趙大顯,陳敏文,江 坤,吳小平*
(1.南昌大學(xué) 生命科學(xué)與食品工程學(xué)院,江西 南昌 330031;2.南昌大學(xué) 食品科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江西 南昌 330031)
中華絨螯蟹(Eriocheir sinensis)是我國(guó)重要增養(yǎng)殖對(duì)象之一,近年來(lái),由細(xì)菌、病毒和類(lèi)立克次體生物等引起的各種疾病日趨嚴(yán)重,導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失,嚴(yán)重制約了我國(guó)蟹類(lèi)養(yǎng)殖業(yè)的健康發(fā)展。而目前蟹病主要采用抗生素等藥物進(jìn)行防治,這無(wú)形中也對(duì)病原菌進(jìn)行了耐藥性篩選,促成了病原菌的基因變異,提高了它們的抗藥性,從而有惡性循環(huán)的潛在可能。因此,研究中華絨螯蟹的免疫機(jī)制,有效提高蟹類(lèi)本身的抗病能力,越來(lái)越受到人們的重視。國(guó)內(nèi)學(xué)者先后從生理生化水平對(duì)中華絨螯蟹免疫防御機(jī)制進(jìn)行了探討[1-4],近年來(lái),又逐漸向分子水平深入,獲得了一些與免疫相關(guān)的表達(dá)序列標(biāo)簽(ESTs)和基因序列[5-8]。這些研究將有助于更好的了解中華絨螯蟹和病原之間的關(guān)系,也為今后研究該物種的抗病分子機(jī)理奠定了基礎(chǔ)。
嗜水氣單胞菌(Aeromonaz hydrophila)作為一種重要的人-獸-魚(yú)共患病病原,在自然界分布廣泛,可以感染多種水生及陸生動(dòng)物并引起不同的疾病,給人類(lèi)的健康帶來(lái)威脅同時(shí)也給水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)造成慘重的經(jīng)濟(jì)損失,危害性極大。Zhu[9]從患病瀕死的中華絨螯蟹肝胰腺中分離到3株嗜水氣單胞菌也均能引起健康蟹的死亡,從而發(fā)現(xiàn)該菌也是引起中華絨螯蟹患病的重要病原之一。
抑制性消減雜交技術(shù)(Suppression Subtractive Hybridization,SSH)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新的分離、克隆差異基因的技術(shù),該技術(shù)具有假陽(yáng)性率低、篩選效率高、實(shí)驗(yàn)周期短等優(yōu)點(diǎn),能有效地分離擴(kuò)增低豐度差異表達(dá)的基因[10]。本研究利用該技術(shù),成功構(gòu)建了嗜水氣單胞菌誘導(dǎo)下中華絨螯蟹差異表達(dá)基因的cDNA文庫(kù),并對(duì)該文庫(kù)進(jìn)行了初步分析,為進(jìn)一步開(kāi)展該物種抗病相關(guān)基因的篩選、克隆和功能分析奠定了基礎(chǔ),同時(shí)也為中華絨螯蟹大規(guī)模細(xì)菌性疾病的檢測(cè)、控制提供了有力的技術(shù)支撐。
1.1.1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物與實(shí)驗(yàn)菌株 中華絨螯蟹成體(50~100 g)購(gòu)于南昌市墩子塘水產(chǎn)市場(chǎng),于實(shí)驗(yàn)室暫養(yǎng)一周后選取健康、活潑且四肢健全的蟹用于試驗(yàn)。嗜水氣單胞菌為本實(shí)驗(yàn)室保存菌種。
1.1.2 感染與血淋巴細(xì)胞收集 在感染組中,中華絨螯蟹體側(cè)肌肉注射0.1 mL 7.2×108 CFU/mL嗜水氣單胞菌[8],同時(shí)對(duì)照組注射0.1 mL無(wú)菌生理鹽水。在12 h內(nèi)連續(xù)觀察,待中華絨螯蟹出現(xiàn)個(gè)體明顯活動(dòng)異?;騻€(gè)別死亡時(shí)抽取血淋巴,4℃,12 000 r/min離心10 min,收集血淋巴細(xì)胞。
1.2.1 RNA抽提和mRNA的分離 于血淋巴細(xì)胞中按0.1 g/mL加入Trizol Reagent(Invitrogen),振蕩混勻,加入等體積的氯仿,蓋緊蓋子,顛倒搖動(dòng)15 s,室溫放置2~3 min;4℃,13 000 r/min離心20 min,取上清,移至新的EP管中;向EP管中加入0.8倍體積的異丙醇,混勻,-20℃沉淀1 h,4℃,13 000 r/min離心20 min;棄上清,加入75%乙醇洗滌,溶于一定體積的DEPC水中。用紫外分光光度計(jì)檢測(cè)總RNA的濃度和純度,根據(jù)其濃度,取約150 ng進(jìn)行凝膠電泳分析,觀察是否被降解;在確定該總RNA未被污染的前提下,取約600 μg的總RNA,按Oligotex mRNA Kit的方法分離mRNA。取1 μL獲得的mRNA用于凝膠電泳,用紫外分光光度計(jì)檢測(cè)OD260/OD280的比值,取約0.5 μg用于合成cDNA。
1.2.2 抑制性消減雜交 采用Clontech公司提供的PCR-Select TM cDNA Subtraction Kit進(jìn)行抑制性消減雜交,具體操作步驟參照試劑盒的操作手冊(cè)。其中正向雜交以嗜水氣單胞菌感染后的中華絨螯蟹血淋巴細(xì)胞mRNA為tester,以生理鹽水處理的中華絨螯蟹血淋巴細(xì)胞mRNA為driver;反向雜交以生理鹽水處理的中華絨螯蟹血淋巴細(xì)胞mRNA為tester,經(jīng)嗜水氣單胞菌感染后的中華絨螯蟹血淋巴細(xì)胞mRNA 為 driver。
1.2.3 消減效率的檢測(cè) 用中華絨螯蟹β-actin特異的上游引物:5'-GCATCCACGAGACCACTT ACA-3',下游引物:5'-CTCCTGCTTGCTGATCCACATC-3',對(duì)消減后第2次PCR產(chǎn)物進(jìn)行消減效率分析。同時(shí),以未經(jīng)消減雜交的cDNA(在制備Tester cDNA連接2種接頭時(shí),將剛好加樣還未進(jìn)行連接反應(yīng)的Tester1-1 cDNA和Tester1-2 cDNA各取2:l混合,進(jìn)行連接反應(yīng)完成)作為對(duì)照進(jìn)行PCR,反應(yīng)條件:94℃預(yù)變性5 min,然后94℃,30 s;60℃,30 s;72℃,1 min擴(kuò)增,33個(gè)循環(huán),分別在第18、23、28、33循環(huán)處各取5 μL進(jìn)行電泳,檢測(cè)消減效率。
1.2.4 消減文庫(kù)的構(gòu)建及檢測(cè) 將第2次PCR的產(chǎn)物連接到Promega公司提供的載體pGEM-T easy,轉(zhuǎn)化到E.coli DH5α感受態(tài)細(xì)胞,用氨芐青霉素和藍(lán)白斑法篩選陽(yáng)性克隆。隨機(jī)挑取15個(gè)陽(yáng)性克隆進(jìn)行PCR檢測(cè),引物為Nesetd PCR Primer l和Nested PCR Primer 2R。隨機(jī)從文庫(kù)中挑取54個(gè)陽(yáng)性克隆送樣測(cè)序。
1.2.5 序列分析與同源性比對(duì) 利用DNAMAN軟件對(duì)測(cè)序結(jié)果進(jìn)行去除載體及接頭序列、剔除重復(fù)序列分析,獲得部分差異表達(dá)序列標(biāo)簽(ESTs),將獲得的ESTs序列提交到NCBI使用BLASTn進(jìn)行序列相似性搜素,并初步推斷差異表達(dá)基因的功能。
提取的感染組和對(duì)照組中華絨螯蟹血淋巴細(xì)胞總RNA經(jīng)1%瓊脂糖凝膠電泳后發(fā)現(xiàn),總RNA以18 S條帶為主,未見(jiàn)彌散現(xiàn)象,說(shuō)明總RNA未發(fā)生降解(圖1),達(dá)到了構(gòu)建文庫(kù)要求。
圖1 中華絨螯蟹總RNA電泳圖Fig.1 Electrophoresis of Eriocheir sinensis total RNA
圖2 雙鏈cDNA電泳圖Fig.2 Electrophoresis of Eriocheir sinensis cDNA
提取的總RNA經(jīng)反轉(zhuǎn)錄酶逆轉(zhuǎn)錄合成第一、第二鏈cDNA,獲得雙鏈cDNA,經(jīng)1%瓊脂糖凝膠電泳后發(fā)現(xiàn),雙鏈cDNA為彌散狀條帶,片段大小均大于0.1 kb(圖2),符合試驗(yàn)要求。
對(duì)雙鏈DNA進(jìn)行酶切后電泳,結(jié)果發(fā)現(xiàn),酶切后的片段明顯較未經(jīng)酶切片段減小(圖3),說(shuō)明酶切效果較好,可以進(jìn)行下一步cDNA接頭的連接。
雙鏈cDNA與接頭連接效率的高低是決定抑制性消減雜交成敗非常關(guān)鍵的一步。利用中華絨螯蟹管家基因β-actin上下游特異性引物以及試劑盒所帶的3'端特異性引物與PCR primer 1對(duì)兩組分別連接有接頭1和接頭2的cDNA進(jìn)行PCR擴(kuò)增,經(jīng)瓊脂糖凝膠電泳后發(fā)現(xiàn),管家基因的3'端特異引物與接頭的外側(cè)引物primer 1組合的擴(kuò)增片段大于管家基因3'、5'端特異引物組合的擴(kuò)增片段,且以β-actin內(nèi)部特異引物和接頭引物組成的引物組擴(kuò)增產(chǎn)物亮度超過(guò)以β-actin 2個(gè)特異引物為引物組擴(kuò)增產(chǎn)物亮度的1/4(圖4),說(shuō)明連接效果較好,接頭的連接效率至少達(dá)到25%,可以用于消減雜交。
用接頭序列的外側(cè)引物對(duì)消減雜交產(chǎn)物進(jìn)行第一輪PCR擴(kuò)增,30個(gè)循環(huán)后,正向和反向消減雜交產(chǎn)物的PCR產(chǎn)物均呈彌散狀條帶(圖5)。
圖3 Rsa I酶切分析Fig.3 Reverse transcription cDNA of Eriocheir sinensis after Rsa I digestion and not Rsa I digestion
圖4 接頭連接效率檢測(cè)Fig.4 Test of adaptors ligation efficiency
圖5 消減產(chǎn)物第一輪PCRFig.5 The first PCR result of subtractive hybridization product
圖6 消減產(chǎn)物第二輪PCRFig.6 The second PCR result of subtractive hybridization product
用接頭序列的內(nèi)側(cè)引物對(duì)第一輪PCR稀釋產(chǎn)物進(jìn)行第二次PCR擴(kuò)增(巢式PCR),15個(gè)循環(huán)后發(fā)現(xiàn),第二輪PCR產(chǎn)物為0.2~1.5 kb之間的大小不一條帶(圖6)。
將第二次PCR擴(kuò)增產(chǎn)物與pGEM-T Easy載體連接,轉(zhuǎn)化DH5α感受態(tài)細(xì)胞,進(jìn)行消減cDNA質(zhì)粒文庫(kù)的構(gòu)建。隨機(jī)從文庫(kù)挑取15個(gè)陽(yáng)性克隆,以Nesetd PCR Primer l和Nested PCR Primer 2R為引物進(jìn)行菌落PCR擴(kuò)增,結(jié)果發(fā)現(xiàn),插入cDNA片斷的大小主要集中在100~1 000 bp之間(圖7),表明所構(gòu)建文庫(kù)質(zhì)量較好,可以用于后續(xù)的測(cè)序分析。
圖7 菌落PCR檢測(cè)消減cDNA文庫(kù)克隆插入片段大小Fig.7 Identification of the inserted cDNA fragment in subtractive cDNA library by PCR
將54個(gè)陽(yáng)性克隆送樣測(cè)序,測(cè)序結(jié)果通過(guò)DNAMAN軟件分析,獲得37條EST序列。將獲得序列提交到NCBI選擇BLASTn進(jìn)行比對(duì)發(fā)現(xiàn),有6條ESTs與其他物種的免疫基因序列具有較高的同源性(表1),說(shuō)明所構(gòu)建的文庫(kù)達(dá)到了富集抗病相關(guān)基因的目的,可用于下一步免疫相關(guān)基因的篩選和功能分析。
表1 免疫相關(guān)的差異表達(dá)片段BLAST同源性比對(duì)結(jié)果Tab.1 BLAST analysis result of differentially expressed immune-related segments
起始總RNA和mRNA的質(zhì)量和完整性是差異表達(dá)cDNA文庫(kù)能否成功構(gòu)建的關(guān)鍵步驟之一。從圖1可見(jiàn),本試驗(yàn)所提取的血淋巴細(xì)胞總RNA經(jīng)瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)發(fā)現(xiàn)有18 S、28 S和5 S三條清晰的條帶,說(shuō)明提取的總RNA具有很好的完整性。一般認(rèn)為,在真核生物中,總RNA在正常情況下28 S rRNA的亮度約為18 S rRNA的兩倍[11],但本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),28 S rRNA的亮度低于18 S rRNA,這種現(xiàn)象在中國(guó)對(duì)蝦[12]和凡納濱對(duì)蝦[13]中也存在。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能有四點(diǎn):一是試驗(yàn)過(guò)程中有部分28 S rRNA被降解;二是中華絨螯蟹總RNA的28 S rRNA比18 S rRNA少;三是RNA在電泳過(guò)程中28 S rRNA更易形成二級(jí)結(jié)構(gòu);四是不同物種間總RNA的28 S rRNA和18 S rRNA比例不同所致[13]。另外,在文庫(kù)構(gòu)建過(guò)程,從反轉(zhuǎn)錄合成cDNA及RasⅠ酶切檢測(cè)、加接頭連接效率到消減cDNA片段的消減效率分析等每個(gè)環(huán)節(jié)都進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,保證每步獲得的結(jié)果達(dá)到后續(xù)試驗(yàn)的要求,確保獲得高質(zhì)量的差異表達(dá)cDNA文庫(kù)。從菌落PCR擴(kuò)增及陽(yáng)性克隆測(cè)序結(jié)果可以看出,所獲得的陽(yáng)性克隆片段大小具有很好的多態(tài)性,同時(shí)一些與抗病相關(guān)的基因得到了富集。
通過(guò)進(jìn)一步對(duì)隨機(jī)挑取的54個(gè)陽(yáng)性克隆進(jìn)行測(cè)序和序列比對(duì)發(fā)現(xiàn),有6條EST序列與免疫相關(guān)。其中,Hem 01與油橄欖(Olea europaea)類(lèi)甜蛋白(Thaumatin-like protein,TLP)基因序列相似性達(dá)到100%,該基因已被證實(shí)具有顯著的抗真菌活性,一些轉(zhuǎn)TLPs基因的植物對(duì)于真菌性病害的抗性也顯著增強(qiáng)[15]。Hem 02與栽培蘋(píng)果(Malus domestica)金屬硫蛋白(metallothionein,MT)基因序列相似性為100%,已有研究表明,該基因在中華絨螯蟹先天免疫應(yīng)答中發(fā)揮重要功能[16]。作為先天性免疫系統(tǒng)的重要組成部分,Toll樣受體(Toll-like receptors,TLRs)是生物的一種模式識(shí)別受體(pattern recognition receptor,PRR),它主要通過(guò)識(shí)別病原相關(guān)分子模式(pathogen-associated molecular patterns,PAMPs)來(lái)啟動(dòng)免疫反應(yīng)。已發(fā)現(xiàn)TLRs在炎癥、細(xì)胞凋亡、腫瘤等發(fā)生過(guò)程中扮演重要角色,同時(shí)具有介導(dǎo)抗真菌感染信號(hào)轉(zhuǎn)到的功能。本研究從文庫(kù)中篩選的Toll樣受體(Hem 03)及已報(bào)道的從中華絨螯蟹cDNA文庫(kù)中獲得的該基因EST序列[5]表明,Toll樣受體在該物種抗病過(guò)程中具有重要的功能,對(duì)該基因的進(jìn)一步研究將有助于更深入的了解中華絨螯蟹的免疫應(yīng)答機(jī)制。Crustin是一類(lèi)具有廣譜抗菌活性的抗菌肽,研究表明,Crustin普遍存在于甲殼動(dòng)物(蟹、對(duì)蝦、龍蝦、螯蝦等)血淋巴中,對(duì)細(xì)菌和真菌均有抗菌活性[17-18]。本研究篩選到的該基因(Hem 04)與大西洋小龍蝦(Nephrops norvegicus)相似性為97%,且該基因已被證實(shí)參與了中華絨螯蟹的先天免疫應(yīng)答反應(yīng)[19]。另外,有研究表明,從文庫(kù)中篩選獲得的組織蛋白酶基因(Hem 04)也與中華絨螯蟹抗病相關(guān)[20]。轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子(TGF)是多種免疫細(xì)胞的骨泌或旁分泌調(diào)節(jié)因子,在特異性抗原等刺激下,核巨噬細(xì)胞和淋巴細(xì)胞被激活,產(chǎn)生并釋放TGF。這些免痤細(xì)胞都有TGF受體,激活后所釋放的TGF以自分泌或旁分泌方式反饋?zhàn)饔糜谶@些細(xì)胞。幾乎所有的正常細(xì)胞表面都有TGF受體,現(xiàn)已知有三種高親和性的細(xì)胞膜受體,稱(chēng)為I型、Ⅱ型和Ⅲ型受體。其中,I型受體是糖蛋白,是一種跨膜的絲氨酸/蘇氨酸激酶,主要介導(dǎo)TGF對(duì)細(xì)胞外基質(zhì)作用的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)[21]。本研究篩選到的轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子受體基因(Hem 06)將有助于進(jìn)一步了解中華絨螯蟹免疫信號(hào)識(shí)別及傳遞途徑和機(jī)制。
以上結(jié)果表明,本研究獲得了中華絨螯蟹高質(zhì)量的差異表達(dá)cDNA文庫(kù),可用于后續(xù)大規(guī)模測(cè)序及EST分析,并且可以從該文庫(kù)中篩選出一些差異表達(dá)的與免疫相關(guān)的基因序列。對(duì)這些基因序列可進(jìn)一步通過(guò)設(shè)計(jì)引物,進(jìn)行基因全長(zhǎng)擴(kuò)增,并對(duì)其功能進(jìn)行研究,為闡述中華絨螯蟹先天免疫反應(yīng)的分子機(jī)制提供理論依據(jù)。
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