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      黃曲霉核糖體蛋白基因在不同生長(zhǎng)時(shí)期的表達(dá)分析

      2018-05-07 08:33:10耿龍潑王鑫旺黃路華鄧基利汪世華張峰
      生物技術(shù)通報(bào) 2018年4期
      關(guān)鍵詞:核糖體菌核黃曲霉

      耿龍潑 王鑫旺 黃路華 鄧基利 汪世華 張峰

      (福建農(nóng)林大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 福建省病原真菌與真菌毒素重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福州 350002)

      黃曲霉是一種常見的腐生真菌,它在緯度為16°-35°的溫帶地區(qū)極易從土壤中分離得到[1]。黃曲霉能以菌核的形式存在于土壤中并且抵御極端環(huán)境,而后產(chǎn)生分生孢子在炎熱干旱的環(huán)境條件下爆發(fā)[2]。黃曲霉作為人、動(dòng)物和植物的共同病原菌,可引起人和動(dòng)物的曲霉病。有報(bào)道稱北美地區(qū)65%的兒童曲霉病是由黃曲霉引起的[3]。此外,黃曲霉還會(huì)侵染花生、玉米、棉籽、堅(jiān)果、茶葉等作物[4]。全世界約有25%的谷物因污染真菌而不可食用,其中以黃曲霉的污染較為嚴(yán)重[5]。

      黃曲霉除了自身能引起曲霉病和污染糧食作物的危害外,其另一個(gè)主要的危害是在生長(zhǎng)發(fā)育的過程中產(chǎn)生的次級(jí)代謝產(chǎn)物黃曲霉毒素(Aflatoxin,AFT)。黃曲霉毒素是聚酮化合物衍生的二呋喃香豆素,其合成由靠近3號(hào)染色體端粒處的一個(gè)含29個(gè)基因的基因簇調(diào)控[6]。黃曲霉毒素在酸性和中性條件下較為穩(wěn)定,難溶于水,而易溶于有機(jī)溶劑,且具有熒光特性[7]。常見的黃曲霉毒素有AFB1、AFB2、AFG1、AFG2、AFM1、AFM2等, 其 中 AFB1可以耐高溫,并且AFB1也是毒性和致癌性較強(qiáng)的物質(zhì)[8-9]。研究表明,當(dāng)黃曲霉的分生孢子和菌核的發(fā)育受到影響時(shí),菌株幾乎失去毒素合成的能力[10]。此外,當(dāng)黃曲霉的分生孢子產(chǎn)量增多時(shí),菌株的毒素合成量也有所提高[11]。這暗示黃曲霉的生長(zhǎng)發(fā)育能夠影響其毒素的產(chǎn)生。

      核糖體蛋白作為核糖體的主要組成成分,除了在細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)生物合成中發(fā)揮著重要作用外,還具有其他的生物學(xué)功能。有研究表明抗黃曲霉品種的花生種子在發(fā)育時(shí)核糖體蛋白L41的表達(dá)比敏感品種中多,說明核糖體蛋白與植物的抗逆境能力息息相關(guān)[12]。也有研究表明核糖體蛋白L13可以結(jié)合去乙?;窼irT1,促進(jìn)其泛素化,從而抑制細(xì)胞周期和細(xì)胞凋亡[13]。在蛋白質(zhì)組水平對(duì)黃曲霉可變剪接的檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn),核糖體蛋白L32存在著不同的剪接方式,這暗示了黃曲霉核糖體蛋白的不同表達(dá)方式可能在細(xì)胞中擔(dān)負(fù)著不同的生物學(xué)功能[14]。利用穩(wěn)定的同位素標(biāo)記法對(duì)產(chǎn)毒和非產(chǎn)毒狀態(tài)的黃曲霉總蛋白進(jìn)行標(biāo)記,分析發(fā)現(xiàn)核糖體蛋白L27的表達(dá)量存在差異,說明黃曲霉特定核糖體蛋白的表達(dá)量與其產(chǎn)毒存在著重要聯(lián)系[15]。

      基于此,我們通過熒光定量RT-PCR對(duì)黃曲霉各個(gè)發(fā)育時(shí)期的74個(gè)核糖體蛋白mRNA進(jìn)行定量,以期找出與黃曲霉生長(zhǎng)發(fā)育緊密聯(lián)系的核糖體蛋白,為今后揭示核糖體蛋白調(diào)控黃曲霉生長(zhǎng)發(fā)育的機(jī)制奠定基礎(chǔ)。

      1 材料與方法

      1.1 材料

      本研究所用的黃曲霉菌株為Aspergillus flavusNRLL3357(由中山大學(xué)賀竹梅教授惠贈(zèng))。將少量黃曲霉孢子接種于PDA(Difco)培養(yǎng)基上,于37℃黑暗恒溫培養(yǎng)5 d后收集孢子,制備成孢子懸液。取106個(gè)孢子均勻涂布于鋪有玻璃紙的Wickerham[16]培養(yǎng)基上,分別于37℃黑暗恒溫培養(yǎng)1 d、3 d、7 d后收集樣品,命名為菌絲期、孢子期、菌核期,每組3個(gè)平行,樣品收集后用液氮迅速冷凍,于-80℃保存?zhèn)溆谩?/p>

      黃曲霉核糖體蛋白mRNA序列從NCBI(National Center for Biotechnology Information)網(wǎng)站獲得,熒光定量PCR引物設(shè)計(jì)使用軟件Primer 5.0,引物合成由北京六合華大基因科技股份有限公司完成。

      1.2 方法

      1.2.1 總RNA的提取 稱取0.15 g菌體,加入1 mL冰上預(yù)冷的Trizol(Invitrogene),再加入0.2 mL直徑1.5 mm的磁珠,在組織破碎儀上65 Hz震蕩破碎90 s,5 000 r/min低溫離心2 min。取上清,加入200 μL氯仿,劇烈震蕩1 min,冰上放置10 min,12 000 r/min低溫離心15 min。取500 μL上清液至新的EP(RNase free)管中,加入500 μL異丙醇,顛倒混勻,冰上放置10 min,12 000 r/min低溫離心15 min。棄上清,加入1 mL 75%的乙醇(DEPC水配制)洗滌沉淀,10 000 r/min低溫離心5 min。棄上清,靜置晾干沉淀,加入30 μL DEPC水溶解沉淀,使用瓊脂糖凝膠和Nanodrop 2000分光光度計(jì)檢測(cè)總RNA的質(zhì)量和純度,-80℃保存?zhèn)溆谩?/p>

      1.2.2 逆轉(zhuǎn)錄合成cDNA 取2 μg的RNA加入2 μL oligo(dT)18(10 mmol/L)引物并用DEPC水補(bǔ)齊至15 μL,70℃變性5 min,迅速轉(zhuǎn)移至冰上,冷卻2 min。向上述溶液中加入 0.5 μL RTase(Promega)、0.2 μL RNase Inhibitor(TaKaRa)、1.5 μL dNTP、5 μL RT buffer 和 2.8 μL DEPC 水,混勻,42℃反轉(zhuǎn)錄反應(yīng)2 h,即得到cDNA。

      1.2.3 熒光定量RT-PCR 將上述反轉(zhuǎn)錄得到的cDNA稀釋10倍用于熒光定量RT-PCR反應(yīng),體系為 :3 μL cDNA,1 μL 引物 F(5 μmol/L),1 μL 引物R(5 μmol/L),5 μL 2×SYBR Green Mix(ABI),總體積10 μL。熒光定量RT-PCR擴(kuò)增條件如下:預(yù)變性,95℃ 7 min;PCR 反應(yīng),95℃ 15 s,56℃ 15 s,72℃ 45 s,循環(huán)40次。在72℃采集和記錄熒光。然后保持95℃ 15 s,60℃ 1 min,每10 s 加0.5℃直到95℃擴(kuò)增結(jié)束。反應(yīng)在ABI StepSnePlus 實(shí)時(shí)熒光定量PCR儀上進(jìn)行。選擇β-tubulin作為內(nèi)參基因,每組樣品3個(gè)平行,目標(biāo)基因的相對(duì)表達(dá)量采用2-ΔΔCt法計(jì)算[17]。使用GraphPad Prism 5進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和顯著性分析,Tukey多重比較用于顯著性分析,如果P<0.05,則認(rèn)為顯著。

      1.2.4 黃曲霉核糖體蛋白基因功能預(yù)測(cè) Gene Ontology功能分析數(shù)據(jù)在DAVID網(wǎng)站獲得(https://david.ncifcrf.gov/),GO功能富集分析使用OmicShare工具(www.omicshare.com/tools)。

      2 結(jié)果

      2.1 黃曲霉不同生長(zhǎng)時(shí)期的菌落形態(tài)

      黃曲霉孢子在Wickerham培養(yǎng)基上37℃黑暗條件下培養(yǎng)1 d后,孢子在培養(yǎng)基上萌發(fā)生長(zhǎng)出白色的菌絲,為黃曲霉的菌絲期(圖1)。當(dāng)培養(yǎng)到第3天時(shí),菌落呈現(xiàn)出綠色,顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)此時(shí)的菌絲會(huì)長(zhǎng)出分生孢子頭,為黃曲霉的孢子期(圖2)。當(dāng)培養(yǎng)到第7天時(shí),培養(yǎng)基的營(yíng)養(yǎng)成分大部分被利用完,部分菌絲會(huì)凋亡,此時(shí)的菌落呈現(xiàn)出灰綠色。當(dāng)用75%的酒精噴洗掉菌落表面的孢子和菌絲,可以明顯看到形成的具有抗逆性的黑灰色菌核,為黃曲霉的菌核期(圖3)。

      2.2 熒光定量RT-PCR分析結(jié)果

      對(duì)提取的各時(shí)期的總RNA檢測(cè)顯示完整性好且質(zhì)量符合要求后,反轉(zhuǎn)錄獲得cDNA,用于熒光定量RT-PCR檢測(cè)。熒光定量RT-PCR檢測(cè)結(jié)果表明,在所有檢測(cè)的核糖體蛋白基因中,沒有一個(gè)基因的表達(dá)量在3個(gè)時(shí)期是恒定的。如果以菌絲期作為參照,在孢子期共有54個(gè)核糖體蛋白基因的表達(dá)量上調(diào),而在菌核期有57個(gè)核糖體蛋白基因的表達(dá)量上調(diào),其中在孢子期、菌核時(shí)期表達(dá)量均上調(diào)的基因有42個(gè)(圖4-A)。但是,與菌絲期相比,只有2個(gè)核糖體蛋白的基因表達(dá)量在孢子期下調(diào),而在菌核期表達(dá)量下調(diào)的核糖體蛋白基因有12個(gè),在孢子期、菌核時(shí)期表達(dá)量均下調(diào)的基因有2個(gè)(圖4-B)。由此可見,黃曲霉核糖體蛋白的表達(dá)量與菌株的生長(zhǎng)發(fā)育密切相關(guān),且在孢子期參與生命活動(dòng)的核糖體蛋白數(shù)目最多,菌核期次之,菌絲期最少。

      圖1 黃曲霉菌絲時(shí)期的菌落形態(tài)

      圖2 黃曲霉孢子時(shí)期的菌落形態(tài)

      圖3 黃曲霉菌核時(shí)期的菌落形態(tài)

      通過進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),多數(shù)核糖體蛋白基因從菌絲期發(fā)展到孢子期和菌核期后發(fā)生了明顯上調(diào),且大致可以分為以下兩類:(1)在孢子期和菌核期有42個(gè)基因的表達(dá)量均上調(diào),且存在顯著差異(P<0.05)。它們可以分為3種情況:第一種情況是相比菌絲期表達(dá)量上調(diào),但在孢子期、菌核期之間表達(dá)量無顯著差異的基因有9個(gè),其中核糖體大亞基蛋白基因有2個(gè),核糖體小亞基蛋白基因有7個(gè)(圖5-A)。第二種情況是在孢子期的表達(dá)量比菌核期多的基因有9個(gè),其中核糖體大亞基蛋白基因有4個(gè),核糖體小亞基蛋白基因有5個(gè)(圖5-B)。第3種情況是在菌核期的表達(dá)量比孢子期多的基因共有24個(gè),其中核糖體大亞基蛋白基因有15個(gè)(圖5-C),核糖體小亞基蛋白基因有9個(gè)(圖5-D)。值得一提的是,大亞基L9、L25p、L27、L31的表達(dá)量是菌絲期的數(shù)十倍。(2)共有27個(gè)核糖體蛋白基因的表達(dá)量只在孢子期或菌核期單一時(shí)期上調(diào),且存在顯著差異(P<0.05)。有12個(gè)基因的表達(dá)量只在孢子期出現(xiàn)上調(diào)(圖6-A),有15個(gè)基因的表達(dá)量只在菌核期出現(xiàn)上調(diào)(圖6-B)。有趣的是,這15個(gè)只在菌核期表達(dá)上調(diào)的基因在菌絲期、孢子期的表達(dá)量都沒有明顯的差異。

      圖4 差異表達(dá)基因在不同時(shí)期的分布

      此外,與菌絲期相比,L13、S0在孢子期、菌核期的表達(dá)量均有所降低,且存在顯著差異(P<0.05)。雖然L17、S2、S10在菌絲期、孢子期的表達(dá)量沒有明顯差異,但在菌核期的表達(dá)量卻有所降低,且存在顯著差異(P<0.05)(圖7)。除了這5個(gè)基因之外,L2、L5、L7、L8、L12、S3、S6等7個(gè)基因在孢子期表達(dá)上調(diào),但是在菌核期明顯下調(diào),且存在顯著差異(P<0.05)。

      2.3 黃曲霉核糖體蛋白基因功能富集分析

      圖5 孢子期和菌核期表達(dá)量均上調(diào)的核糖體蛋白基因的表達(dá)分析

      圖6 孢子期或菌核期表達(dá)量上調(diào)的核糖體蛋白基因的表達(dá)分析

      圖7 表達(dá)量下調(diào)的核糖體蛋白基因的表達(dá)分析

      對(duì)黃曲霉核糖體蛋白基因進(jìn)行GO分類,得到包括分子功能,細(xì)胞組分和生物過程3部分,共9個(gè)類別的結(jié)果(表1)??偣哺患玫?種分子功能,即結(jié)構(gòu)分子活性功能(6個(gè)基因)和結(jié)合功能的(3個(gè)基因),其中S15既具有結(jié)構(gòu)分子活性又具有結(jié)合功能。富集得到包含細(xì)胞、細(xì)胞部分、大分子復(fù)合物、細(xì)胞器和細(xì)胞器部分的5種細(xì)胞組分,其中L17、S0、S1、S15、S20在這5種細(xì)胞組分中均有出現(xiàn)。富集得到包括細(xì)胞過程和代謝過程在內(nèi)的2種生物過程,P1、P2、L12、L21、L27、L34、S12、S24均參與這2種生物過程。值得注意的是,L21在所得到的分類中均有出現(xiàn),而S15同時(shí)出現(xiàn)在分子功能和細(xì)胞組分的分類中。這暗示上述兩種核糖體蛋白可能具有較為重要的作用。

      3 討論

      核糖體蛋白作為核糖體的主要組成成分,除了在細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)生物合成中發(fā)揮著重要作用外,還具有其他的核糖體外生物學(xué)功能。為了探究黃曲霉核糖體蛋白與其生長(zhǎng)發(fā)育之間的關(guān)系,我們利用熒光定量RT-PCR對(duì)黃曲霉菌絲期、孢子期、菌核期的74個(gè)核糖體蛋白基因的表達(dá)量進(jìn)行分析,結(jié)果表明在黃曲霉生長(zhǎng)發(fā)育的不同時(shí)期,核糖體蛋白基因的表達(dá)量存在明顯差異。

      熒光定量RT-PCR結(jié)果表明,以菌絲期作為參照,共有54個(gè)核糖體蛋白基因的表達(dá)量在孢子期出現(xiàn)上調(diào),在菌核期表達(dá)量上調(diào)的核糖體蛋白基因也有57個(gè),且都存在顯著差異(P<0.05)。引起這一現(xiàn)象的原因可能是黃曲霉完成其初始生長(zhǎng)階段,以孢子的形成為代表的發(fā)育階段開始進(jìn)行,菌體的發(fā)育及代謝的增多需要多種效應(yīng)基因的響應(yīng),因而在孢子期和菌核期表達(dá)量上調(diào)的基因數(shù)量增多。如GO功能分析得到的分子功能中發(fā)揮結(jié)合功能的L1、L9、S15的表達(dá)量在孢子期或菌核期出現(xiàn)上調(diào),這些核糖體蛋白的增多能夠結(jié)合rRNA形成更多的核糖體來發(fā)揮功能。參與細(xì)胞過程和代謝過程的P1、P2、L12、L21、L27、L34、S12、S24的表達(dá)量在孢子期或菌核期也出現(xiàn)上調(diào)。此外,有研究表明糖體蛋白L11、L23、S7能夠誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡[18-20],這3個(gè)基因的表達(dá)量在黃曲霉的孢子期和菌核期均出現(xiàn)上調(diào),可能與菌體的逐漸衰老凋亡有關(guān)。

      表1 黃曲霉核糖體蛋白基因GO分類

      與菌絲期相比,有2個(gè)核糖體蛋白基因的表達(dá)量在孢子期是下調(diào)的,而到了菌核時(shí)期表達(dá)量下調(diào)的核糖體蛋白基因有12個(gè)。引起這一變化的原因可能是隨著發(fā)育的進(jìn)行菌體內(nèi)活性氧水平逐漸升高,高水平的活性氧促進(jìn)了菌核的形成,但菌體中的氧化應(yīng)激引起了內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng),在核糖體蛋白基因的表達(dá)上表現(xiàn)出效應(yīng)[21-22],因而使得在表達(dá)的核糖體蛋白基因減少。此外,有實(shí)驗(yàn)表明核糖體蛋白L7的表達(dá)量下調(diào)明顯與細(xì)胞的衰老有關(guān)[23]。黃曲霉進(jìn)入菌核期后,核糖體蛋白L7的表達(dá)量出現(xiàn)明顯下調(diào),可能與該時(shí)期菌體的衰老有關(guān)。李紅艷[24]發(fā)現(xiàn)核糖體蛋白S3的表達(dá)減少導(dǎo)致細(xì)胞凋亡而引起果蠅幼蟲發(fā)育的遲緩。當(dāng)黃曲霉進(jìn)入生長(zhǎng)發(fā)育的孢子期,核糖體蛋白S3的表達(dá)量明顯比菌絲期上調(diào),而進(jìn)入生長(zhǎng)發(fā)育緩慢的菌核期后,核糖體蛋白S3的表達(dá)量明顯下調(diào),暗示了核糖體蛋白S3在果蠅和黃曲霉中可能發(fā)揮相同的作用。

      用可引起DNA損傷的重金屬鎘處理香魚肝細(xì)胞,熒光定量RT-PCR檢測(cè)結(jié)果表明核糖體蛋白P0的表達(dá)增加,表明核糖體蛋白P0與DNA的損傷修復(fù)有關(guān)[25]。黃曲霉進(jìn)入菌核期后,核糖體蛋白P0的表達(dá)量明顯上調(diào),可能是這一時(shí)期菌體中高水平的活性氧引起DNA的損傷,因而使得具有修復(fù)功能的蛋白P0的表達(dá)量上調(diào)。在應(yīng)激條件下,去乙酰化酶SirT1可以增強(qiáng)細(xì)胞的自我修復(fù),延長(zhǎng)細(xì)胞壽命,而核糖體蛋白L13可以結(jié)合SirT1,促進(jìn)其泛素化降解[13]。在黃曲霉的孢子期和菌核期,核糖體蛋白L13的表達(dá)量逐漸出現(xiàn)下調(diào),可能與響應(yīng)應(yīng)激及延長(zhǎng)菌體壽命有關(guān)。

      雖然本研究從轉(zhuǎn)錄水平證實(shí)了黃曲霉核糖體蛋白與其生長(zhǎng)發(fā)育之間存在著緊密聯(lián)系,但每個(gè)核糖體蛋白在生長(zhǎng)發(fā)育過程中的具體作用還有待進(jìn)一步的鑒定。

      4 結(jié)論

      本研究通過對(duì)黃曲霉菌絲期、孢子期、菌核期的74個(gè)核糖體蛋白基因的表達(dá)量分析發(fā)現(xiàn),沒有一個(gè)被檢測(cè)的核糖體蛋白基因的表達(dá)量在三個(gè)時(shí)期都是恒定的。分析結(jié)果表明在孢子期參與生命活動(dòng)的核糖體蛋白數(shù)目最多,菌核期次之,菌絲期最少。對(duì)黃曲霉核糖體蛋白基因進(jìn)行GO功能分析表明,9個(gè)基因富集于2種分子功能,10個(gè)基因富集于5種細(xì)胞組分,有8個(gè)基因參與到細(xì)胞過程和代謝過程的生物過程中??梢姾颂求w蛋白與黃曲霉的生長(zhǎng)發(fā)育具有緊密聯(lián)系,而其在生長(zhǎng)發(fā)育中具體的調(diào)控機(jī)制還有待進(jìn)一步的研究。

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