胡慧艷,賈 青,2,3*,侯勝奎,劉 津,張 婧,張偉峰,錫建中
(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 動(dòng)物科技學(xué)院,保定 071000; 2.國(guó)家北方山區(qū)農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心,保定 071000;3.河北省山區(qū)農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心,保定 071000; 4.河北工程大學(xué) 生命科學(xué)與食品工程學(xué)院,邯鄲 056038)
繁殖力對(duì)母豬來(lái)說(shuō)是一個(gè)至關(guān)重要的經(jīng)濟(jì)因素,因而提高豬繁殖力是養(yǎng)豬業(yè)需要解決的關(guān)鍵性問題。眾多研究顯示,類固醇激素合成能力的強(qiáng)弱是影響繁殖力的一個(gè)重要因素[1]。近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn),類固醇合成的快速調(diào)節(jié)機(jī)制對(duì)于調(diào)節(jié)動(dòng)物的生殖活動(dòng)必不可少,卵泡發(fā)育與類固醇激素的合成與分泌密切相關(guān)。類固醇合成快速調(diào)節(jié)蛋白(steroidogenic acute regulatory protein, StAR)作為膽固醇由線粒體外膜向內(nèi)膜轉(zhuǎn)運(yùn)的橋梁,參與了類固醇激素的合成,該蛋白由StAR基因所編碼。在雌性動(dòng)物卵巢中,排卵、卵泡的生長(zhǎng)與閉鎖,以及成熟卵泡內(nèi)細(xì)胞的分化等一系列生理過程均受到類固醇激素的調(diào)控。相關(guān)研究顯示,排卵前卵泡分泌的主要類固醇激素是雌激素,在排卵后,低密度脂蛋白通過上調(diào)類固醇合成關(guān)鍵基因StAR和P450的表達(dá)量來(lái)調(diào)控其孕酮合成水平[2],并促使卵泡由分泌雌激素轉(zhuǎn)變?yōu)榇罅糠置谠型猍1, 3],若降低StAR基因的表達(dá)水平則可致使卵巢孕酮合成水平下降,此時(shí)配種后受胎率明顯下降,可見在哺乳動(dòng)物中,StAR基因是調(diào)控類固醇激素合成的一個(gè)關(guān)鍵因素,然而該基因的表達(dá)也受到多種因素的影響,如胰島素、LH、FSH等激素[4-6]和IGF1、TGF-β多種生長(zhǎng)因子[7]以及轉(zhuǎn)錄因子[8]等多種方式。此外,在表觀遺傳修飾方面相關(guān)研究還發(fā)現(xiàn),大鼠顆粒細(xì)胞向黃體細(xì)胞分化過程中StAR基因啟動(dòng)子區(qū)會(huì)發(fā)生組蛋白修飾[9-10];很多轉(zhuǎn)錄因子如cAMP response element-binding protein (CREB)、GATA4、CCAAT/enhancer binding proteins(C/EBPs)參與了大鼠StAR啟動(dòng)子的調(diào)控[11-12]。然而,豬StAR基因的調(diào)控機(jī)制目前尚未見報(bào)道。
為了解豬StAR基因表達(dá)的調(diào)控機(jī)制,本研究分析了豬StAR基因5′非翻譯區(qū)和啟動(dòng)子區(qū),測(cè)定StAR基因的5′側(cè)翼區(qū)序列的轉(zhuǎn)錄活性,篩選出該基因啟動(dòng)子轉(zhuǎn)錄調(diào)控區(qū)域,探索其可能的調(diào)控機(jī)制,為進(jìn)一步揭示豬StAR基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控機(jī)制提供理論基礎(chǔ)。
人腎上皮細(xì)胞系(293T)由本實(shí)驗(yàn)室保存;pGL3-Basic、pRL-TK 載體、T4DNA Ligase、雙熒光素酶報(bào)告基因檢測(cè)試劑盒均購(gòu)自Promega公司;TailGen DNA Kit購(gòu)自康為世紀(jì)公司;SanPrep柱式DNA膠回收試劑盒、SanPrep 柱式質(zhì)粒小量抽提試劑盒購(gòu)自生工生物工程(上海)股份有限公司;無(wú)內(nèi)毒素質(zhì)粒大提試劑盒購(gòu)自北京天根公司; 轉(zhuǎn)染試劑LipofectamineTM2000購(gòu)自 IVGN公司;限制性內(nèi)切酶KpnⅠ和Hind Ⅲ均購(gòu)自TaKaRa公司;Trans5α 感受態(tài)細(xì)胞、Trans Taq-T DNA 聚合酶、TransSerumTM HQ Fetal Bovine Serum等均購(gòu)自于北京TransGen生物技術(shù)有限公司;Hyclone DMEM/ HIGH GLUCOSE培養(yǎng)基購(gòu)自Thermo公司;DL5000 DNA Marker購(gòu)自北京博奧龍免疫技術(shù)有限公司;0.25%胰蛋白酶(Trypsin-EDTA)、Opti-MEM培養(yǎng)基購(gòu)自Gibco公司;引物合成和測(cè)序均由北京華大科技公司完成。
1.2.1 豬StAR基因5′側(cè)翼區(qū)序列分析及引物設(shè)計(jì) 檢索并下載豬StAR基因(Ensembl數(shù)據(jù)庫(kù):ENSSSCG00000034942)的參考序列,通過基因啟動(dòng)子在線預(yù)測(cè)分析軟件MethPrimer (http://www.urogene.org/cgi-bin/methprimer/methprimer.cgi)預(yù)測(cè)CpG島;通過在線軟件:AliBaba2.1 (http://www.gene-regulation.com/pub/ programs.html)、JASPAR數(shù)據(jù)庫(kù)(http://jaspar.binf.ku.dk/)預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)。根據(jù)pGL3-Basic質(zhì)粒的多克隆位點(diǎn)信息,以StAR基因5′ UTR上游序列約2 000 bp為模板,利用Primer Premier 5.0軟件設(shè)計(jì)擴(kuò)增包含StAR基因啟動(dòng)子區(qū)片段的特異引物,分別在上、下游引物5′端引入限制性內(nèi)切酶KpnⅠ和Hind Ⅲ的酶切位點(diǎn)及其對(duì)應(yīng)的保護(hù)堿基,構(gòu)建載體片段的引物序列詳見表1。
表1本研究所用引物信息
Table1Theinformationsofprimerusedinthisstudy
引物編號(hào)(位置/bp)Primers No.(position)引物序列(5'→3')Primer sequence退火溫度/℃Annealing temperature片段長(zhǎng)度/bpFragments sizepGL3-1 (-1 939/-103)F: GGGGTACCTGTTACAATACTGATGGACCTG651 837R: CCCAAGCTTGCCAAGGATAGAGGGATTpGL3-2 (-1 311/-103)F: GGGGTACCGAGCCGTGAGTTTGTCT651 209R: CCCAAGCTTGCCAAGGATAGAGGGATTpGL3-3 (-470/-103)F: GGGGTACCCAGATTCAAGCCGCAGTC65377R: CCCAAGCTTGCCAAGGATAGAGGGATTpGL3-4 (-196/-103)F: GGGGTACCAGCCTCCTTACTCCTTTCTA6594R: CCCAAGCTTGCCAAGGATAGAGGGATTpGL3-5 (-1 939/+127)F: GGGGTACCTGTTACAATACTGATGGACCTG652 066R: CCCAAGCTTGGAGCATTGTTTCCTGGTAGpGL3-6 (-1 311/+127)F: GGGGTACCGAGCCGTGAGTTTGTCTT651 438R: CCCAAGCTTGGAGCATTGTTTCCTGGTAGpGL3-7 (-470/+127)F: GGGGTACCCAGATTCAAGCCGCAGTC65597R: CCCAAGCTTGGAGCATTGTTTCCTGGTAGpGL3-8 (-196/+127)F: GGGGTACCAGCCTCCTTACTCCTTTCTA65323R: CCCAAGCTTGGAGCATTGTTTCCTGGTAGpGL3-9 (-41/+127)F: GGGGTACCCTGGAGGCATTTAAGACG64168R: CCCAAGCTTGGAGCATTGTTTCCTGGTAGpGL3-10 (-120/-17)F: GGGGTACCAATCCCTCTATCCTTGGC64104R: CCCAAGCTTTCTTGCGTCTTAAATGCC
下劃線表示限制性內(nèi)切酶的酶切位點(diǎn)
The restriction enzyme digestion sites are underlined
1.2.2 豬StAR基因5′側(cè)翼區(qū)的克隆 提取大白豬耳組織基因組DNA,以基因組DNA為模板,采用PCR方法,利用表1中引物擴(kuò)增豬StAR基因啟動(dòng)子區(qū)片段,PCR反應(yīng)體系:10×buffer 2.5 μL,Trans Taq-T DNA聚合酶(5 U·μL-1) 0.7 μL,2.5 mmol·L-1dNTPs 2.0 μL,上、下游引物(10 pmol·μL-1) 各1.0 μL,各模板DNA 1.0 μL,加ddH2O至25.0 μL;PCR反應(yīng)條件:94 ℃預(yù)變性5 min;94 ℃變性30 s,65 ℃退火30 s,72 ℃延伸2 min,34個(gè)循環(huán);72 ℃延伸10 min。StAR-1~StAR-4為首次缺失片段,StAR-5~StAR-10為二次缺失片段。
1.2.3 pGL3-StAR啟動(dòng)子不同長(zhǎng)度片段重組載體的構(gòu)建 將測(cè)序正確的上述10個(gè)PCR產(chǎn)物及其pGL3-Basic質(zhì)粒分別利用限制性內(nèi)切酶KpnⅠ和Hind Ⅲ進(jìn)行雙酶切,凝膠回收酶切產(chǎn)物后,采用T4連接酶分別將10個(gè)片段與pGL3-Basic連接,連接產(chǎn)物轉(zhuǎn)化至感受態(tài)細(xì)胞,經(jīng)菌液PCR鑒定,陽(yáng)性克隆者測(cè)序,并進(jìn)行質(zhì)粒雙酶切,分別命名為pGL3-1939/-103、pGL3-1311/-103、pGL3-470/-103、pGL3-196/-103、pGL3-1939/+127、pGL3-1311/+127、pGL3-470/+127、pGL3-196/+127、pGL3-41/+127、pGL3-120/-17。
1.2.4 細(xì)胞培養(yǎng)、轉(zhuǎn)染及活性檢測(cè) 將293T細(xì)胞接種于含10%胎牛血清的DMEM培養(yǎng)基中,在含5% CO2的37 ℃培養(yǎng)箱中進(jìn)行培養(yǎng)。在轉(zhuǎn)染前1 d,將生長(zhǎng)狀態(tài)良好的細(xì)胞接種于不含抗生素的24孔板中,待細(xì)胞融合度達(dá)80%~90%時(shí),分別將重組報(bào)告基因質(zhì)粒、內(nèi)參質(zhì)粒pRL-TK與轉(zhuǎn)染試劑LipofectamineTM2000加入至Opti-MEM培養(yǎng)基中,并將其混合物轉(zhuǎn)染至293T細(xì)胞,培養(yǎng)48 h后裂解細(xì)胞,利用雙熒光素酶報(bào)告基因檢測(cè)試劑盒,采用化學(xué)發(fā)光儀(Promega)測(cè)定熒光素酶活性,試驗(yàn)重復(fù)3次及以上,每次3個(gè)平行。
1.2.5 統(tǒng)計(jì)分析 對(duì)各組試驗(yàn)至少重復(fù)3次,利用單因素方差分析檢驗(yàn)不同片段酶活性的差異性,Duncan′s檢驗(yàn)法進(jìn)行多重比較,數(shù)據(jù)均采用“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”表示。數(shù)據(jù)利用SPSS 19.0 統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析。
利用啟動(dòng)子分析軟件對(duì)豬StAR基因5′側(cè)翼區(qū)序列特征信號(hào)進(jìn)行了分析,結(jié)果顯示,該序列不具有真核生物啟動(dòng)子典型的TATA-box,此外在該啟動(dòng)子區(qū)域還發(fā)現(xiàn)可能存在GATA2、GATA4、SP1、ZNF263、Hoxa9、KLF16、ZNF740等多種轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)。一般認(rèn)為CpG島大于100 bp,且GC含量大于50%[13],本試驗(yàn)利用MethPrimer軟件預(yù)測(cè)發(fā)現(xiàn),目的基因StAR啟動(dòng)子不存在CpG 島(圖1)。
F1~F5. 亞硫酸鹽PCR上游引物;R1~R5. 亞硫酸鹽PCR下游引物F1-F5. Bisulfite PCR left primers; R1-R5. Bisulfite PCR right primers圖1 CpG島預(yù)測(cè)結(jié)果Fig.1 CpG island prediction results
通過PCR擴(kuò)增得到豬StAR基因啟動(dòng)子5′端10個(gè)不同片段, PCR產(chǎn)物分別經(jīng)1%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)。如圖2所示,擴(kuò)增出的不同長(zhǎng)度片段與預(yù)期片段大小相一致(圖2)。
分別將StAR基因啟動(dòng)子系列片段(pGL3-1~pGL3-10)和pGL3-Basic進(jìn)行雙酶切,酶切產(chǎn)物經(jīng)凝膠回收后構(gòu)建不同長(zhǎng)度的StAR基因啟動(dòng)子重組質(zhì)粒,經(jīng)菌液PCR鑒定,為陽(yáng)性克隆者進(jìn)行測(cè)序和質(zhì)粒雙酶切。重組質(zhì)粒雙酶切結(jié)果顯示,各重組質(zhì)粒均產(chǎn)生pGL3-Basic載體片段及各自相應(yīng)的片段(圖3);測(cè)序結(jié)果與數(shù)據(jù)庫(kù)中豬的StAR基因5′端序列相一致。因而,豬StAR基因啟動(dòng)子缺失片段的熒光素酶報(bào)告基因載體構(gòu)建成功。
M. DNA相對(duì)分子質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn);1~4. pGL3-1~pGL3-4不同長(zhǎng)度擴(kuò)增片段(A);1~6. pGL3-5~pGL3-10不同長(zhǎng)度擴(kuò)增片段(B)M. DL5000 DNA marker; 1-4. Different length of amplified fragments of pGL3-1-pGL3-4(A); 1-6. Different length of amplified fragments of pGL3-5-pGL3-10(B)圖2 豬StAR基因啟動(dòng)子不同長(zhǎng)度片段PCR擴(kuò)增產(chǎn)物凝膠電泳圖Fig.2 Agarose gel electropherogram of PCR products of the fragments with different length in swine StAR promoter
M. DNA相對(duì)分子質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn);1~4. pGL3-1~pGL3-4片段酶切鑒定(A);1~6. pGL3-5~pGL3-10片段酶切鑒定(B)M. DL5000 DNA marker; 1-4. Enzyme digestion of pGL3-1-pGL3-4 fragments(A); 1-6. Enzyme digestion of pGL3-5-pGL3-10 fragments(B)圖3 pGL3-StAR重組質(zhì)粒酶切產(chǎn)物凝膠電泳圖Fig.3 Agarose gel electropherogram of pGL3-StAR by enzyme digestion
將pEGFPN1質(zhì)粒轉(zhuǎn)染至293T細(xì)胞,轉(zhuǎn)染6 h后觀察細(xì)胞生長(zhǎng)狀態(tài)良好,繼續(xù)培養(yǎng)至48 h后,熒光顯微鏡下檢測(cè)轉(zhuǎn)染效率,如圖4所示,經(jīng)過計(jì)算超過70%以上的細(xì)胞中可以觀察到綠色熒光信號(hào)。以pGL3-Basic質(zhì)粒作為陰性對(duì)照,將上述所構(gòu)建的4個(gè)重組質(zhì)粒分別與pRL-TK共轉(zhuǎn)染至293T細(xì)胞,繼續(xù)培養(yǎng)48 h后利用雙熒光素酶報(bào)告基因檢測(cè)試劑盒測(cè)定螢火蟲熒光素酶和內(nèi)對(duì)照海腎熒光素酶熒光值,由圖5A可知,所構(gòu)建重組質(zhì)粒pGL3-1939/-103、pGL3-1311/-103、pGL3-470/-103、pGL3-196/-103的熒光素酶活性與pGL3-Basic對(duì)照組相比均差異不顯著(P>0.05),說(shuō)明豬StAR基因-1939~-103 bp (以轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)為+1)區(qū)域不具有轉(zhuǎn)錄活性。
進(jìn)而構(gòu)建pGL3-1939/+127、pGL3-1311/+127、pGL3-470/+127、pGL3-196/+127并轉(zhuǎn)染293T細(xì)胞后檢測(cè)其熒光值,由圖5B可知,與先前構(gòu)建的4個(gè)片段重組質(zhì)粒相比,片段-1 311~+127、-470~ +127、-196~+127、-120~-17活性極顯著增加(P<0.01),其中片段-196~+127 bp 活性值最高,且極顯著高于其他缺失片段(P<0.01),表明-103~+127 bp 這一區(qū)域存在正調(diào)控元件。進(jìn)一步將-196~+127截短為-41~+127,構(gòu)建pGL3-41/+127 重組質(zhì)粒并轉(zhuǎn)染細(xì)胞后檢測(cè)其熒光值,結(jié)果顯示,該區(qū)域不存在轉(zhuǎn)錄活性,說(shuō)明-41~-196 bp存在正調(diào)控元件,進(jìn)而構(gòu)建pGL3-120/-17重組質(zhì)粒,結(jié)果顯示,該區(qū)域存在轉(zhuǎn)錄活性,進(jìn)一步證明-41~-196 bp 這一區(qū)域存在著重要的正調(diào)控元件。
圖4 轉(zhuǎn)染后的293T細(xì)胞Fig.4 The 293T cells after transfection
各重組質(zhì)粒熒光素酶活性相比,相同小寫字母標(biāo)注者為差異不顯著(P>0.05), 不同小寫字母標(biāo)注者為差異顯著(P<0.05),不同大寫字母標(biāo)注者為差異極顯著(P<0.01)Bars with the same small letter mean no significant difference (P>0.05), bars with the different small letters mean significant difference (P<0.05), bars with different capital letters mean extremely significant difference (P<0.01) among different luciferase activity of recombinant vectors圖5 重組質(zhì)粒pGL3-StAR轉(zhuǎn)染293T細(xì)胞的活性分析Fig.5 Activity analysis of recombinant vectors pGL3-StAR in 293T cells
類固醇激素合成急性調(diào)節(jié)蛋白(StAR) 位于相關(guān)細(xì)胞的線粒體膜上,且具有高度的組織特異性,參與類固醇激素的合成,調(diào)節(jié)膽固醇從線粒體外膜向線粒體內(nèi)膜的轉(zhuǎn)運(yùn),是腎上腺皮質(zhì)和生殖腺類固醇生成細(xì)胞中合成類固醇激素所需的物質(zhì)[14]。StAR基因在轉(zhuǎn)錄及翻譯水平上受多種促激素和細(xì)胞因子的調(diào)控,進(jìn)而影響著機(jī)體類固醇激素的合成[15-17]。在人類中,StAR基因突變可致使其蛋白失去功能,腎上腺和性腺類固醇合成受阻,從而引起一種常染色體隱性遺傳病即先天性脂樣腎功能增生綜合征;在小鼠上,StAR基因在腎上腺、睪丸、卵巢組織中特異性表達(dá),缺失該基因的小鼠發(fā)育會(huì)受阻,壽命會(huì)縮短[18]。卵巢作為雌性動(dòng)物重要的生殖器官,其功能主要是產(chǎn)生卵細(xì)胞以及分泌類固醇激素。研究者在極端高、低產(chǎn)仔數(shù)的約克夏母豬卵巢轉(zhuǎn)錄組測(cè)序中發(fā)現(xiàn)了StAR基因在高產(chǎn)組高表達(dá)的現(xiàn)象,經(jīng)篩選分析將該基因作為豬繁殖力和產(chǎn)仔數(shù)相關(guān)的候選基因[19]。在豬上,StAR基因的調(diào)控機(jī)制和信號(hào)通路尚未研究清楚。因此,本試驗(yàn)對(duì)豬StAR啟動(dòng)子區(qū)轉(zhuǎn)錄活性進(jìn)行了研究。
基于生物信息學(xué)方法對(duì)豬StAR基因5′端序列進(jìn)行分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn),豬StAR基因5′端序列不存在典型的順式元件TATA-box,事實(shí)上TATA-box是構(gòu)成真核生物典型的核心啟動(dòng)子元件之一,但TATA-box也并不總是存在于一個(gè)基本的啟動(dòng)子區(qū)域[20]。為了研究StAR基因啟動(dòng)子轉(zhuǎn)錄活性及其調(diào)控機(jī)制,本試驗(yàn)采用構(gòu)建啟動(dòng)子缺失片段的方法[21-22],通過構(gòu)建熒火蟲熒光素酶重組載體,轉(zhuǎn)染至293T細(xì)胞,利用雙熒光素酶檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)構(gòu)建的不同長(zhǎng)度啟動(dòng)子區(qū)片段進(jìn)行活性檢測(cè)。結(jié)果顯示,豬StAR基因的啟動(dòng)子區(qū)域-196~-127 bp活性值最高。采用JASPAR的在線程序MatInspector功能來(lái)預(yù)測(cè)潛在的轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn),在豬StAR啟動(dòng)子的-196 ~-41 bp區(qū)域存在轉(zhuǎn)錄因子GATA4、GATA6、SF-1、SP1、ZNF263、ZNF740、ATF4的結(jié)合位點(diǎn)。研究報(bào)道表明,GATA4在類固醇生成、性別分化等方面具有重要的作用,GATA4和GATA6在腎上腺和性腺中高表達(dá)[23]。在哺乳動(dòng)物卵巢組織中的作用主要是由cAMP通過PKA途徑增加GATA4 磷酸化水平,進(jìn)而調(diào)節(jié)GATA依賴性靶基因的表達(dá),如類固醇合成關(guān)鍵基因StAR和Cyp17等對(duì)卵泡發(fā)育有重要作用的靶基因[24];研究還發(fā)現(xiàn),StAR基因在豬發(fā)情周期的各個(gè)階段也均有表達(dá)[4],該基因啟動(dòng)子區(qū)GATA4結(jié)合區(qū)序列缺失會(huì)影響FSH誘導(dǎo)的StAR啟動(dòng)子的活性[25-26]。做為GATA家族的另一成員,GATA6不僅可以調(diào)節(jié)心、肺組織中相關(guān)基因的表達(dá),對(duì)組織的正常發(fā)育也起到了重要作用,而且在生殖腺中被認(rèn)為是StAR基因的正向調(diào)控因子[27-28]。類固醇合成因子-1(SF-1) 與StAR基因之間的相互作用已通過體外試驗(yàn)證明:在尼古丁處理的NCI-H295A細(xì)胞中,SF-1在StAR基因表達(dá)量降低時(shí),類固醇合成水平也隨著降低[29],可見轉(zhuǎn)錄因子SF-1也是激活StAR的潛在正調(diào)控因子。對(duì)于ZNF轉(zhuǎn)錄因子,目前在植物中只是作為順式作用元件在代謝物生物合成中起重要作用[30-31];在動(dòng)物中,基于ZNF與StAR基因的調(diào)控關(guān)系,將來(lái)可以直接采用電泳遷移率變動(dòng)分析(EMSA)和染色質(zhì)免疫沉淀等方法來(lái)進(jìn)一步研究ZNF的調(diào)節(jié)功能。
本試驗(yàn)通過對(duì)StAR基因進(jìn)行生物信息學(xué)分析,構(gòu)建豬StAR基因啟動(dòng)子區(qū)不同長(zhǎng)度片段的重組載體,并利用雙報(bào)告基因報(bào)告系統(tǒng)檢測(cè)其活性,證實(shí)了StAR基因的5′側(cè)翼區(qū)序列具有啟動(dòng)子活性。初步確定了豬StAR基因的啟動(dòng)子區(qū)域,找到了該基因啟動(dòng)子的核心區(qū)域和主要調(diào)控區(qū)域,為進(jìn)一步研究豬StAR基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控機(jī)制提供理論依據(jù)。