蘭國(guó)湘,金思琪,李星潤(rùn),劉喜雨,李國(guó)美,董新星,*
(1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院,云南 昆明 650201;2.大理農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院 動(dòng)物科學(xué)學(xué)院,云南 大理 671003)
隨人民生活水平提高,對(duì)鴿子的利用逐漸從肉用向觀賞、比賽方向發(fā)展,賽鴿運(yùn)動(dòng)逐漸興起。賽鴿應(yīng)具備堅(jiān)固結(jié)實(shí)的骨骼、發(fā)達(dá)有力的肌肉、緊密堅(jiān)挺的羽毛。胸肌在飛行中貢獻(xiàn)95%以上的力量,是鳥(niǎo)類中最重要的飛行肌肉,與飛翔有關(guān)的胸大肌負(fù)責(zé)向下煽動(dòng)翅膀,胸小肌負(fù)責(zé)揚(yáng)起翅膀,一般胸大肌比胸小肌發(fā)達(dá)。著名的詹森鴿原產(chǎn)于比利時(shí),其特點(diǎn)是爆發(fā)力強(qiáng),飛行速度快,適宜中短距離賽段。高原雨點(diǎn)鴿是我國(guó)第一代軍鴿品種,具有遠(yuǎn)翔的能力和抗高原強(qiáng)磁的特點(diǎn),耐受力強(qiáng),可負(fù)重飛行。本研究對(duì)高原雨點(diǎn)鴿和詹森鴿的胸肌轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,挖掘調(diào)控鴿子與飛行能力有關(guān)的功能基因,為賽鴿培育提供參考。
選取性別相同、10~12月齡的高原雨點(diǎn)鴿和詹森鴿各3只,屠宰后采集胸肌組織,-80 ℃保存?zhèn)溆谩?/p>
參考蔣明雅等的方法測(cè)定肌纖維橫截面積和直徑。
用Trizol法提取總RNA,Nano Photometer分光光度計(jì)檢測(cè)RNA純度,Qubit3.0Flurometer檢測(cè)RNA濃度,安捷倫2100 RNA Nano 6000 Assay Kit檢測(cè)RNA的完整性。RNA檢測(cè)合格的樣品各取3 μg構(gòu)建轉(zhuǎn)錄組文庫(kù),用Illumina HiSeq 2500測(cè)序平臺(tái)進(jìn)行雙端測(cè)序,得到150 bp的雙端測(cè)序reads。
1.4.1 數(shù)據(jù)質(zhì)控
原始數(shù)據(jù)去除接頭和低質(zhì)量reads后得到高質(zhì)量測(cè)序數(shù)據(jù)(clean data),將clean data通過(guò)HISAT2(v2.1.0)比對(duì)到參考基因組,獲取序列在參考基因組上的位置與特征信息。
1.4.2 差異表達(dá)基因篩選
轉(zhuǎn)錄本的表達(dá)量計(jì)算用fragments per kilobase million reads (FPKM)法,以|logFC|>1且<0.05為閾值篩選差異表達(dá)基因。
1.4.3 差異表達(dá)基因GO與KEGG分析
利用基因本體(gene ontology,GO)富集分析計(jì)算每個(gè)GO Term的基因數(shù)目。用京都基因與基因組百科全書(shū)(kyoto encyclopedia of genes and genomes,KEGG)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)每個(gè)pathway應(yīng)用超幾何檢驗(yàn)進(jìn)行富集分析,確定差異基因參與的信號(hào)通路。
用STRING數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行蛋白質(zhì)互作分析,采用R語(yǔ)言統(tǒng)計(jì)與其他蛋白質(zhì)相互作用關(guān)系最多的節(jié)點(diǎn),取前45個(gè)進(jìn)行可視化作圖。
提取總RNA,逆轉(zhuǎn)錄建cDNA文庫(kù),根據(jù)、3、1、1、1基因序列設(shè)計(jì)引物(表1),引物由擎科生物有限公司合成。以反轉(zhuǎn)錄得到的胸肌cDNA為模板進(jìn)行qRT-PCR,以β肌動(dòng)蛋白基因(-)作為內(nèi)參,驗(yàn)證基因表達(dá)量,每個(gè)樣本進(jìn)行3 次重復(fù)。PCR擴(kuò)增體系為20 μL:cDNA模板1 μL,上、下游引物各0.8 μL,2×SYBRSelect MasterMix 10 μL,ddHO 7.4 μL。PCR反應(yīng)條件為:95 ℃預(yù)變性1 min;95 ℃變性10 s,55 ℃退火5 s,72 ℃延伸10 s,40個(gè)循環(huán);用2法計(jì)算基因的相對(duì)表達(dá)量。
表1 實(shí)時(shí)熒光定量PCR引物序列Table 1 Primer sequences of qRT-PCR
6個(gè)樣品的RNA測(cè)序文庫(kù)共得297.16 M讀長(zhǎng)為150 bp的雙末端原始讀段(raw reads),產(chǎn)生高質(zhì)量堿基417.25 Gb,高質(zhì)量序列所占比例均在90%以上,Q30均在93%以上,所有樣品比對(duì)基因組上的序列比例均在83%以上(表2),說(shuō)明測(cè)序質(zhì)量較高,可用于后續(xù)分析。
表2 測(cè)序輸出結(jié)果Table 2 Output of sequencing data
以|logFC|>1、<0.05為篩選差異顯著基因的閾值,共檢測(cè)到75個(gè)顯著差異表達(dá)基因,其中,高原雨點(diǎn)鴿相對(duì)于詹森鴿49個(gè)基因上調(diào)表達(dá),26個(gè)基因下調(diào)表達(dá)(圖1)。
圖1 高原雨點(diǎn)鴿與詹森鴿胸肌差異表達(dá)基因火山圖Fig.1 Volcano plots of DEGs in breast muscle between Plateau raindrop pigeon and Janssen pigeon
GO分析結(jié)果(表3)顯示:差異基因主要富集在肌肉生長(zhǎng)相關(guān)條目(JAK-STAT級(jí)聯(lián)、骨骼肌細(xì)胞分化、肌管分化調(diào)控等)、能量利用相關(guān)條目(支鏈氨基酸代謝過(guò)程、脂質(zhì)分解過(guò)程、支鏈氨基酸代謝過(guò)程等)、肌肉生長(zhǎng)與能量利用相關(guān)條目(細(xì)胞代謝過(guò)程調(diào)節(jié)、初級(jí)代謝過(guò)程調(diào)節(jié)等)。
表3 肌肉生長(zhǎng)、能量利用相關(guān)的差異表達(dá)基因主要顯著富集GO條目Table 3 Main GO items of DEGs enrichment analysis related to muscle growth and energy utilization
KEGG通路富集分析表明,差異表達(dá)基因主要富集在22條信號(hào)通路,其中,胰島素信號(hào)通路、胰島素抵抗等7條通路與肌肉生長(zhǎng)、能量利用均有關(guān)(表4),細(xì)胞因子信號(hào)傳導(dǎo)抑制因子3基因(suppressor of cytokine signaling 3,3)、磷脂酶Cε1基因(phospholipase cepsilon-1,1)、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄活化因子1基因(signal transducer and activator of transcription 1,1)、乙酰輔酶A羧化酶β基因(acetyl-CoA carboxylase beta,)、蛋白磷酸酶1調(diào)節(jié)亞基3C基因(protein phosphatase 1 regulatory subunit 3C,13)、低氧誘導(dǎo)因子1α基因(hypoxia inducible factor 1 alpha,1)等與肌肉生長(zhǎng)、能量利用有關(guān)的基因顯著富集于以上通路。
表4 肌肉生長(zhǎng)與能量利用相關(guān)的差異表達(dá)基因主要顯著富集信號(hào)通路Table 4 Pathways of DEGs enrichment analysis related to muscle growth and energy utilization
為進(jìn)一步研究差異表達(dá)基因編碼的蛋白質(zhì)之間的調(diào)控關(guān)系,用STRING數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行蛋白互作分析。從圖2可以看出,成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子6 (fibroblast growth factor 6,6)基因位于網(wǎng)絡(luò)起始端,1、生肌決定因子1(myogenic differentiation 1,1)、血管內(nèi)皮細(xì)胞生長(zhǎng)因子A(vascular endothelial growth factor A,)位于網(wǎng)絡(luò)核心位置;互作網(wǎng)絡(luò)分為3大支,第1支由3、1、低氧誘導(dǎo)因子-1α(hypoxia inducible factor 1 subunit alpha,1)、1、SET和MYND結(jié)構(gòu)域蛋白1(SET and MYND domain containing 1,1)等基因組成,通過(guò)自身編碼蛋白激活轉(zhuǎn)錄調(diào)控肌肉細(xì)胞分化,或編碼蛋白與受體激活作為轉(zhuǎn)錄激活因子參與調(diào)控肌細(xì)胞的分化;第2支由Mg/Mn依賴的蛋白磷酸酶1K(protein phosphatase,Mg/Mndependent 1K,1)、丙酮酸脫氫酶激酶4(pyruvate dehydrogenase kinase 4,4)、丙酮酸脫氫酶磷酸酶催化亞基1 (pyruvate dehydrogenase phosphatase catalytic subunit 1,1)等基因組成,通過(guò)磷酸化過(guò)程,參與調(diào)節(jié)葡萄糖代謝,增加能量生成;第3支由1、單酰甘油脂肪酶(monoglyceride lipase,)、脂肪酰胺水解酶(Fatty acid amide hydrolase,)等基因組成,編碼蛋白與酶類通過(guò)催化反應(yīng)轉(zhuǎn)化為甘油,參與脂肪代謝。
圓圈代表蛋白質(zhì),其顏色深淺表示在網(wǎng)絡(luò)中的權(quán)重,顏色越深表示權(quán)重越大。直線代表蛋白質(zhì)之間的相互作用,線條越粗表示相互作用越大。Circles represented proteins,and their color shades represented their weights in the network,with darker colors representing greater weights.Straight lines represented interactions between proteins,with thicker lines representing grater interactions.圖2 蛋白質(zhì)互作網(wǎng)絡(luò)Fig.2 Protein interaction network
為檢驗(yàn)RNA-seq數(shù)據(jù)可靠性,從與肌肉生長(zhǎng)和能量利用有關(guān)的差異表達(dá)基因中隨機(jī)選擇、3、1、1、1基因進(jìn)行qRT-PCR驗(yàn)證。轉(zhuǎn)錄組測(cè)序結(jié)果表明:高原雨點(diǎn)鴿胸肌1、1、1基因相對(duì)表達(dá)量高于詹森鴿,而、3基因相對(duì)表達(dá)量低于詹森鴿。qRT-PCR結(jié)果表明:高原雨點(diǎn)鴿胸肌1、1、1基因相對(duì)表達(dá)量高于詹森鴿,、3基因相對(duì)表達(dá)量低于詹森鴿,與轉(zhuǎn)錄組測(cè)序結(jié)果一致(圖3)。
詹森鴿和高原雨點(diǎn)鴿胸肌組織的石蠟切片(HE染色)見(jiàn)圖4。詹森鴿胸肌肌纖維橫切面能看到輪廓較為完整的肌纖維,肌纖維直徑(22.77±2.05)μm,肌纖維密度為(1 443±256)根·mm,肌內(nèi)脂肪沉積較充分;高原雨點(diǎn)鴿肌纖維直徑(20.27±1.72)μm,肌纖維密度為(1 553±159)根·mm,肌內(nèi)脂肪開(kāi)始沉積。
A,轉(zhuǎn)錄組測(cè)序結(jié)果;B,qRT-PCR結(jié)果。A,Transcriptome sequencing results;B,qRT-PCR results.圖3 高原雨點(diǎn)鴿和詹森鴿胸肌差異表達(dá)基因的相對(duì)表達(dá)水平Fig.3 Relative expression levels of DEGs in breast muscle between Plateau raindrop pigeon and Janssen pigeon
A,高原雨點(diǎn)鴿(40×40);B,詹森鴿(40×40)。A,Plateau raindrop pigeon(40×40);B,Janssen pigeon(40×40).圖4 高原雨點(diǎn)鴿和詹森鴿胸肌肌纖維橫切面Fig.4 Breast muscle fiber transection of Plateau raindrop pigeon and Janssen pigeon
鴿子飛行依賴于發(fā)達(dá)的胸肌,飛行時(shí)胸肌收縮消耗大量能量,能量供給對(duì)賽鴿飛行至關(guān)重要,能量產(chǎn)生速率決定了骨骼肌的工作能力。本試驗(yàn)對(duì)高原雨點(diǎn)鴿、詹森鴿胸肌轉(zhuǎn)錄組進(jìn)行測(cè)序分析,篩選到1、、1、3、1、1、1、等與肌肉生長(zhǎng)和能量代謝有關(guān)的差異表達(dá)基因。
1在心臟和肌肉特異表達(dá),具有激活下游基因轉(zhuǎn)錄的功能,可促進(jìn)肌肉細(xì)胞成熟、分化。王娟等研究表明,1可能是胰島素樣生長(zhǎng)因子-1(insulin-like growth factor 1,-1)下游靶基因,1可能與存在協(xié)同激活效應(yīng),促進(jìn)肌纖維分化。早期成肌細(xì)胞1缺失并不影響增殖,但抑制分化,導(dǎo)致肌纖維減少,骨骼肌特異性基因的表達(dá)減少。本試驗(yàn)中,高原雨點(diǎn)鴿1基因相對(duì)表達(dá)量比詹森鴿高,1基因富集于骨骼肌細(xì)胞分化、肌管分化、成肌細(xì)胞分化、橫紋肌細(xì)胞分化等條目,可能導(dǎo)致高原雨點(diǎn)鴿胸肌肌纖維分化,形成更多的紅肌纖維,耐力較好,更適宜中長(zhǎng)距離飛行。
基因可編碼絲氨酸水解酶,催化單酰基甘油轉(zhuǎn)化為游離脂肪酸和甘油,為能量消耗提供燃料?;虮磉_(dá)時(shí),會(huì)降解2-花生四烯酰甘油,促進(jìn)脂質(zhì)儲(chǔ)存。本試驗(yàn)中,基因在高原雨點(diǎn)鴿胸肌的相對(duì)表達(dá)量比詹森鴿低,主要富集于脂肪酸生物合成過(guò)程、二?;视痛x過(guò)程、甘油三酯分解過(guò)程等條目,可能導(dǎo)致高原雨點(diǎn)鴿胸肌脂質(zhì)減少,快速飛行時(shí)能量供應(yīng)不足,爆發(fā)力不如詹森鴿。有研究表明,賽鴿飛翔骨骼肌運(yùn)動(dòng)能量消耗加大,主要靠水解游離脂肪酸、甘油提供能量。
1基因可編碼支鏈α-酮酸脫氫酶,促進(jìn)支鏈氨基酸分解。本試驗(yàn)中,高原雨點(diǎn)鴿1基因相對(duì)表達(dá)量比詹森鴿高,該基因富集于支鏈氨基酸分解過(guò)程、支鏈氨基酸代謝過(guò)程等條目,該基因可通過(guò)催化支鏈氨基酸分解,為高原雨點(diǎn)鴿長(zhǎng)距離飛行提供足夠的能量。
本試驗(yàn)中,高原雨點(diǎn)鴿3基因表達(dá)量比詹森鴿低,3基因是細(xì)胞因子信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)抑制因子家族的成員之一,影響肌肉組織中多種細(xì)胞因子的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo),可通過(guò)負(fù)反饋方式調(diào)節(jié)細(xì)胞因子與激素介導(dǎo)的酪氨酸蛋白激酶/信號(hào)傳導(dǎo)子和轉(zhuǎn)錄激活子信號(hào)傳導(dǎo)通路,促進(jìn)成肌細(xì)胞分化。同時(shí),3可正調(diào)控胰島素樣生長(zhǎng)因子(IGF-1)信號(hào)通路,IGF-1可促進(jìn)骨骼肌肥大、肌纖維體積增加。高原雨點(diǎn)鴿3基因表達(dá)量低,可能導(dǎo)致高原雨點(diǎn)鴿胸肌肌纖維直徑變小,肌肉收縮時(shí)的力量不如詹森鴿,比賽時(shí)爆發(fā)力比詹森鴿差,組織學(xué)觀測(cè)結(jié)果也表明,詹森鴿肌肉生長(zhǎng)可能早于高原雨點(diǎn)鴿,詹森鴿胸肌肌纖維處于肥大期,肌纖維直徑較大、發(fā)育較為充分,已經(jīng)可以看到較為明晰的肌纖維輪廓,而高原雨點(diǎn)鴿則處于肌纖維生長(zhǎng)期。另一方面,3基因是瘦素受體信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的負(fù)反饋調(diào)節(jié)因子,瘦素受體可激活JAK-STAT通路調(diào)控靶基因表達(dá),調(diào)控脂肪沉積。高濃度瘦素可誘導(dǎo)3 mRNA和蛋白質(zhì)在成熟脂肪細(xì)胞表達(dá)。當(dāng)3基因表達(dá)時(shí),抑制瘦素受體信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo),導(dǎo)致長(zhǎng)鏈脂肪酸合成與氧化速度加快,促黑激素分泌減少,食欲增加,脂肪沉積增加。高原雨點(diǎn)鴿3基因相對(duì)表達(dá)量下調(diào),可能導(dǎo)致高原雨點(diǎn)鴿食欲降低、采食量減少、脂肪沉積減少,能量底物減少,從而導(dǎo)致爆發(fā)力不如詹森鴿。組織學(xué)觀測(cè)表明,詹森鴿胸肌可以看到明顯的脂滴,脂肪沉積較充分,而高原雨點(diǎn)鴿胸肌脂滴較少。
本試驗(yàn)中,高原雨點(diǎn)鴿1基因相對(duì)表達(dá)量比詹森鴿高,1基因編碼蛋白為磷脂酶,催化磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸生成三磷酸肌醇,其受體是肌肉特異性表達(dá)轉(zhuǎn)錄因子,可介導(dǎo)Ca釋放,對(duì)成肌細(xì)胞分化和肌肉收縮至關(guān)重要。原代培養(yǎng)的大鼠骨骼肌成肌細(xì)胞肌管中含有大量的磷酸肌醇。成肌細(xì)胞分化為肌管時(shí),磷脂酶活性增加。高原雨點(diǎn)鴿1基因相對(duì)表達(dá)量比詹森鴿高,可能導(dǎo)致高原雨點(diǎn)鴿胸肌肌管數(shù)量增加、肌纖維增多、肌纖維密度增加,耐力更好,更適合長(zhǎng)距離飛行。另外,1基因編碼的磷脂酶Cε1能水解磷脂生成二酰甘油和三磷酸肌醇,二酰甘油作為重要的第二信使分子,可激活蛋白激酶C,進(jìn)一步激活一系列信號(hào)傳遞級(jí)聯(lián)途徑,上調(diào)膽固醇酰基轉(zhuǎn)移酶-1,促進(jìn)脂質(zhì)沉積。高原雨點(diǎn)鴿1基因相對(duì)表達(dá)量比詹森鴿高,可能通過(guò)磷脂酰肌醇特異性磷脂酶C水解磷脂生成二酰甘油和三磷酸肌醇,激活蛋白激酶C,進(jìn)一步激活一系列信號(hào)傳遞級(jí)聯(lián)途徑,上調(diào)膽固醇?;D(zhuǎn)移酶-1,促進(jìn)脂質(zhì)沉積,為高原雨點(diǎn)鴿長(zhǎng)距離負(fù)重飛行提供足夠能量底物。
蛋白質(zhì)互作網(wǎng)絡(luò)分析顯示,1、1、處于蛋白質(zhì)互作網(wǎng)絡(luò)的核心位置。1基因是信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)子和轉(zhuǎn)錄激活子STATs蛋白家族成員之一,當(dāng)1基因缺失時(shí),骨骼肌生長(zhǎng)加速,骨骼肌中甘油三酯含量降低。1基因在高原雨點(diǎn)鴿胸肌中上調(diào),可能導(dǎo)致高原雨點(diǎn)鴿胸肌生長(zhǎng)慢于詹森鴿,胸肌中甘油三酯含量高于詹森鴿。1基因是主要的生肌因子,是骨骼肌生長(zhǎng)中基因表達(dá)的正調(diào)節(jié)劑。1基因轉(zhuǎn)染到鼠源成纖維細(xì)胞,可促進(jìn)60%~90%的成纖維細(xì)胞啟動(dòng)肌分化。1基因缺失可將衛(wèi)星細(xì)胞來(lái)源的原代成肌細(xì)胞轉(zhuǎn)化為棕色脂肪細(xì)胞。1基因在高原雨點(diǎn)鴿胸肌中下調(diào),可能導(dǎo)致高原雨點(diǎn)鴿胸肌肌纖維細(xì)胞的肌分化慢于詹森鴿、肌肉生長(zhǎng)變慢,脂肪細(xì)胞分化加快。基因可通過(guò)調(diào)節(jié)生長(zhǎng)因子、轉(zhuǎn)錄因子、黏連蛋白基因的表達(dá)來(lái)調(diào)節(jié)脂肪組織的結(jié)構(gòu)及功能,過(guò)表達(dá)會(huì)增加血管密度以抵制肥胖,使白色脂肪棕色化,基因在高原雨點(diǎn)鴿胸肌中上調(diào),可能導(dǎo)致高原雨點(diǎn)鴿體內(nèi)白色脂肪轉(zhuǎn)化為棕色脂肪,分解白色脂肪為二氧化碳、水和能量,有利于遠(yuǎn)距離飛行。
高原雨點(diǎn)鴿胸肌1、1、、1、1基因相對(duì)表達(dá)量上調(diào)。1可能導(dǎo)致高原雨點(diǎn)鴿胸肌肌纖維分化形成更多的紅肌纖維;1可能導(dǎo)致高原雨點(diǎn)鴿胸肌肌管數(shù)量增加、肌纖維增多、肌纖維密度增加,同時(shí)促進(jìn)脂質(zhì)沉積;1可能導(dǎo)致高原雨點(diǎn)鴿胸肌生長(zhǎng)慢于詹森鴿,胸肌中甘油三酯含量高于詹森鴿;可能導(dǎo)致高原雨點(diǎn)鴿體內(nèi)白色脂肪轉(zhuǎn)化為棕色脂肪;1可能催化支鏈氨基酸分解,最終導(dǎo)致高原雨點(diǎn)鴿飛行時(shí)的肌肉爆發(fā)力不如詹森鴿,同時(shí)為高原雨點(diǎn)鴿長(zhǎng)距離負(fù)重飛行提供足夠能量,耐力更好。
高原雨點(diǎn)鴿胸肌1、3、基因相對(duì)表達(dá)量下調(diào)。1可能導(dǎo)致高原雨點(diǎn)鴿胸肌肌纖維細(xì)胞的肌分化慢于詹森鴿,肌肉生長(zhǎng)變慢;3可能導(dǎo)致高原雨點(diǎn)鴿胸肌肌纖維直徑變小,爆發(fā)力比詹森鴿差;可能導(dǎo)致高原雨點(diǎn)鴿胸肌脂質(zhì)減少,能量供應(yīng)不足,爆發(fā)力不如詹森鴿,同時(shí)催化支鏈氨基酸分解,為高原雨點(diǎn)鴿長(zhǎng)距離飛行提供足夠的能量,更適宜遠(yuǎn)距離飛行。