趙彥玲,李善政,王福成,王建洲,任子利
(西藏農(nóng)牧學(xué)院 動物科學(xué)學(xué)院,西藏 林芝 860000)
DNA甲基化在調(diào)節(jié)基因表達、基因組穩(wěn)定性和細胞命運承諾方面起著關(guān)鍵作用[1],在哺乳動物精子發(fā)生過程中也發(fā)揮著重要作用[2]。DNA甲基轉(zhuǎn)移酶3a(Dnmt3a)是主要的從頭甲基化酶之一,其表達水平會影響到全基因組DNA甲基化的水平,從而調(diào)控基因表達[3]。藏豬是我國特有的能適應(yīng)高原環(huán)境的一個重要品種[4],其雄性生殖系統(tǒng)已適應(yīng)高海拔條件[5]。對藏豬Dnmt3a基因進行單核苷酸多態(tài)性(SNP)篩選并分析其在精子中的表達,有助于高繁殖力藏豬的分子育種等工作的開展。LIU等[6]研究發(fā)現(xiàn),Dnmt3a啟動子多態(tài)性與輔助生殖技術(shù)和自然受孕后的人類自然流產(chǎn)風(fēng)險相關(guān)。波蘭人群中Dnmt3a基因變異與卵巢癌風(fēng)險有關(guān)[7]。ZENG等[8]采用qRT-PCR和ELISA方法對新鮮和超低溫保存的豬精子中Dnmt3a的mRNA表達和蛋白質(zhì)水平進行檢測,發(fā)現(xiàn)該基因在超低溫保存后的精子中,其mRNA表達水平顯著低于新鮮精子,而蛋白質(zhì)表達水平差異不顯著。筆者所在課題組研究了Dnmt3a在藏豬與大白豬睪丸中的mRNA表達水平,發(fā)現(xiàn)藏豬睪丸組織中,Dnmt3a基因mRNA相對表達量顯著低于大白豬[9]。有研究表明,Dnmt3a敲除小鼠的精子發(fā)生受損并出現(xiàn)異常的父系印跡[10]。Dnmt3a基因?qū)诱0l(fā)生至關(guān)重要[11],但目前尚未見對藏豬Dnmt3a基因進行SNP篩選并分析其在精子中表達的研究。因此,采用PCR-直接測序法對藏豬Dnmt3a基因5′側(cè)翼區(qū)和編碼區(qū)進行SNP篩選,分別應(yīng)用實時熒光定量PCR技術(shù)、Westen blot方法對藏豬Dnmt3a基因在精子中的mRNA、蛋白質(zhì)表達水平進行研究,旨在為闡述藏豬精子高原適應(yīng)性的DNA甲基化機制及高繁殖力藏豬的分子育種等研究提供參考。
1.1.1 樣品采集及處理 采集藏豬、大白豬和滇南小耳豬各50個個體的耳組織以篩選Dnmt3a基因的SNP。藏豬、大白豬的精液分別取自西藏農(nóng)牧學(xué)院實習(xí)基地與西藏林芝嘎瑪養(yǎng)殖有限責(zé)任公司。用手握法分別采集10頭健康藏豬、大白豬精液,取中段精液,3層紗布過濾,將精子活率在80%以上的精液放入保溫瓶立即運回實驗室。將精液在4 ℃條件下2 000 r/min離心10 min,分離出精子細胞。用預(yù)冷的PBS溶液重懸精子細胞,再次離心10 min進行洗滌,重復(fù)2次。將洗滌后的精子立即用于總RNA及蛋白質(zhì)提取或存于-80 ℃?zhèn)溆谩?/p>
1.1.2 主要試劑與儀器設(shè)備 FastQuant cDNA第一鏈合成試劑盒購自天根生物技術(shù)有限公司;2×TaqPCR Mix購自北京百泰克生物技術(shù)有限公司;TransStart Eco Green qPCR SuperMix購自北京全式金生物技術(shù)有限公司;Trizol、蛋白質(zhì)抽提試劑、BCA蛋白質(zhì)濃度測定試劑盒(增強型)、抗體稀釋液、封閉液、ECL底物發(fā)光顯色試劑盒、蛋白質(zhì)Marker、β-actin小鼠單克隆抗體、Dnmt3a兔單克隆抗體、辣根過氧化物酶標記山羊抗小鼠IgG(H+L)、辣根過氧化物酶標記山羊抗兔IgG(H+L)等均購自碧云天生物技術(shù)研究所。
PCR儀、Eppendorf Centrifuge 5417R、5415R離心機購自德國Eppendorf公司;Boi-Rad凝膠成像系統(tǒng)、CFX96熒光定量實時PCR儀購自美國Bio-Rad公司。
從GenBank中獲得豬Dnmt3a基因cDNA序列(NM_001097437)和5′側(cè)翼區(qū)2 500 bp的DNA序列,利用軟件Primer Premier 5.0設(shè)計8對引物,可以擴增該基因cDNA和5′側(cè)翼區(qū)2 500 bp的DNA序列,引物信息見表1。
表1 豬Dnmt3a基因SNP篩選引物信息
從GenBank中獲得豬Dnmt3a和β-actin基因的cDNA序列,利用Primer Premier 5.0軟件跨內(nèi)含子設(shè)計這2個基因的定量引物,用于實時熒光定量PCR擴增,引物信息見表2。引物由生工生物工程(北京)股份有限公司合成。
表2 實時熒光定量PCR的引物信息
1.3.1 DNA提取 用苯酚-氯仿抽提法提取精子(藏豬、大白豬)與耳組織(藏豬、大白豬、滇南小耳豬,打耳標時取樣)的基因組DNA。
1.3.2 RNA提取及cDNA合成 采用Trizol一步法提取豬精子及耳組織的總RNA,質(zhì)檢合格后反轉(zhuǎn)錄成cDNA,-20 ℃保存?zhèn)溆谩?/p>
1.4.1 PCR擴增 PCR反應(yīng)體系:模板1 μL,2×TaqPCR Mix 10 μL,正向和反向引物各0.4 μL,加ddH2O至20 μL。PCR的反應(yīng)條件:95 ℃預(yù)變性5 min;95 ℃變性30 s,退火30 s,72 ℃延伸50 s,38個循環(huán);72 ℃延伸 10 min,降溫至4 ℃保存。
1.4.2 SNP分析 PCR產(chǎn)物經(jīng)1%瓊脂糖凝膠電泳檢測后,每個品種選取擴增效果最優(yōu)的10個樣本,每個樣本取5 μL PCR產(chǎn)物,混池后送生工生物工程(北京)股份有限公司測序。測序結(jié)果利用軟件DNAMAN和Chromas進行峰圖比對分析,篩選出SNP位點,然后對藏豬、大白豬、滇南小耳豬這3個豬種各50個個體進行個體測序,以確定個體SNP位點的基因型。
1.5.1 PCR擴增 藏豬、大白豬精子中Dnmt3a和β-actin基因的PCR反應(yīng)體系同1.4.1。PCR反應(yīng)條件:95℃ 5 min;然后95 ℃ 20 s,60 ℃ 20 s,72 ℃ 30 s,36個循環(huán);72 ℃延伸7 min, 最后4 ℃結(jié)束反應(yīng)。1%的瓊脂糖凝膠電泳檢測擴增產(chǎn)物。
1.5.2 標準曲線的制備及實時熒光定量PCR 將反轉(zhuǎn)錄得到的所有樣本的cDNA分別取出2 μL混合在一起成為熒光定量PCR的校準樣,將校準樣按5倍梯度進行稀釋,共稀釋5個梯度(包括原校準樣),在伯樂CFX96實時熒光定量PCR儀上運行標準曲線的程序,程序結(jié)束后看其標準曲線的斜率和引物擴增效率,若擴增效率PCR在90%~105%,說明引物可用于實時熒光定量PCR。
每個樣本的目的基因和內(nèi)參基因均在同一板擴增,且設(shè)目的基因與內(nèi)參基因的校準樣擴增,均設(shè)3個重復(fù),以這3個重復(fù)Ct值的平均值作為該個體的平均Ct值。反應(yīng)程序:95 ℃ 15 min,40個循環(huán)(95 ℃ 10 s,60 ℃ 30 s,72 ℃ 30 s),然后95 ℃ 10 s,65 ℃至95 ℃每增加0.5 ℃讀取熒光1次,繪制熔解曲線。實時熒光定量PCR反應(yīng)體系同1.4.1。目的基因的表達量采用2-ΔΔCT法計算。
1.6.1 精子總蛋白質(zhì)的提取與定量 分別在藏豬、大白豬精子中加入預(yù)冷的含抑制劑的蛋白質(zhì)抽提試劑,勻漿2次,在4 ℃條件下14 000 r/min離心30 min,取上清液,按照BCA蛋白質(zhì)濃度測定試劑盒(增強型)說明書提供的方法,測定樣品總蛋白質(zhì)的濃度,用于進行后續(xù)試驗或置于-80 ℃冰箱備用。
1.6.2 Westen blot方法檢測Dnmt3a蛋白表達水平 每個樣品均取30 μg總蛋白質(zhì),變性上樣后,進行SDS-PAGE電泳,然后將分離膠轉(zhuǎn)至PVDF膜上,封閉液4 ℃封閉過夜,洗膜后根據(jù)Marker標記的位置將膜橫向剪開,分別放入各自稀釋好(1∶1 000)的一抗(β-actin小鼠單克隆抗體、Dnmt3a兔單克隆抗體)中,于搖床上室溫孵育2~4 h,洗膜后放入各自稀釋好(1∶1 000)的二抗(辣根過氧化物酶標記山羊抗小鼠IgG(H+L)、辣根過氧化物酶標記山羊抗兔IgG(H+L))中,于搖床上室溫孵育2 h,再洗膜后用ECL顯影。用Image J圖像分析軟件對條帶進行灰度值計算,蛋白質(zhì)相對表達量為Dnmt3a與β-actin灰度值的比值。
基因表達量和蛋白質(zhì)表達量數(shù)據(jù)用SPSS 17.0軟件進行單因素方差分析,結(jié)果用平均數(shù)±標準誤表示,差異顯著性水平為P<0.05。用Sigma Plot 10.0軟件對Dnmt3a基因的mRNA及蛋白質(zhì)表達水平進行分析。
由圖1、表3可知,在藏豬Dnmt3a基因的5′側(cè)翼區(qū)起始密碼子上游2 012 bp處發(fā)現(xiàn)1個C→T的突變,且雜合度、多態(tài)信息含量均較高,表明群體內(nèi)變異程度大、能提供的遺傳信息較多,但該位點不是藏豬特有的SNP,滇南小耳豬也有。在編碼區(qū),藏豬Dnmt3a基因的第11外顯子區(qū)第1 360 bp處發(fā)現(xiàn)1個C→T突變位點,且該位點在大白豬、滇南小耳豬均未突變,但該突變并沒有引起氨基酸變化,原來的GCC翻譯成丙氨酸,突變后變成GCT,也翻譯成丙氨酸,屬同義突變,且雜合度、多態(tài)信息含量均較低,表明群體內(nèi)變異程度小、能提供的遺傳信息較少。
YP:大白豬;DP:滇南小耳豬;TP:藏豬,下同
表3 Dnmt3a基因SNP的基因型及基因頻率
在β-actin、Dnmt3a的標準曲線擴增中,其擴增效率在90%~105%,R2值均大于0.99,且沒有非特異性擴增,符合試驗的質(zhì)量控制要求。從圖2可以看出,Dnmt3a基因在藏豬精子中的mRNA表達水平顯著低于大白豬(P<0.05)。
不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05),下同
Dnmt3a蛋白在藏豬、大白豬精子的蛋白質(zhì)印跡中均有清晰的條帶(圖3A),藏豬精子中Dnmt3a蛋白的相對表達量顯著低于大白豬(P<0.05,圖3B)。
A.蛋白質(zhì)印跡;B.蛋白質(zhì)表達水平
本研究中,在藏豬Dnmt3a基因的5′側(cè)翼區(qū)和外顯子區(qū)各發(fā)現(xiàn)了1個SNP。在5′側(cè)翼區(qū)起始密碼子上游2 012 bp處,發(fā)現(xiàn)C→T的突變,且雜合度、多態(tài)信息含量均較高,表明群體內(nèi)變異程度大,能提供的遺傳信息較多。在藏豬Dnmt3a基因的第11外顯子區(qū)第1 360 bp處也發(fā)現(xiàn)了C→T突變位點,且是大白豬和滇南小耳豬所沒有的SNP,但突變前后都翻譯成丙氨酸,屬同義突變,且雜合度、多態(tài)信息含量均較低,表明群體內(nèi)變異程度小,能提供的遺傳信息較少??梢?,C2 012T位點可以作為藏豬分子育種中的候選標志。
本研究中,Dnmt3a基因在藏豬精子中的mRNA與蛋白水平上的相對表達量均顯著低于大白豬,這有助于闡明藏豬精子高原適應(yīng)性的DNA甲基化機制[12]。Dnmt3a在高畸形率的人精子中mRNA表達水平顯著高于正常精子[13],其在小鼠生殖系干細胞中的異常表達會導(dǎo)致精子形成缺陷[14],人源性Dnmt3a在轉(zhuǎn)基因大鼠睪丸中過表達會提高大鼠精子全基因組DNA甲基化水平[15]。藏豬睪丸組織中,Dnmt3a基因mRNA相對表達量顯著低于大白豬[9]。本研究中,藏豬精子的Dnmt3a基因mRNA相對表達量也顯著低于大白豬,而BAN等[16]認為,Dnmt3a在藏豬肺中的mRNA表達水平顯著高于大白豬,造成結(jié)果的不同可能與所檢測的組織不同有關(guān)。在低氧條件下,Dnmt3a介導(dǎo)的DNA甲基化改變會調(diào)節(jié)成骨分化[17],Dnmt3a過表達可通過p21和PPARg啟動子甲基化促進豬肌肉前脂肪細胞增殖并抑制其分化[18],Dnmt3a蛋白在睪丸細胞和生長受阻的成纖維細胞中呈高水平[19],阿霉素能降低Dnmt3a在睪丸中的表達水平[20]。雄性不育的犏牛睪丸組織中Dnmt3a蛋白的相對表達量顯著高于牦牛[21],這與本研究結(jié)果一致,藏豬精子的Dnmt3a蛋白表達水平顯著低于大白豬,有利于藏豬精子品質(zhì)的提高。
綜上,相對于大白豬,藏豬Dnmt3a基因C2 012T位點可以作為藏豬分子育種中的候選標志;藏豬精子中Dnmt3a基因mRNA及蛋白的低表達可能會導(dǎo)致較低的基因組DNA甲基化水平,從而有利于轉(zhuǎn)錄,這可能是藏豬精子高原適應(yīng)性的DNA甲基化機制之一,而如何進一步闡明藏豬精子高原適應(yīng)性的DNA甲基化機制、開展高繁殖力藏豬的分子育種等研究是今后研究的方向。