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草鱼LXRα基因的克隆及表达研究

2014-03-25曹艳姿林亚秋

关键词:胰脏草鱼脂质

李 超,刘 品,曹艳姿,吉 红,林亚秋

(1 西北农林科技大学 动物科技学院,陕西 杨凌 712100;2 西南民族大学 生命科学与技术学院,四川 成都 610041)

肝X受体(Liver X receptor,LXR)是一种转录调控因子,属核激素受体家族成员,其活性受到胆固醇降解产物氧化型胆固醇的调节[1]。有研究发现,LXR可以调节胆固醇代谢[2]、脂肪酸合成[3]、碳水化合物代谢[4]等过程中相关基因的表达。在哺乳动物上的研究发现,LXR有2个亚型:LXRα和LXRβ[5]。LXRα在脂质代谢旺盛的组织中表达丰度较高,如肝脏、脂肪组织、肠等,而LXRβ的表达较为广泛。对几种鱼的LXR基因进行同源性分析,结果表明,鱼LXRα与脊椎动物LXRα序列相似性较高[6-7]。有研究确认,鱼上不存在LXRβ基因,其原因可能是鱼在物种进化过程中该基因已丢失[8]。目前已在红鳍东方鲀[9]、斑马鱼[8](Daniorerio)、虹鳟[6](Oncorhynchusmykiss)、大西洋鲑[6](Salmosalar)等鱼类上克隆获得了LXRα基因序列。

LXR具有调节组织脂质生物合成的作用。Peet等[10]首次报道了固醇调节元件结合蛋白-1c(Sterol regulatory element binding protein-1c,SREBP1c)及其目的基因在LXRα基因缺失小鼠肝脏中的表达量显著下降,其下游目的基因中的脂肪酸合酶(Fatty acid synthase,FAS)和酰基辅酶A去饱和酶(Stearoyl-CoA desaturase,SCD)基因均是肝脏脂肪酸合成中的关键基因[11]。随后的研究表明,敲除小鼠LXR基因后不仅能降低其肝脏脂质合成基因的表达,还能降低肝脂含量及血脂含量[12-14]。另一方面,LXR激动剂(T0901317)可显著促进野生型小鼠SREBP-1c、FAS和SCD-1基因的表达,而对LXR缺失型小鼠相关基因的表达没有显著影响[12,15]。有学者研究了鱼LXRα在各个组织中的表达情况及激素、营养素等对LXRα的调控,并评估了其在脂质代谢中的调控作用[6,8-9,16-17]。Cruz-Garcia等[6]在大西洋鲑和虹鳟上克隆获得了LXRα基因,并比较了其在2种鱼各个组织中的表达情况,同时还研究了植物油替代鱼油对大西洋鲑肝脏LXRα表达的影响。Cruz-Garcia等[17]发现,虹鳟肌细胞中LXRα的转录不受肿瘤坏死因子-α(Tumor necrosis factor,TNFα)的调控,而胰岛素、生长激素可上调LXRα的表达。

近年来,越来越多的研究指出,n-3 高不饱和脂肪酸(n-3 highly unsaturated fatty acid,n-3 HUFA)具有降低机体脂质蓄积的作用。Al-Hasani等[18]指出,n-3 HUFA可以降低大鼠的白色脂肪组织含量,并抑制肥胖的发生。Madsen等[19]研究发现,n-3 HUFA可以抑制3T3-L1脂肪细胞的脂肪酸合成,促进脂肪酸的氧化从而降低甘油三酯的蓄积。在鱼上,有学者报道了n-3 HUFA可显著降低大西洋鲑[20]和草鱼[21]的脂质蓄积。本课题组研究证实,n-3 HUFA能够抑制草鱼脂质合成及其转运能力,并通过影响脂代谢相关基因的表达降低肝胰脏及腹腔脂肪的沉积[22-23]。鉴于LXRα在脂肪酸合成中的重要作用,研究n-3 HUFA对LXRα表达的影响,将有助于阐明n-3 HUFA降低机体脂肪蓄积的分子调控机制。

草鱼(Ctenopharyngodonidellus)是我国特有的鱼类,也是淡水养殖产量最大的鱼类,随着饲料中脂质含量及能量水平的提高,草鱼脂肪肝及腹腔脂肪组织过度发育现象比较严重。本试验对草鱼LXRα的cDNA序列进行了克隆,分析了其在草鱼不同组织中的表达状况,并研究了n-3 HUFA饲喂后对草鱼肝胰脏组织LXRα基因表达的影响,以探讨LXRα基因的功能、作用机理,为研究鱼类脂肪沉积调控提供参考资料和理论依据。

1 材料与方法

1.1 主要试剂

SYBR®PremixExTaqTMⅡ、 RNAiso Plus总RNA提取试剂盒、pMD19-T载体 (TaKaRa公司),DEPC原液(Sigma公司),RevertAidTMFirst Strand cDNA Synthesis Kit、TaqDNA Polymerase (Fermentas公司),DNA回收试剂盒、DL2000 (天根生化科技有限公司),dNTP (Hualvyuan Biotechnology)。其余试剂均为国产分析纯试剂。引物由上海生物工程有限公司合成。

1.2 试验设计

草鱼(体质量500~800 g/尾,购自陕西杨凌康乐市场)解剖后取肝胰脏、肌肉、心脏、鳃、精巢、肾脏、脑、脾脏、肠、腹腔脂肪等组织,液氮冷冻后-80 ℃保存,用于LXRα基因克隆和组织差异表达检测,每种组织取3份样品进行测定。

n-3 HUFA饲养试验用草鱼幼鱼购自陕西周至县某渔场。将72尾健康且规格相近的草鱼幼鱼(初始体质量(40.32 ± 4.71) g/尾),分为2组,每组3个重复,饲养于6个水族箱 (118 cm×46 cm×60 cm) 中。配制等氮等能(粗蛋白35.4%,粗脂肪 5.2%)的2组饲料(猪油组(LO group)和鱼油组(FO group) 饲料),2组饲料共有组分质量分数为:鱼粉6%、豆粕15%、菜粕20%、棉粕20%、肉骨粉2%、次粉22.5%、血粉2%、磷酸二氢钙1.5%、多维预混料1%、矿物质预混料4%、膨润土1%、氯化胆碱0.5%、Cr2O30.2%、亚油酸1%、亚麻酸1%;猪油组油脂组分质量分数为猪油2.4%、亚麻油 1.7% 和大豆油0.2%,鱼油组油脂组分质量分数为鱼油2.6%、亚麻油1.4%和大豆油0.3%。 猪油组和鱼油组饲料中n-3 HUFA添加量理论值分别为0 和0.52%,但经气相色谱法测定,其n-3 HUFA实际含量分别为0.11%和0.50%。2组草鱼幼鱼分别投喂猪油和鱼油组饲料,进行为期95 d的饲养试验,每日投喂2次(09:00,17:00),试验期间每天光照时间为12 h(8:00到20:00)。每天换水2次,控制水温在(24.0±1.0) ℃,溶解氧>5 mg/L,整个饲养期间水质均符合养殖标准。饲养试验结束后,解剖草鱼取肝胰脏组织,液氮冷冻并迅速保存于-80 ℃,测定时每个处理取6个样品进行测定。

1.3 草鱼LXRα cDNA序列的克隆及分析

根据GenBank中斑马鱼LXRα基因序列 (GenBank登录号:BC092160)的保守区域,设计并合成LXRα克隆引物LXRα 1,引物序列见表1。

表1 LXRα基因克隆及PCR检测引物

用RNAiso Plus总RNA提取试剂盒提取草鱼肝胰脏组织的总RNA,用核酸定量仪 (NANODROP 1000,Thermo公司) 测定RNA纯度和浓度。取1 μg总RNA,按照Fermentas RevertAidTMFirst Strand cDNA Synthesis Kit #K1621试剂盒推荐的方法,以Oligo (dT) 为引物,合成cDNA第一链。

以合成的cDNA第一链为模板,对草鱼LXRαcDNA进行PCR扩增,PCR反应体系为25 μL:灭菌的二蒸水16.85 μL、2.5 mmol/L dNTP Mix 2 μL、PCR buffer (NH)2SO42.5 μL、25 mmol/L MgCl21.5 μL、cDNA 1 μL、10 μmol/L 上下游引物各0.5 μL、5 U/μLTaqDNA Polymerase 0.15 μL。PCR程序:94 ℃ 预变性5 min;94 ℃ 45 s,50 ℃ 45 s,72 ℃ 60 s,38个循环;72 ℃延伸10 min。RT-PCR产物经10 g/L琼脂糖凝胶电泳分离后,利用DNA回收试剂盒回收目的片段。将目的片段与pMD19-T载体连接,并转化到DH5α菌株,筛选阳性克隆,送上海生物工程有限公司进行测序。

采用DNAStar来编辑和组装DNA序列,用DNAman软件进行序列同源性比对、系统进化树制作及推导蛋白质序列校对。在ExPASy服务器上使用ProtParam软件对草鱼LXRα基因编码蛋白的理化性质进行分析,利用Smart:http://smart.embl-heidelberg.de分析蛋白质功能域。利用DNASTAR、Clustalx1.83和BioEdit等软件对LXRα基因进行辅助分析。

1.4 草鱼LXRα基因组织差异表达的半定量检测

根据克隆获得的草鱼LXRα基因序列和GeneBank中草鱼β-actin基因序列(GenBank登录号:DQ211096),应用Primer Premier 5.0软件设计特异扩增引物LXRα 2和β-actin 1(表1)。

用RNAiso Plus总RNA提取试剂盒提取草鱼肝胰脏、肌肉、心脏、鳃、精巢、肾脏、脑、脾脏、肠、腹腔脂肪等10种组织的总RNA,核酸定量仪测定RNA纯度后,取1 μg总RNA合成cDNA第一链。以合成的cDNA第一链为模板,PCR扩增草鱼LXRα基因,PCR反应体系同1.3,PCR程序为:94 ℃ 预变性5 min;94 ℃ 45 s,57 ℃ 45 s,72 ℃ 60 s,38个循环;72 ℃延伸10 min。采用半定量(Semi-quantitative,SQ)RT-PCR检测LXRα基因在草鱼10种组织中的表达情况。扩增产物经10 g/L琼脂糖凝胶电泳后,在Wealtec凝胶成像系统拍照,鉴定其亮度和特异性,并用Dophin-1D凝胶分析软件进行分析。分别测定2条扩增产物条带的光密度值,计算LXRα与β-actin的光密度之比。

1.5 n-3 HUFA对草鱼肝胰脏LXRα基因表达影响的实时定量PCR检测

根据克隆得到的草鱼LXRαcDNA的序列,设计并合成实时定量PCR(Real-time quantitative PCR,qRT-PCR)特异引物LXRα 3和β-actin 2(表1)。

提取饲喂n-3 HUFA后草鱼肝胰脏总RNA,反转录合成cDNA等一链备用。用CFX96 qRT-PCR检测系统 (Bio-Rad,USA)检测LXRα在草鱼肝胰脏组织中的表达情况,反应体系为20 μL:10 mmol/μL的上下游引物各0.6 μL,1 μL cDNA,10 μL 2×SYBR®PremixExTaqTMⅡ S,7.8 μL灭菌水。反应条件为:95 ℃ 10 s,95 ℃ 15 s,60 ℃ 15 s,40个循环。根据扩增曲线得到循环阈值(Ct),计算出目标基因LXRα相对于内参基因β-actin的表达倍数,从而制作出相对定量的图表。

1.6 数据分析

试验数据用“平均值±标准差(Mean±SD)”表示;采用t检验进行显著性分析,P<0.05为差异显著,P<0.01为差异极显著。

2 结果与分析

2.1 草鱼LXRα基因的克隆与分析

本试验获得了1 230 bp的LXRαcDNA序列(图1),其GenBank注册号为:FJ965309,经分析该序列编码409个氨基酸 (图2),预测其蛋白分子式为C2083H3343N581O611S30,分子质量为 47 263.7 u,等电点(pI)为7.91,半衰期为30 h;经BLAST比对和DNAMAN分析发现,该蛋白质具有哺乳动物LXRS的特征:包括DNA结合位点(DBD)、p-box,配体结合域(LBD)、激活功能-2(AF-2)区域、D-box、D区域(D region)和属于2个锌指结构的8个半胱氨酸。草鱼LXRα基因编码的氨基酸序列与鲤(Cyprinuscarpio)、斑马鱼(Daniorerio)、大西洋鲑(Salmosalar)、虹鳟(Oncorhynchusmykiss)、小鼠(Musmusculus)、人(Homosapiens)、猪(Susscrofa)、鸡(Gallusgallus)LXRα基因编码的氨基酸同源性分别为100%,94.6%,89.5%,89.2%,71.9%,71.1%,70.7%和79%。草鱼LXRα系统进化特征如图3所示。

图1 草鱼肝胰脏LXRα cDNA的RT-PCR结果

2.2 草鱼LXRα基因的组织表达差异

以β-actin基因为内参,采用SQ RT-PCR方法,对草鱼各组织的LXRαmRNA表达情况进行检测,所有样品的扩增条带经Dophin DOC数据转换系统转换后,计算各组织样扩增产物LXRα与β-actin的光密度比值,即得LXRα基因的相对表达丰度。由图4可知,LXRα基因在草鱼肝胰脏、肌肉、心脏、鳃、精巢、肾脏、脑、脾脏、肠、腹腔脂肪组织中均有表达,其中以精巢中的表达丰度最高,在脑中表达丰度次之,在肌肉中的表达丰度最低。

图2 草鱼和其他物种LXRα氨基酸序列分析

续图2 草鱼和其他物种LXRα氨基酸序列分析

图3 草鱼与其他物种LXRα氨基酸序列的系统进化树

图4 LXRα基因在草鱼各组织中的相对表达丰度

2.3 饲喂n-3 HUFA对草鱼肝胰脏LXRα基因表达的影响

饲喂n-3 HUFA后草鱼肝胰脏LXRα基因的表达情况见图5。

图5 n-3 HUFA对草鱼肝胰脏LXRα基因表达的影响

由图5可以看出,饲喂n-3 HUFA可极显著抑制草鱼LXRα基因的表达水平(P<0.01)。

3 讨 论

众多学者研究了LXRα在鱼上的作用及其调控机制[6,8-9,16-17]。本试验采用RT-PCR方法获得了草鱼的LXRαcDNA序列,比较了草鱼LXRα与其他几个物种的同源性关系,并分析了LXRα基因在草鱼10种组织中的表达情况,最后检测了饲喂n-3 HUFA后对草鱼肝胰脏LXRα基因表达的影响。

有研究表明,红鳍东方鲀基因组全序列中含有一个基因序列与人类LXRα的LBD区相似度达75%[9]。同时,在斑马鱼上也发现了一个与哺乳动物LXRα蛋白序列相似性极高的一段序列[8]。此外,有学者比较了人、老鼠、斑马鱼和青蛙的LXRα编码DBD、LBD序列,结果显示,LXRα的DBD和LBD 2个蛋白区域在鱼、哺乳动物和两栖动物中高度保守[7]。本研究发现,草鱼的LXRα氨基酸序列与其他物种的同源性为70.7%~100%。多重序列比较表明,草鱼LXRα基因同鲤鱼和斑马鱼的关系较近,这与这几个物种的分类地位相符。表明LXRα基因在不同物种间具有高度的保守性,也说明了它们在物种进化中具有重要的生物学作用。

组织表达谱分析结果表明,LXRα在草鱼肝胰脏、肌肉、心脏、鳃、精巢、肾脏、脑、脾脏、肠、腹腔脂肪等10种组织中均有表达,但表达丰度存在差异,在精巢中表达丰度最高,在脑、脾、肾中的表达丰度次之,在肌肉中的表达丰度最低,这一结果与在大西洋鲑和虹鳟等鱼类上的研究结果[6]存在一定的差异。Cruz-Garcia等[6]研究发现,对大西洋鲑而言,LXRα在肠中的表达丰度最高,在肾脏中的表达丰度最低,而对于虹鳟而言LXRα在脾脏中的表达丰度最高,在肝脏中的表达丰度最低,这种差异可能是鱼种类及样品间营养和生理状况的不同引起的,也可能是由于LXRα基因在不同鱼中的调节模式存在差异,或与试验鱼生长阶段不同有关。在小鼠上的研究发现,LXRα在代谢活性强的组织中表达丰度较高,如肝脏、脂肪、肠道[24-25]。而在人上的研究发现,LXRα在脂质代谢旺盛的组织,如肝脏、肾脏表达丰度较高[26]。以上结果均表明,LXRα基因在不同组织中表达丰度的差异与组织中胆固醇和脂质代谢有较大的相关性。肝胰脏是草鱼参与脂质代谢的重要组织,而本研究中LXRα在肝胰脏中的表达丰度并非最高,这可能与试验鱼生理状态有关。

不饱和脂肪酸在LXRα调节脂质代谢的过程中起着十分重要的作用。Bouwens等[27]研究发现,多不饱和脂肪酸处理人外周血单核细胞后,可显著降低LXR及其下游基因的表达。有研究发现,共轭亚油酸可下调大鼠肝脏LXRα基因的表达[28],也可直接下调3T3-L1脂肪细胞LXRα基因的表达[29]。在人肾细胞的研究中发现,不饱和脂肪酸可以竞争氧化固醇与LXRα的结合位点,干扰LXRα与氧化固醇的结合,从而影响脂肪酸代谢基因的表达[30]。在鱼上也发现,用亚油酸和亚麻酸处理虹鳟脂肪细胞,可下调LXRα基因的表达水平[16]。但是,富含 n-3 HUFA的鱼油日粮并未对大鼠LXRα的表达产生直接的抑制作用,仅对SREBP-1c及其相关基因的表达有所抑制[31]。已知LXR可与SREBP-1c基因启动子区LXRE结合,从而启动SREBP-1c的转录[30]。有报道指出,不饱和脂肪酸对LXR活性的抑制作用是通过下调LXR的目的基因来实现的[32]。还有报道指出,不饱和脂肪酸可以干扰LXR/RXR复合体结合到DNA的调控原件上,进而影响目的基因的转录[33],但不影响LXRα的转录。n-3 HUFA是过氧化物酶体增殖物激活受体α (Peroxisome proliferater activated receptor,PPARα)的天然配体,而LXRα是PPARα的目的基因[34],因此可推测n-3 HUFA可通过PPARα途径影响LXRα的表达。这表明,不饱和脂肪酸对LXRα的调节机制在不同动物间可能存在差异。本试验前期研究结果显示,n-3 HUFA可通过抑制草鱼LXRα下游脂蛋白脂肪酶(lipoprotein lipase,LPL)基因的表达来降低草鱼肝胰脏及腹腔脂肪的沉积[22-23]。而本研究中,草鱼摄食n-3 HUFA后,肝胰脏LXRα的表达丰度显著降低。n-3 HUFA是直接还是间接调控LXRα基因的表达尚需进一步探究。

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