2氨基酸序列比对和系统进化树构建

从NCBI网站上收集到不同物种SIRT1基因的氨基酸序列(表2),然后利用Bio Edit和MEGA 7.0软件分别进行氨基酸序列的比对及SIRT1基因的系统进化树构建(图2)。

图2的进化树分析表明,罗非鱼SIRT1与伯氏朴丽鱼和红丽鱼的SIRT1首先成簇,三者同源性高达98%,说明2个物种的亲缘关系最为接近。鱼类SIRT1与哺乳类、鸟类、昆虫类及人的同源性存在一定的差异,其原因可能是所含的蛋白质种类和构型差异较大所致。由分析树可以看出,即使同为鱼类的孔雀鱼和白斑狗鱼,即低等鱼类和高等鱼类之间氨基酸肽链长度和空间构型仍有巨大的差别。

2.3不同组织中SIRT1 mRNA表达量分析

采用QRT-PCR检测罗非鱼的白肌、红肌、肝、脾、肾、肠道、脑和心脏组织/器官中SIRT1基因mRNA的表达量,表达结果(图3)显示,SIRT1基因在白肌和肠道组织中的表达量最高,在脑组织中也有较高表达,但在肝、脾、肾等组织中的表达量相对较弱,表明SIRT1在罗非鱼的不同组织器官中表达差异較大,具有较强的组织器官特异性。

2.4饥饿7 d罗非鱼白肌和肝SIRT1基因mRNA表达量

在饥饿状况下,肌肉和肝在机体能量调节中发挥十分重要的作用。经过7 d饥饿的罗非鱼(饥饿组),与饥饿0 d的罗非鱼相比较,饥饿组罗非鱼的白肌和肝SIRT1 mRNA表达量均有增加,且在肝中的表达量显著上升(P<0.05)(图4),说明在饥饿环境中,罗非鱼SIRT1基因与机体的脂肪代谢及能量代谢有密切关系。

3讨论

本研究采用RT-PCR技术克隆得到罗非鱼SIRT1基因的完整开放阅读框(ORF)区序列为2 109 bp,具有保守的DUF、SIR2和TPP结构域,其蛋白相对分子量为76 571.30 u,等电点为4.64,共编码702个氨基酸。本研究利用Bio Edit和MEGA 7.0软件分别进行氨基酸序列的比对及构建SIRT1基因的系统进化树模型,用作建树的18个物种分属于硬骨鱼纲、昆虫纲、鸟纲以及哺乳纲4大类群。构建的系统进化树表明,罗非鱼SIRT1与伯氏朴丽鱼和红丽鱼的SIRT1首先成簇,表示2个物种间的亲缘关系较近。鱼类SIRT1与哺乳类、鸟类、昆虫类以及人的同源存在一定的差异,其原因可能是所含的蛋白质种类和构型差异较大。即使同为鱼类,如孔雀鱼和白斑狗鱼,低等鱼类和高等鱼类之间的氨基酸肽链长度和空间构型仍有一定的差距,推测SIRT1基因的氨基酸肽链长度和空间结构可能与肌肉发育和进化的程度有关。

罗非鱼SIRT1基因mRNA表达量在所检测的各组织器官中均有表达,在白肌和肠道组织中表达量最高,在脑组织也有较高的表达,说明罗非鱼SIRT1基因的表达具有较强的组织特异性。研究发现,SIRT1定位于小鼠下丘脑的禁食区,能通过抑制脂肪细胞基因和FOXO1的表达,影响脂质代谢[12-15]。Bai等在对猪的研究中也发现,SIRT1基因的表达量与脂肪代谢存在密切的相关性[16-17]。潘洋洋等在SIRT1基因对绵羊不同组织器官影响的差异性研究中发现,绵羊SIRT1基因在肌肉组织中具有较高表达[18]。罗非鱼SIRT1基因在白肌组织和肠道组织中的表达量最高的原因可能是SIRT1基因广泛参与罗非鱼的能量代谢的调节作用,但目前还没有相关研究能够证实这一点,需要进一步分析研究。

肝脏作为主要糖脂代谢器官,能够影响机体营养物质分解吸收和激素信号的传递,在机体中发挥着巨大作用。研究发现,在短期禁食条件下,SIRT1可以抑制糖异生关键因子TORC2,影响血糖浓度。而在长期禁食条件下,SIRT1去乙酰化并激活PGC1-α和PPARα,促进脂肪酸的氧化并改善葡萄糖的稳态[19]。在对人体肝细胞的研究中发现,生理条件下PGC-1α上赖氨酸残基会在SIRT1的作用下发生去乙酰化,将PGC-1α激活,从而有效抑制糖酵解,促进了肝葡萄糖的输出[20-21]。PPARγ通过促进成纤维细胞向脂肪细胞分化和脂肪酸合成可加快脂肪沉积,而PPAR-γ在SIRT1基因过表达的情况下发生转录抑制,抑制脂肪生成,促进游离脂肪酸释放及脂解作用的增加[7]。此外,SIRT1还能对胆固醇等进行乙酰化并活化,从而对肝中的胆固醇通量进行有效调节[22],进一步证实了SIRT1基因表达与脂肪代谢存在相关性。本研究饥饿条件下也发现,罗非鱼SIRT1基因在肝中表达量显著增加(P<0.05),可见SIRT1基因与机体的糖代谢和脂肪代谢联系十分密切。因此推测SIRT1基因可作为信号转导调控机体糖代谢、脂肪代谢的候选基因之一,能够通过多种通路途径直接或间接调节罗非鱼的脂质代谢。

4结论

罗非鱼的白肌、红肌、肝、脑、脾、肾、肠道和心脏组织器官中SIRT1基因mRNA表达量的结果显示出一定的规律性,且在白肌和肠道组织中表达量最高,推测SIRT1基因可能通过不同的信号通路,参与罗非鱼能量代谢的调节。而且在饥饿处理下SIRT1基因mRNA的表达量在白肌中有所增加,在肝中显著增加(P<0.05),表明罗非鱼SIRT1基因可能与脂肪代谢活动密切相关,能夠通过多种通路途径直接或间接调节罗非鱼的能量代谢。

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