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        豬脂肪沉積和胚胎附植期FTO基因的表達及堿基突變檢測

        2018-07-06 08:55:16付言峰RobertKnox李碧俠方曉敏任守文
        江蘇農(nóng)業(yè)學報 2018年3期
        關(guān)鍵詞:檢測

        付言峰, 李 蘭, Robert V. Knox, 李碧俠, 方曉敏, 任守文

        (1.江蘇省農(nóng)業(yè)科學院畜牧研究所/動物品種改良和繁育重點實驗室/江蘇省農(nóng)業(yè)種質(zhì)資源保護與利用平臺, 江蘇 南京 210014; 2.江蘇省農(nóng)業(yè)科學院動物免疫工程研究所, 江蘇 南京 100193; 3.美國伊利諾伊大學, 伊利諾伊 厄巴納-香檳 61801)

        近些年來,隨著人們對豬肉品質(zhì)的要求越來越高,肉質(zhì)性狀也越來越被養(yǎng)豬企業(yè)所關(guān)注[1-2],而影響豬肉質(zhì)性狀(眼肌面積、背膘后、瘦肉率、肌間脂肪含量 等)的一個關(guān)鍵因素是脂肪沉積[3],脂肪沉積非常復(fù)雜,每一種類型的脂肪沉積都對應(yīng)一種不同的沉積過程[4-5]。另外,豬產(chǎn)仔數(shù)是一個重要的繁殖性狀和經(jīng)濟性狀[6],而影響豬產(chǎn)仔數(shù)的一個關(guān)鍵因素是胚胎附植[7],因為很多胚胎在這個過程中死亡[8],而這些胚胎的死亡是導(dǎo)致產(chǎn)仔數(shù)下降的一個重要原因[9-11]。此外,豬作為一個良好的新型模式動物,在研究人類疾病(如肥胖和流產(chǎn))的過程中也發(fā)揮著重要的作用[12]。

        作為一個同時影響豬肉質(zhì)性狀和繁殖性狀的基因,脂肪肥胖相關(guān)基因 (FTO)于2007年被發(fā)現(xiàn)與肥胖相關(guān)[13],在人類和小鼠上的研究結(jié)果表明該基因在控制食欲和能量消耗方面具有重要作用[14-15]。FTO基因可以通過調(diào)控脂肪細胞成脂功能,從而調(diào)節(jié)人類肥胖的發(fā)生[16]。國外對豬FTO基因的遺傳變異與其肌內(nèi)脂肪、肌間脂肪的沉積、大理石評分、滴水損失及瘦肉率等豬肉品質(zhì)的關(guān)系研究已有零星報道[17],國內(nèi)對豬FTO基因的遺傳變異在不同品種豬群中的多態(tài)性分布也有一些報道[18]。

        除了影響脂肪代謝以外,F(xiàn)TO還影響機體的繁殖性能[19]。人和大鼠中的研究結(jié)果表明,胎盤組織中的FTO基因在子宮內(nèi)環(huán)境與胎兒生長發(fā)育之間發(fā)揮了橋梁作用[20];在小鼠中,原位雜交和Real-time qPCR結(jié)果表明,F(xiàn)TO在胚胎組織中表達量很高[12];在山羊中,研究發(fā)現(xiàn)妊娠第110 d時,胎盤組織中的FTO表達與胎兒體質(zhì)量有很強的相關(guān)性[21];在荷斯坦牛中,F(xiàn)TO多態(tài)性影響乳脂量[22]。

        鑒于FTO在脂肪代謝和繁殖過程中的生物學功能,本研究采用Real-time qPCR方法分析了FTO在脂肪沉積過程中的蘇山豬組織樣中的表達,F(xiàn)TO在胚胎附植過程中的梅山豬組織樣中的表達,克隆測序了蘇山豬FTO基因的全長編碼序列(CDS),并推測了編碼序列上SNPs突變所引發(fā)的氨基酸變化。這些結(jié)果將有助于人們進一步了解FTO的功能。

        1 材料與方法

        1.1 試驗動物

        脂肪沉積研究所用試驗動物來自江蘇洪澤鑫象豬業(yè)有限公司,選用10頭體質(zhì)量達(95±2) kg、6月齡的半同胞健康蘇山豬,分成2組,即:5頭高脂豬(活體測定背膘厚度最高的前5頭豬)和5頭低脂豬(活體測定背膘厚度最低的后5頭豬),這些試驗豬在同一豬場進行統(tǒng)一的飼喂和管理,同時在自由采食及飲水條件下,進行疾病防治和行為體況觀察。將供試豬電昏后在同一天快速屠宰,然后用無RNase的手術(shù)器械參照屠宰程序[23]采集蘇山豬的16種組織樣(背膘、背最長肌、心、肝、脾、肺、胃、大腸、小腸、腎、膀胱、卵巢、輸卵管、子宮體、子宮頸和子宮內(nèi)膜)。上述組織樣采集后,立即用液氮冷凍保存,用于后續(xù)的RNA提取。

        胚胎附植研究的試驗動物來自于江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學院梅山豬保種場,以3頭梅山豬母豬(第5胎次~第7胎次)為研究對象,按豬場常規(guī)條件進行飼喂和管理,同時在自由采食及飲水條件下,進行疾病防治和行為體況觀察。在同場、相同管理條件下進行單圈飼養(yǎng),進行同期發(fā)情處理,相同種公豬精液授精妊娠。以最后一次配種為0 d計,在配種第18 d(附植中期)進行屠宰,采集全身20種組織樣(子宮體、胚胎、子宮內(nèi)膜附著點、子宮內(nèi)膜非附著點、卵巢、子宮角、大腦、下丘腦、垂體、脊髓、心、肝、脾、肺、胃、大腸、小腸、腎上腺、腎和膀胱)。 樣品采集后,立即用液氮保存。

        1.2 主要試劑與儀器

        主要試劑有TRIzol (Invitrogen, America)、AMV First Strand cDNA Synthesis Kit (BBI, Canada)、SybrGreen PCR Master Mix 2X (ABI, America)、瓊脂糖 (Biowest, Spain)、DEPC (KeyGen, China)、PremixTaq(TaKaRa, Japan),1×TAE等緩沖液為自配,其他常規(guī)試劑為南京化學試劑有限公司生產(chǎn)。

        熒光定量PCR檢測系統(tǒng)(ABI, America)、凝膠成像儀 (Tanon 3500, China)、紫外分光光度儀(Shimadzu,Japan) 、超純水儀(Millipore, USA)、自動滅菌鍋(博訊 YXQ-LS-50A, China) 、高速冷凍離心機(Eppendorf, Germany)。

        1.3 引物設(shè)計

        豬FTO(GenBank: NM_001112692)和GAPDH(持家基因)的Real-time quantitative PCR引物均由Primer Premier 5.0軟件設(shè)計,其中FTO_fat deposition引物用于脂肪沉積的研究,F(xiàn)TO_embryo implantation引物用于胚胎附植的研究。引物(表1)由上海英濰捷基(Invitrogen)生物公司合成。

        表1 豬FTO基因?qū)崟r熒光定量PCR分析用引物序列及反應(yīng)條件

        1.4 RNA提取與反轉(zhuǎn)錄成cDNA

        總RNA用TRIzol/氯仿方法[24]從豬組織樣品中提取,之后用超微量紫外分光光度計 (Thermo NANODROP 2000 Spectrophotometer, 美國) 檢測提取RNA濃度,再用1.5%的瓊脂糖電泳檢測RNA完整性。

        RT-PCR中的RT(反轉(zhuǎn)錄),使用總RNA為模板合成cDNA第一鏈,采用“AMV First Strand cDNA Synthesis Kit”試劑盒,21 μl反轉(zhuǎn)錄反應(yīng)體系,分兩步進行, (1)Total RNA 5 μl, Rnase-free ddH2O 5 μl,隨機引物(10 pmol/μl)各1 μl,70 ℃溫浴5 min。(2) 冰浴10 s,離心加入下列試劑:5×Reaction Buffer 4 μl, dNTP Mix (10 mmol/L) 2 μl, Rnase inhibitor (20 U/μl) 1 μl, AMV Reverse Transcriptase (10 U/μl) 2 μl。(3) 37 ℃溫浴5 min,42 ℃溫浴60 min,70 ℃溫浴10 min。終止反應(yīng)。-20 ℃保存。

        1.5 實時熒光定量PCR

        為了保證樣品的可靠性,對反轉(zhuǎn)錄生成的cDNA先進行預(yù)試驗。為減少干擾,每個cDNA樣本都稀釋10倍 (5 μl cDNA + 45 μl H2O),每個樣品做3個重復(fù),并用ddH2O 代替cDNA 模板做陰性對照,以檢測是否有外源DNA污染。

        以cDNA為模板,分別定量PCR擴增基因目的片段,20 μl PCR反應(yīng)體系如下:SybrGreen qPCR Master Mix (2X) 10.0 μl, 上下游引物(10 μmol/L)各1.0 μl,模板(cDNA稀釋10倍) 1.0 μl,TaqDNA Polymerase 0.3 μl, 加Rnase-free ddH2O到 20.0 μl。反應(yīng)程序如下:95 ℃ 2 min 熱啟動HotStarTaq酶活性;95 ℃溶解10 s,60 ℃煺火/延伸 40 s,循環(huán)40次;45~95 ℃,讀板時0.1 ℃/s進行溶解曲線分析。

        1.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

        實時熒光定量PCR的數(shù)據(jù)利用2-△△Ct法分析,得到FTO的mRNA 相對表達量,內(nèi)參基因為GAPDH[25-26]。不同組織間mRNA表達量的差異性顯著水平通過SAS 8.2 統(tǒng)計軟件包進行GLM分析,結(jié)果以最小二乘均值±標準差表示。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 RNA提取結(jié)果

        組織樣中提取的總RNA利用分光光度計測定出的OD260/OD280結(jié)果大都處于1.8~2.1,表明提取的RNA濃度和質(zhì)量都較高。隨機選取8種組織樣提取的總RNA,進行瓊脂糖電泳檢測,結(jié)果顯示總RNA在凝膠上顯示出2條清晰的條帶,分別為28 S和18 S rRNA,且同一組織樣的2條帶的灰度值比值(28 S/18 S)大都處于1.0~1.5,表明總RNA基本完整,可以滿足后續(xù)的反轉(zhuǎn)錄和Real-time PCR試驗的要求(圖1)。

        2.2 FTO在豬脂肪沉積過程中的mRNA表達

        半定量PCR結(jié)果表明,F(xiàn)TO的mRNA在蘇山豬的11種組織樣中均有表達,其mRNA相對表達量(兩條帶灰度值比值FTO/GAPDH)由大到小排序為:卵巢(0.91)、 肺(0.89)、輸卵管(0.86)、 子宮內(nèi)膜 (0.83)、大腸(0.66)、子宮體(0.65)、 子宮頸 (0.64)、脾(0.57)、 膀胱(0.50)、胃(0.42)和小腸(0.04)。其中,卵巢、輸卵管、子宮內(nèi)膜等繁殖組織樣中的表達量高于其他組織樣 (圖2)。

        從左至右依次為:脊髓、大腦、小腸、大腸、膀胱、心、背最長肌和脾臟。圖1 不同組織樣提取的總RNA的1.5%瓊脂糖凝膠電泳檢測結(jié)果Fig.1 Results of 1.5% agarose gel electrophoresis for total RNA extracted from different swine tissues

        圖2 FTO基因在蘇山豬不同組織中的mRNA表達量Fig.2 The mRNA expression level of FTO in different tissues of Sushan pigs

        定量PCR(Real-time qPCR)結(jié)果表明,F(xiàn)TO的mRNA在蘇山豬的另外5種組織樣中也均有表達,包括:背膘、心、腎、背最長肌和肝。按照mRNA表達量由大到小排序,低脂豬為:背膘(9.44)、心臟 (1.00)、腎臟 (0.92)、肝臟 (0.20)、背最長肌 (0.08);高脂豬為:背膘 (10.59)、心臟 (0.85)、背最長肌 (0.81)、肝臟 (0.58)、腎臟 (0.51)。對2種脂肪類型豬綜合分析,背膘中的mRNA表達量最高,且極顯著高于其他任何組織(P< 0.01);背最長肌中的mRNA表達量,高脂豬顯著大于低脂豬(P<0.05)(圖3)。FTO的表達量越高,脂肪含量越高,眼肌面積和瘦肉率越低(表2),F(xiàn)TO的高表達似乎促進豬的脂肪沉積。

        不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。圖3 FTO基因在蘇山豬不同組織樣中的定量PCR結(jié)果Fig.3 Quantitative PCR results of FTO in different tissues of Sushan pigs

        2.3 FTO在豬胚胎附植過程中的mRNA表達

        Real-time quantitative PCR結(jié)果顯示,胚胎附植中期 (妊娠第18 d),在梅山豬15種組織樣中均檢測到FTO基因的mRNA表達,按表達量從高到低,依次為:子宮體、胚胎、下丘腦、子宮內(nèi)膜附植點、子宮內(nèi)膜非附植點、卵巢、子宮角、大腦、膀胱、脊髓、腎上腺、脾、垂體、背膘和心。在這些組織樣中,子宮體、胚胎、子宮內(nèi)膜附植點、非附植點和卵巢等繁殖組織樣中mRNA的表達量顯著高于其他組織樣(下丘腦除外) (P<0.05),這說明胚胎附植期繁殖組織樣是FTO的主要靶組織。

        另外,F(xiàn)TO在下丘腦組織中的表達量排名第三,在垂體中也有較高的表達量 (圖4),表明,FTOmRNA的表達在胚胎附植調(diào)控中發(fā)揮一定作用,調(diào)控途徑很可能是下丘腦-垂體-性腺軸。另外,F(xiàn)TO在豬脂肪沉積過程和胚胎附植過程中所展現(xiàn)出的不同的表達趨勢,表明其作用廣泛,在機體生長發(fā)育、妊娠維持等方面均發(fā)揮著重要作用。

        表2 用于FTO表達研究的蘇山豬的脂肪沉積相關(guān)肉質(zhì)性狀

        同一列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示差異顯著 (P<0.05)。

        圖4 胚胎附植期FTO基因在梅山豬不同組織樣中的mRNA表達Fig.4 The mRNA expression of FTO in different tissues of Meishan pigs during embryo implantation

        2.4 FTO的單核苷酸突變(cSNPs)及引起的氨基酸突變

        本研究使用克隆測序法,在51頭蘇山豬群中檢測了FTO編碼序列(即CDS區(qū),范圍:15~1 532 bp)上的單核苷酸突變(cSNPs),并對這些突變引起的氨基酸水平的突變進行了分析。結(jié)果表明,蘇山豬FTO編碼序列(GenBank: JX873956)上共發(fā)現(xiàn)10個cSNPs,依次為:G52A(FTOcDNA序列第52位的G→A突變)、A227G、C523T、C608G、G628A、A655G、A810G、A886G、G1002A和A1344G。這10個cSNPs分布于第1、第3、第4、第6、第8外顯子上,其中有8個突變引起了所編碼氨基酸的變化(表3)。

        表3 蘇山豬群中檢測到的FTO基因cSNPs及其引起的氨基酸突變

        2.5 FTO第3外顯子cSNPs的基因和基因型頻率

        通過直接測序法,本研究檢測了51頭蘇山豬群中的FTO第3外顯子中的4個cSNPs (A227G、C523T、C608G和G628A)。結(jié)果(表4)表明,在A227G和G628A位點均檢測到3種基因型,而在C523T和C608G位點均只檢測到2種基因型??ǚ?(χ2)檢驗結(jié)果表明,A227G、C523T和G628A位點的基因和基因型頻率均處于哈代-溫伯格平衡分布,而C608G位點則處于哈代-溫伯格不平衡分布 (P<0.01)。

        表4 蘇山豬群中檢測到的FTO基因cSNPs位點的基因頻率和基因型頻率

        χ2(df=2)0.01=9.21,χ2(df=2)0.05=5.99;**表示差異極顯著(P<0.01)。

        3 討 論

        脂肪沉積可以影響豬背膘厚、背最長肌橫截面積、瘦肉率等肉質(zhì)性狀[3]。胚胎附植可以影響豬窩產(chǎn)仔數(shù)、終生產(chǎn)仔數(shù)、母豬利用年限等繁殖性狀[27-28]。隨著定位克隆、物理作圖和候選基因等分子生物學技術(shù)的發(fā)展,研究人員已成功發(fā)現(xiàn)一些同時影響豬脂肪性狀和繁殖性狀的候選基因,如過氧化物酶體增殖物活化受體基因 (PPAR)[29-30]、瘦素受體基因 (LEPR)[31-32]和組蛋白去乙?;富?SIRT1)[33-34]等。

        FTO在豬脂肪沉積過程中的mRNA表達結(jié)果表明,蘇山豬16種組織樣中均檢測到FTO的mRNA表達,且背膘中的表達量最高,并極顯著高于其他任何組織(P<0.01),說明FTO作用廣泛,且主要在易脂肪沉積的組織中發(fā)揮作用;在背最長肌中的mRNA表達量,高脂豬顯著大于低脂豬(P<0.05),說明FTO基因的高表達量與豬脂肪沉積量呈正相關(guān),即FTO的高表達有利于脂肪沉積。在德國哥廷根小型豬中,研究者發(fā)現(xiàn)脂肪沉積時期,其肌肉、大腦、肝、腎和心臟中均表達FTO的mRNA,且組織間表達量差異顯著 (P<0.05)[12]。在蘇格蘭黑臉綿羊中,肥胖羊相較于普通羊,有更高的FTOmRNA表達量[35]。在蛋雞中,4~8周齡的快速生長期,垂體、下丘腦、肌肉、脂肪、睪丸等組織樣中均檢測到FTO的mRNA表達[36]。

        FTO在豬胚胎附植過程中的mRNA表達結(jié)果表明,胚胎附植中期梅山豬15種組織樣中均檢測到FTO基因的mRNA表達,且繁殖組織中的表達量顯著高于其他組織(下丘腦除外)(P<0.05),也顯著高于空懷豬。另外FTO在下丘腦中的表達量排名第三位,在垂體中也有表達,這說明FTO很可能通過下丘腦-垂體-性腺軸在豬胚胎附植調(diào)控中發(fā)揮著重要的作用。Bassols等發(fā)現(xiàn),人的子宮組織中FTO的mRNA表達量顯著高于其他組織,且FTO在子宮中的高表達量與不斷增加的胎兒體質(zhì)量和長度顯著相關(guān)[37]。在大鼠中,妊娠時期肥胖的母鼠生下的斷奶仔鼠,在下丘腦和肝臟中均檢測到更高的FTOmRNA表達量[38]。 在大鼠和人中,胎盤組織中FTO的表達說明其可能是子宮內(nèi)環(huán)境和胎兒生長之間相互聯(lián)系的橋梁[20]。

        FTO的cSNPs及引起的氨基酸突變分析結(jié)果表明,蘇山豬FTO編碼序列(15~1 532 bp)上共發(fā)現(xiàn)10個cSNPs突變,其中有8個直接引起了編碼氨基酸的變化,這些突變可能會進一步引發(fā)基因功能的變化[39];另外2個cSNPs也可能通過連鎖不平衡與直接影響繁殖性狀的位點相作用,從而間接影響到氨基酸直至蛋白質(zhì)的變化[40-41]。FTO第3外顯子中的4個cSNPs在蘇山豬群中均檢測到2種以上的基因型,說明其可在蘇山豬、金華豬[18]等某些特定豬群中作為影響豬肉質(zhì)和繁殖性狀的候選基因。

        綜上所述,豬FTO是一個動態(tài)表達的基因,作用廣泛,脂肪沉積時期主要在脂肪組織中表達,胚胎附植時期主要在子宮、胚胎等繁殖組織中表達,在這2個機體活動中都發(fā)揮著重要的作用。在蘇山豬群編碼序列中發(fā)現(xiàn)的8個直接引起編碼氨基酸變化的cSNPs會在分子標記選擇輔助育種中發(fā)揮重要作用。

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