任 海,張文香,李佩國,華智杰,梅 靜,李杜文 (河北科技師范學(xué)院 動(dòng)物科技學(xué)院,
大菱鲆(Scophthalmusmaximus)是原產(chǎn)歐洲的名貴魚種,是世界公認(rèn)的優(yōu)質(zhì)比目魚之一,在中國稱“多寶魚”或“瘤棘鲆”,是我國重要的海水養(yǎng)殖魚類[1-2]。近幾年,隨著養(yǎng)殖規(guī)模不斷增加,弧菌病常給大菱鲆養(yǎng)殖業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失,其中以鰻弧菌的危害作用最大,它的致病性與自身的毒力因子有關(guān),其中胞外蛋白酶(金屬蛋白酶)具有很強(qiáng)的致病性,該結(jié)果已經(jīng)在INAMURA等[1]、陳吉祥等[2]和LEE等[3]的研究中被證實(shí)。陳吉祥等[2]從花鱸體內(nèi)分離獲得的鰻弧菌,純化后的金屬蛋白酶能夠引起鱸魚組織損傷和死亡。池政豪[4]研究證實(shí)鰻弧菌胞外金屬蛋白酶對(duì)牙鲆鰓細(xì)胞具有明顯的毒性作用,透射電鏡觀察發(fā)現(xiàn)鰓細(xì)胞內(nèi)出現(xiàn)凋亡小體并出現(xiàn)崩解現(xiàn)象。GPxs是一個(gè)多酶家族的統(tǒng)稱,目前在動(dòng)物體內(nèi)發(fā)現(xiàn)存在8種GPx,其中GPx1是第1個(gè)被發(fā)現(xiàn)的硒蛋白[5],它是以GSH為催化底物,通過催化氧化態(tài)的GSH生成還原態(tài)的GSH來阻斷活性氧自由基(ROS)對(duì)生物體造成的進(jìn)一步損傷,是體內(nèi)重要的ROS清除劑[6]。目前,關(guān)于GPx1的基因克隆和表達(dá)相關(guān)研究在魚類中已有報(bào)道,如藍(lán)旗金槍魚[7]、大黃魚[8]、羅非魚[9]和淇河鯽[10]等,然而大菱鲆GPx1基因的克隆及相關(guān)研究未見報(bào)道,因此深入了解大菱鲆GPx1基因的功能,探討大菱鲆GPx對(duì)病原菌毒力因子的響應(yīng)具有重要的理論和實(shí)踐意義。
為了研究大菱鲆GPx在抵御鰻弧菌毒力因子中的作用,本研究首次利用cDNA末端快速擴(kuò)增(RACE)技術(shù)克隆獲得了大菱鲆GPx1全長cDNA序列,分析其生物學(xué)功能,通過qRT-PCR技術(shù)和酶活測定技術(shù)研究了GPx1基因在大菱鲆各組織中的表達(dá)以及經(jīng)金屬蛋白酶脅迫下GPx1基因以及GPx蛋白變化,同時(shí)檢測脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物MDA在金屬蛋白酶脅迫后的變化,為進(jìn)一步闡明大菱鲆抗氧化防御系統(tǒng)對(duì)病原菌毒力因子的響應(yīng)提供理論參考。
1.1 材料及試劑試驗(yàn)所用大菱鲆購自河北秦皇島昌黎縣某養(yǎng)殖場,挑選健康活潑的大菱鲆暫養(yǎng)在80 cm×40 cm×50 cm的玻璃缸中,每天投喂前吸取殘餌糞便,每3 d換水1 次,每次換水量為總水量的1/2,養(yǎng)殖過程中鹽度為19,溫度為(16±1)℃,試驗(yàn)前暫養(yǎng)1周。
試驗(yàn)試劑:TRIzol試劑盒購自Invitrogen公司;SYBR?Premix Ex TaqTMⅡ試劑盒、反轉(zhuǎn)錄酶(M-MLV)、TaKaRa LA Taq?、pMD19-T Vector、感受態(tài)細(xì)胞DH5a、DNA膠回收試劑盒和SYBR Premix Ex TaqTMⅡ均購自寶生物工程(大連)有限公司;SMARTTMRACE Amplification Kit和Advantage 2PCR Kit購自Clontech公司;本試驗(yàn)所用引物均由生工生物工程(上海)股份有限公司北京分公司合成,其余試劑均為國產(chǎn)分析純。
1.2 總RNA提取和cDNA合成取健康大菱鲆肝組織經(jīng)過液氮研磨后轉(zhuǎn)入盛有1 mL TRIzol的1.5 mL無RNA酶離心管中,按照試劑盒說明書提取大菱鲆肝臟組織總RNA,核酸定量測定儀(Thermo,NANO DROP-2000)檢測RNA濃度,1.0%瓊脂糖凝膠電泳檢測完整性。以總RNA為模板,采用PrimerScript?RT reagent Kit With gDNA Eraser試劑盒去除基因組DNA后,經(jīng)過37℃ 15 min延伸和85℃ 5 s逆轉(zhuǎn)錄反應(yīng)獲得cDNA第1鏈。按照Clontech公司生產(chǎn)的SMARTTMRACE Amplification Kit的說明書合成5′和3′RACE cDNA,-20℃冰箱保存?zhèn)溆谩?/p>
1.3 大菱鲆GPx1基因cDNA片段的克隆從GenBank數(shù)據(jù)庫中(http://www.ncbi.nlm.nih.gov)搜索牙鲆(EU095498.1)、塞內(nèi)加爾鰨(HM068301.1)、條石鯛(AY734530.1)和大黃魚(KY689025.1)的GPx1基因,利用DNAMAN軟件進(jìn)行同源性比對(duì),在保守區(qū)域設(shè)計(jì)兼并引物(GPx-F2,GPx-R1)(表1),以大菱鲆肝臟組織cDNA為模板,進(jìn)行PCR擴(kuò)增,PCR擴(kuò)增體系10 μL,反應(yīng)條件:94℃ 5 min;94℃ 45 s,57℃ 45 s,72℃ 1 min 10 s,33個(gè)循環(huán);72℃延伸10 min,4℃保存。1.0%瓊脂糖凝膠電泳檢驗(yàn)擴(kuò)增片段正確性,使用SanPrep柱式DNA膠回收試劑盒回收純化,與pMD19-T載體連接4 h以上后轉(zhuǎn)到DH5α感受態(tài)細(xì)胞中,經(jīng)菌落PCR鑒定選取陽性克隆送北京三博遠(yuǎn)志生物技術(shù)有限責(zé)任公司進(jìn)行雙向測序。
1.4 大菱鲆GPx1基因全長克隆經(jīng)NCBI比對(duì)證實(shí)測序結(jié)果為大菱鲆GPx1基因片段后,利用Primer Primer 5.0設(shè)計(jì)GPx1基因5′和3′RACE特異性引物(GPx1-5-3和GPx1-3-2)(表1)。按照SMARTTMRACE Amplification Kit說明書進(jìn)行該基因的5′-RACE和3′-RACE PCR擴(kuò)增,1.0%瓊脂糖凝膠電泳檢測所擴(kuò)增的片段大小,將擴(kuò)增正確的PCR產(chǎn)物進(jìn)行純化和測序等,具體方法同1.3。
表1 本試驗(yàn)所用的引物序列
1.5 生物信息學(xué)分析利用DNAMAN進(jìn)行全序列拼接,DNAStar軟件預(yù)測開放閱讀框(ORF)并翻譯成氨基酸;ProtParam程序(http://web.expasy.org/protparam)和(http://www.expasy.org/too/protparam.html)分析蛋白質(zhì)基本物理化學(xué)參數(shù);利用(http://cn.expasy.org/prosite)對(duì)蛋白質(zhì)序列功能位點(diǎn)進(jìn)行預(yù)測;通過在線軟件TMHMM(http://www.cbs.dtu.dk/services/TMHMM)預(yù)測蛋白質(zhì)跨膜結(jié)構(gòu);通過在線軟件SignalP(http://www.cbs.dtu.dk/services/SignalP)預(yù)測蛋白質(zhì)信號(hào)肽;利用在線軟件NetNGlyc(http://www.cbs.dtu.dk/services/NetNGlyc)分析蛋白質(zhì)糖基化位點(diǎn);利用DNAMAN軟件對(duì)大菱鲆及其他物種的GPx1氨基酸序列進(jìn)行比對(duì),然后利用MEGA 4.0構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹。
1.6 GPx1基因在不同組織中的轉(zhuǎn)錄水平根據(jù)GPx1基因和內(nèi)參基因β-actin全長序列,利用Primer Primer 5.0軟件設(shè)計(jì)熒光定量特異性引物GPx1-F、GPx1-R、Actin-F 和Actin-R(表1),按照SYBR?Premix Ex TaqTMⅡ(TaKaRa)試劑盒說明書進(jìn)行PCR擴(kuò)增,利用Bio-rad CF X96 熒光定量PCR儀檢測GPx1基因在大菱鲆各組織(肝臟、腎臟、心臟、胃、肌肉、腸和鰓)中的表達(dá)情況,每個(gè)樣品平行測定3次,采用Real-time PCR(SYBR Green)2-△△Ct相對(duì)定量法計(jì)算GPx1基因mRNA的相對(duì)表達(dá)量。
1.7 金屬蛋白酶脅迫試驗(yàn)試驗(yàn)分為對(duì)照組(0.00 g/L)和金屬蛋白酶組(0.15 g/L),金屬蛋白酶來自本實(shí)驗(yàn)室,該蛋白酶制備方法參考文獻(xiàn)[1],具體方法略作修改。將大菱鲆隨機(jī)分為2組,每組3個(gè)平行,試驗(yàn)組注射100 μL的金屬蛋白酶,對(duì)照組注射等體積無菌PBS。于注射后3、6、12、24、48和72 h 分別取肝臟和腎臟,每個(gè)時(shí)間點(diǎn)取3尾大菱鲆,提取總RNA反轉(zhuǎn)錄為cDNA。GPx1基因mRNA的相對(duì)表達(dá)量具體操作同1.3。同時(shí),將上述時(shí)間點(diǎn)肝臟和頭腎經(jīng)液氮研磨成細(xì)粉后取50 mg 加入450 μL 生理鹽水,配成1∶10的溶液,用于后續(xù)酶活測定。
1.8 肝臟和頭腎組織GPx活力和MDA含量測定按照南京建成生物工程研究所試劑盒說明書測定GPx 活力和MDA 含量。
2.1 大菱鲆GPx1基因全長cDNA的序列分析大菱鲆GPx1基因cDNA序列全長為975 bp,5′非編碼區(qū)為200 bp,3′非編碼區(qū)為346 bp,該基因ORF長度429 bp,編碼1個(gè)由142個(gè)氨基酸殘基組成的蛋白質(zhì),起始密碼子ATG,終止密碼子TAA,加尾信號(hào)AATAAA(圖1)。預(yù)測該基因相對(duì)分子質(zhì)量為16.30 kDa,理論等電點(diǎn)為7.20。軟件分析發(fā)現(xiàn)該基因包括GPx家族標(biāo)簽序列LGVPCNQF和WNFEKF,Se 結(jié)合活性位點(diǎn)(Q、W和 N)和PGNG結(jié)構(gòu)域,另外在3′端非編碼區(qū)還包括硒代半胱氨酸插入序列。
起始密碼子ATG、終止密碼子TGA和PolyA加尾信號(hào)分別用黑色陰影標(biāo)出;GPx家族標(biāo)簽序列LGVPCNQF和WNFEKF用下劃線標(biāo)出;Se 結(jié)合活性位點(diǎn)(Q、W和 N)用方框標(biāo)出;PGNG結(jié)構(gòu)域用虛線標(biāo)出;3′端非編碼區(qū)硒代半胱氨酸插入序列用雙下劃線標(biāo)出
2.2 大菱鲆GPx1基因的同源性和系統(tǒng)進(jìn)化分析通過BLASTP對(duì)大菱鲆GPx1基因進(jìn)行同源性分析,結(jié)果顯示大菱鲆GPx1與棘頭梅童魚(Collichthyslucidus)和墨西哥麗脂鯉(Astyanaxmexicanus)同源性最高,分別為85.2%和84.5%;與鱇魚(Anabariliusgrahami)、白斑狗魚(Esoxlucius);虹鱒(Oncorhynchusmykiss)和北極紅點(diǎn)鮭(Salvelinusalpinus)同源性分別為82.4%、83.8%、80.9%和80.1%;與黃牛(Bostaurus)、家鼠(Musmusculus)和人(Homosapiens)的同源性最低,分別為69.7%、68.3%和69.0%(圖2)。通過MEGA 4.0的Neighbor-Joining進(jìn)行系統(tǒng)進(jìn)化分析,所有動(dòng)物的GPx1分為低等脊椎動(dòng)物魚類和陸生脊椎動(dòng)物兩支,其中,大菱鲆的GPx1與低等脊椎動(dòng)物魚類中底鳉和攀鱸聚為一支,與黃牛、家鼠、馬和人等哺乳動(dòng)物聚為另一支,說明大菱鲆與魚類親緣關(guān)系最近,與陸生哺乳動(dòng)物親緣關(guān)系最遠(yuǎn)(圖3)。
圖2 大菱鲆GPx1序列與其他物種GPx1氨基酸序列比對(duì)
圖3 大菱鲆GPx1與其他脊椎動(dòng)物GPx1核苷酸序列的NJ進(jìn)化樹分析
2.3 大菱鲆GPx1基因的組織轉(zhuǎn)錄水平RT-qPCR結(jié)果顯示,GPx1基因在大菱鲆不同組織中均有表達(dá),其中在肝臟內(nèi)相對(duì)表達(dá)水平最高,其次是心、腸、胃、鰓、頭腎組織,而在肌肉中的表達(dá)量最低(圖4)。
圖4 大菱鲆GPx1基因在不同組織中的表達(dá)分布
Real-time PCR檢測大菱鲆在注射金屬蛋白酶后不同時(shí)間肝臟中GPx1基因的表達(dá)情況(圖5)。結(jié)果顯示,與對(duì)照組相比,大菱鲆肝臟中GPx1基因在6~48 h均顯著低于對(duì)照組(P<0.05),其中在24 h表達(dá)量最低(P<0.05),但是隨著時(shí)間的推移,金屬蛋白酶組GPx1表達(dá)逐漸增加,于72 h恢復(fù)到初始水平。
*表示同一時(shí)間點(diǎn)金屬蛋白酶組與對(duì)照組之間差異顯著(P<0.05)。下同
大菱鲆在注射金屬蛋白酶后頭腎中GPx1基因的表達(dá)情況結(jié)果表明,與對(duì)照組相比,在金屬蛋白酶脅迫后GPx1基因表達(dá)在3和48 h均顯著高于對(duì)照組(P<0.05),其中在3 h時(shí)達(dá)到最大值,在12~24 h 顯著低于對(duì)照組(P<0.05),于72 h達(dá)到對(duì)照組水平。金屬蛋白酶組在整個(gè)脅迫過程中均呈現(xiàn)先升高后下降再升高的波浪式變化趨勢(shì)(圖6)。
圖6 注射金屬蛋白酶后大菱鲆頭腎GPx1基因的表達(dá)情況
2.4 金屬蛋白酶對(duì)大菱鲆肝臟和頭腎組織GPx活力的影響大菱鲆注射金屬蛋白酶后,肝臟組織中GPx活力在6 h顯著高于對(duì)照組(P<0.05),之后逐漸下降,在12~72 h均顯著低于對(duì)照組(P<0.05)(圖7)。
圖7 金屬蛋白酶對(duì)大菱鲆肝臟GPx活力的影響
在整個(gè)試驗(yàn)過程中,金屬蛋白酶注射組頭腎組織中GPx活力在3 h顯著高于對(duì)照組(P<0.05),而在12~72 h均顯著低于對(duì)照組(P<0.05)(圖8)。
2.5 金屬蛋白酶對(duì)大菱鲆肝臟和頭腎組織MDA含量的影響注射金屬蛋白酶后大菱鲆肝臟組織中MDA含量整體呈現(xiàn)先升高后下降的變化趨勢(shì),除3 h 金屬蛋白酶處理組與對(duì)照組無顯著性差異外,其他時(shí)間點(diǎn)均顯著高于對(duì)照組(P<0.05),且在48 h 達(dá)到最大值(圖9);而頭腎組織中MDA含量出現(xiàn)先升高后下降再升高的波浪式變化趨勢(shì),在整個(gè)試驗(yàn)過程中,金屬蛋白酶處理組在3~6 h與對(duì)照組無顯著性差異,而在12~72 h均顯著高于對(duì)照組(P<0.05)(圖10)。
圖9 金屬蛋白酶對(duì)大菱鲆肝臟MDA含量的影響
圖10 金屬蛋白酶對(duì)大菱鲆腎臟MDA含量的影響
本試驗(yàn)利用RACE技術(shù)首次克隆了大菱鲆GPx1基因序列,該基因全長975 bp,包含429 bp的開放閱讀框,編碼1個(gè)由142個(gè)氨基酸殘基組成的蛋白質(zhì)。序列分析發(fā)現(xiàn),與其他魚類的GPx1一樣,大菱鲆GPx1基因編碼的氨基酸序列包括GPx家族標(biāo)簽序列(LGVPCNQF和WNFEKF)以及PGNG結(jié)構(gòu)域,另外在3′端非編碼區(qū)還包括硒代半胱氨酸插入序列[11-12]。與其他動(dòng)物氨基酸序列的比對(duì)發(fā)現(xiàn),大菱鲆GPx1序列與其他魚類GPx1的同源性較高,均大于80%。系統(tǒng)進(jìn)化分析表明大菱鲆GPx1與其他魚類聚為一支,其中與底鳉和攀鱸親緣關(guān)系最近,以上結(jié)果表明該序列為大菱鲆GPx1基因。
大菱鲆GPx1 mRNA的表達(dá)具有組織特異性,RT-qPCR結(jié)果顯示,大菱鲆GPx1基因在胃、心臟、腸、肝臟、鰓、腎臟和肌肉中均有表達(dá)(圖4),其中,在肝臟和腸中表達(dá)量最高。有研究認(rèn)為在肝臟中相對(duì)表達(dá)量最高可能是由于肝臟是生物體內(nèi)的脂質(zhì)代謝主要場所,該結(jié)果與淇河鯽GPx1基因表達(dá)結(jié)果相似[13]。而在腸中表達(dá)量高可能與大菱鲆是肉食性魚類容易造成氧化應(yīng)激有關(guān)[14],具體機(jī)制還需要進(jìn)一步探討。
GPx是體內(nèi)普遍存在的一種過氧化物分解酶,該酶具有保護(hù)細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)、功能以及防止過氧化物的損害作用[15]。目前關(guān)于GPx1基因在病原菌侵染魚類的影響中已有相關(guān)報(bào)道[11,13],但是關(guān)于GPx1在病原菌毒力因子脅迫下的影響未見相關(guān)報(bào)道。本試驗(yàn)首次研究鰻弧菌金屬蛋白酶對(duì)大菱鲆肝臟和頭腎組織抗氧化酶和MDA含量的影響。結(jié)果顯示,注射金屬蛋白酶后大菱鲆肝臟和頭腎中GPx1的表達(dá)量均有明顯的時(shí)間差異性,大菱鲆肝臟中GPx1基因在3 h出現(xiàn)短暫上調(diào)后,在6~48 h顯著下調(diào),分析原因可能是由于肝臟作為生物體內(nèi)主要的解毒器官,該基因表達(dá)量的降低可能是為其他相關(guān)基因的表達(dá)提供能量[16]。腎臟作為魚類免疫器官,在魚類的免疫應(yīng)答過程中起主要作用[17]。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)大菱鲆在注射金屬蛋白酶后頭腎中GPx1基因首先在脅迫3 h表達(dá)量顯著升高即達(dá)到最大值,分析原因可能是由于金屬蛋白酶的毒性誘導(dǎo)大菱鲆體內(nèi)活性氧增加,通過機(jī)體免疫系統(tǒng)短暫反饋性增強(qiáng)抗氧化酶相關(guān)基因的表達(dá)以清除體內(nèi)多余的ROS,STEBBING等[17]稱該效應(yīng)為“毒物的興奮效應(yīng)”。之后GPx1基因表達(dá)逐漸下降,在脅迫12~24 h 顯著降低,呂昆倫等[10]認(rèn)為頭腎中GPx1 mRNA表達(dá)出現(xiàn)下調(diào)的原因可能是機(jī)體要控制ROS穩(wěn)定在一個(gè)適度的水平。而在48 h GPx1 mRNA表達(dá)再一次顯著上調(diào),有研究指出頭腎是魚類的主要造血器官,其抗氧化酶的表達(dá)上調(diào)有助于在造血過程中消除過量ROS帶來的損傷[18]。
近年來,采用GPx作為脅迫或免疫反應(yīng)生物標(biāo)記的研究報(bào)道屢見不鮮,主要通過測定其酶活性變化或mRNA轉(zhuǎn)錄水平來評(píng)估動(dòng)物的抗氧化或健康狀態(tài)[19-20]。本課題組前期研究發(fā)現(xiàn),中、高濃度組金屬蛋白酶均能夠引起大菱鲆GPx活性發(fā)生變化[21]。本試驗(yàn)結(jié)果也顯示,注射金屬蛋白酶后頭腎和肝臟組織中GPx活性分別于3 和6 h達(dá)到最大值,且顯著高于對(duì)照組,推測可能是由于機(jī)體通過短暫提高GPx活性來抑制機(jī)體產(chǎn)生過多的ROS[22]。但隨著時(shí)間的推移,兩種組織均在12~72 h 顯著低于對(duì)照組,分析可能是因?yàn)轶w內(nèi)的ROS產(chǎn)生較多,故在該時(shí)間段內(nèi)GPx一直處于被抑制的結(jié)果。有研究認(rèn)為魚類在長時(shí)間受到氧化脅迫,一些組織器官由于氧化應(yīng)激產(chǎn)生的自由基會(huì)持續(xù)聚集,輕則引起細(xì)胞生物膜脂質(zhì)過氧化、酶失活和DNA 損傷,重則引起機(jī)體組織病變[23]。本試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)注射金屬蛋白酶后大菱鲆頭腎組織GPx1基因/酶活力比肝臟先上調(diào),推測可能是由于頭腎組織作為機(jī)體免疫器官對(duì)毒物刺激較肝臟更敏感。王卓等[2]研究認(rèn)為主要與腎臟和肝臟組織器官的生理功能不同有關(guān)。本試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)金屬蛋白酶脅迫下大菱鲆同一組織對(duì)GPx基因轉(zhuǎn)錄以及酶活性影響的變化趨勢(shì)不同,這一現(xiàn)象與重金屬對(duì)淇河鯽魚GPx的影響類似[24],導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因可能是由于組織中檢測到的酶活性為不同同工酶的總酶活性,但mRNA的轉(zhuǎn)錄水平僅限于編碼單一同工酶的特定抗氧化基因亞型[25]。
超量ROS能夠?qū)е聶C(jī)體脂質(zhì)過氧化程度加劇,脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物增加,作為機(jī)體脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物的MDA,其含量可以間接反映機(jī)體細(xì)胞受損傷程度[26]。本試驗(yàn)結(jié)果顯示,肝臟和頭腎組織中MDA 均有不同程度的升高,分別在6~72 h和12~72 h顯著高于對(duì)照組(P<0.05)。推測可能是由于高濃度金屬蛋白酶隨著脅迫時(shí)間的延長引起了機(jī)體氧化損傷,產(chǎn)生大量ROS,最終導(dǎo)致大菱鲆不同組織中脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物MDA增加。蘇秀梅[27]研究也發(fā)現(xiàn)魚源嗜麥芽寡養(yǎng)單胞菌胞外蛋白酶對(duì)小鼠和斑點(diǎn)叉尾鮰均能致死,病理組織檢測證實(shí)該蛋白酶對(duì)小鼠和斑點(diǎn)叉尾鮰多器官都造成明顯的損傷。進(jìn)一步推測鰻弧菌金屬蛋白酶脅迫下MDA的積累引起的氧化損傷可能是該蛋白酶對(duì)大菱鲆產(chǎn)生毒害作用的主要原因。另外,本試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)肝臟中MDA含量升高較頭腎組織早,分析可能與肝臟是機(jī)體主要的解毒代謝器官有關(guān)。