張德榮,孫渭博,曹 忻,李羽翡,柏家林
(1.西北民族大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)研究中心,蘭州 730030;2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院,蘭州 730070;3.西北民族大學(xué) 實(shí)驗(yàn)教學(xué)部,蘭州 730030;4.甘肅省食品檢驗(yàn)研究院,蘭州 730070)
脂聯(lián)素(adiponectin, APN),也稱脂肪連接蛋白,是由脂肪細(xì)胞分泌的一種具有生物活性的內(nèi)源性多肽或蛋白質(zhì)(一種具有保護(hù)作用的脂肪因子),由N端信號(hào)肽、變異區(qū)域、N-膠原蛋白三螺旋區(qū)和C端球狀區(qū)4 個(gè)結(jié)構(gòu)域構(gòu)成[1]。脂聯(lián)素由APN基因編碼,該基因最早定位在人類染色體的3q27,全長17 kb,在哺乳動(dòng)物中高度保守,由3個(gè)外顯子和2個(gè)內(nèi)含子組成,編碼247個(gè)氨基酸(外顯子1不參與編碼蛋白),編碼的APN蛋白分子質(zhì)量約為30 ku[2-3]。脂聯(lián)素前體經(jīng)加工修飾可形成低分子質(zhì)量(low-molecular-weight, LMW)蛋白與高分子質(zhì)量(hight-molecular-weight, HMW)蛋白,兩者在機(jī)體內(nèi)具有獨(dú)特的生物學(xué)功能[4-5]。作為一種脂肪細(xì)胞因子,脂聯(lián)素必須與靶器官上的特異性受體結(jié)合才能發(fā)揮其生物學(xué)功能,Yamauchi等[6]研究表明脂聯(lián)素存在脂聯(lián)素受體1(adiponectin receptor 1,AdipoR1)和脂聯(lián)素受體2(adiponectin receptor 2,AdipoR2)兩種亞型受體。AdipoRs含有7 個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域,但結(jié)構(gòu)和功能上完全不同于G蛋白偶聯(lián)受體,AdipoR1基因主要在骨骼肌組織中表達(dá),對(duì)脂聯(lián)素球狀區(qū)有高度親和力;AdipoR2基因主要在脂肪和肝臟組織中表達(dá),對(duì)全長、球形脂聯(lián)素有中度親和力,APN基因通過與AdipoRs結(jié)合直接參與腺苷酸活化蛋白激酶(AMP-activated Protein Kinase, AMPK)和過氧化物酶體增殖物激活受體-α(Peroxisome Proliferators-activated Receptor α, PPAR-α)途徑,間接調(diào)節(jié)脂肪酸氧化、葡萄糖利用和糖異生等代謝及胰島素的分泌[7-8]。APN基因的研究主要集中在人及嚙齒動(dòng)物,如人類肥胖、脂質(zhì)代謝及胰島素耐受等。在家畜動(dòng)物中,陳星伊等[9]研究發(fā)現(xiàn)AdipoR1和AdipoR2基因參與秦川牛肌肉生長發(fā)育的調(diào)控;孟憲然等[10]在研究內(nèi)蒙古絨山羊時(shí)發(fā)現(xiàn)APN基因是影響肉品質(zhì)的重要候選基因;An等[11]研究表明APN基因影響綿羊早期生長速度、瘦肉量及胴體脂肪沉積深度等。此外,人們最初認(rèn)為成熟的脂肪細(xì)胞是脂聯(lián)素蛋白合成和分泌的唯一場所,但在后續(xù)的研究中發(fā)現(xiàn),其在多種哺乳動(dòng)物的心肌、垂體、成骨細(xì)胞、卵巢等組織中均有不同程度的表達(dá)[12]。因此,本研究以蘭州大尾羊?yàn)樵囼?yàn)對(duì)象,同源克隆和RACE克隆APN、AdipoR1和AdipoR2基因的全長cDNA序列,運(yùn)用實(shí)時(shí)熒光定量PCR技術(shù)分析脂聯(lián)素及其受體基因在15種組織中的表達(dá)規(guī)律,為下一步開展綿羊脂聯(lián)素及其受體在多克隆抗體制備及免疫組化等方面機(jī)制機(jī)理的研究打下基礎(chǔ),為后期開展的相關(guān)研究提供必要的理論依據(jù)與數(shù)據(jù)支持。
選擇3只健康且體況良好的6月齡蘭州大尾羊(甘肅省永靖縣瑞霖科技養(yǎng)殖有限公司),經(jīng)頸靜脈放血處死后,無菌條件下采集15種組織:背最長肌、肩部皮下脂肪、內(nèi)臟脂肪、肝臟、腎臟、心臟、肺、脾、卵巢、睪丸、大腸、小腸、間腦、瘤胃和皺胃,將組織分割為1 cm3的小塊,裝入標(biāo)記好的凍存管置于液氮中帶回實(shí)驗(yàn)室,-80 ℃冰箱保存。
采用Takara RNAiso Plus總RNA 提取試劑盒分別提取15種組織總RNA,產(chǎn)物溶于DEPC水,-80 ℃保存,備用。采用SMARTerTMRACE cDNA Amplification試劑盒對(duì)背最長肌、肩部皮下脂肪和肝臟組織中提取的總RNA進(jìn)行反轉(zhuǎn)錄合成cDNA第一鏈,產(chǎn)物-20 ℃保存,備用。采用All-in-OneTMFirst-Strand cDNA Synthesis Kit試劑盒分別將15種組織中提取的總RNA進(jìn)行反轉(zhuǎn)錄合成cDNA,產(chǎn)物于-20 ℃保存,備用。
1.3.1 簡并引物設(shè)計(jì)與合成 根據(jù)人、鼠、大鼠、牛、山羊、雞和豬的脂聯(lián)素及其受體基因序列同源性比較結(jié)果,運(yùn)用PrimerPrimer 5.0 軟件設(shè)計(jì)其同源克隆的上下游引物,具體序列及產(chǎn)物大小見表1,引物由生工生物工程有限公司合成。
表1 綿羊APN、AdipoR1和 AdipoR2基因同源克隆引物序列
1.3.2 RACE引物設(shè)計(jì)與合成 根據(jù)綿羊脂聯(lián)素及其受體同源克隆基因片段測序結(jié)果,運(yùn)用PrimerPrimer 5.0軟件設(shè)計(jì)其5′-RACE 特異性引物(Gene Specific Primer, GSP)和3′-RACE特異性引物。再依據(jù)綿羊脂聯(lián)素及其受體RACE克隆測序結(jié)果,拼接全長cDNA序列,設(shè)計(jì)相應(yīng)的驗(yàn)證PCR引物,具體引物序列及產(chǎn)物大小見表2,引物由生工生物工程有限公司合成。
表2 綿羊APN、AdipoR1和 AdipoR2基因RACE特異引物及驗(yàn)證PCR引物
1.3.3 實(shí)時(shí)熒光定量PCR引物設(shè)計(jì)與合成 根據(jù)RACE克隆出的APN、AdipoR1和AdipoR2基因全長cDNA 序列,運(yùn)用PrimerPrimer 5.0軟件設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)熒光定量PCR引物,以綿羊3-磷酸甘油醛脫氫酶(Glyceraldehyde-3-phosphate-dehydrogenase,GAPDH)作為內(nèi)參基因(NM_001190390),具體序列及產(chǎn)物大小見表3,引物由生工生物工程有限公司合成。
表3 綿羊APN、AdipoR1和 AdipoR2基因組織特異性qPCR引物
1.4.1 同源克隆 分別取背最長肌、肩部皮下脂肪和肝臟組織cDNA 第一鏈稀釋液2.0 μL,脂聯(lián)素及其受體基因上、下游引物各0.5 μL,dNTP 2.0 μL,10×PCR緩沖液2.5 μL,TakaRaTaqDNA聚合酶1.5 μL,加雙蒸水至25 μL。運(yùn)用Touchdown PCR技術(shù),分別擴(kuò)增APN、AdipoR1和AdipoR2基因同源片段,具體反應(yīng)條件見表4。PCR產(chǎn)物運(yùn)用1 g/L的瓊脂糖凝膠電泳檢測。
表4 綿羊APN、AdipoR1和 AdipoR2基因同源片段擴(kuò)增條件
1.4.2 RACE克隆 分別以背最長肌、肩部皮下脂肪和肝臟組織總RNA反轉(zhuǎn)錄的第一鏈cDNA為模板,RACE克隆APN、AdipoR1和AdipoR2基因。RACE克隆反應(yīng)體系(50 μL)為cDNA模板2.5 μL,10×UPM 5 μL,5′-RACE GSP1 1 μL,3′-RACE GSP1 1 μL,10×Advantage 2 PCR Buffer 5 μL,dNTP Mix 1 μL,50×Advantage 2 Ploymerase Mix 1 μL和PCR-Grade Water 33.5 μL。APN基因5′-RACE和3′-RACE反應(yīng)條件為:94 ℃、30 s,68 ℃、30 s,72 ℃、2 min,25個(gè)循環(huán)。AdipoR1基因5′-RACE反應(yīng)條件為:94 ℃、30 s,68 ℃、30 s,72 ℃、2 min,25 cycles;3′-RACE反應(yīng)采用Touchdown PCR技術(shù),反應(yīng)條件為:94 ℃、30 s,72 ℃、3 min,5個(gè)循環(huán);94 ℃、30 s,70 ℃、30 s,72 ℃、3 min,5個(gè)循環(huán),94 ℃、30 s,68 ℃、30 s,72 ℃、2 min,25 個(gè)循環(huán)。AdipoR2基因5′-RACE反應(yīng)采用Touchdown PCR 技術(shù),反應(yīng)條件為:94 ℃、30 s,72 ℃、3 min,5個(gè)循環(huán);94 ℃、30 s,70 ℃、30 s,72 ℃、3 min,5個(gè)循環(huán),94 ℃、30 s,68 ℃、30 s,72 ℃、2 min,25個(gè)循環(huán);3′RACE 反應(yīng)條件為:94 ℃、30 s,68 ℃、30 s,72 ℃、2 min,25個(gè)循環(huán)。反應(yīng)結(jié)束后,PCR產(chǎn)物用1 g/L瓊脂糖凝膠電泳檢測,用TakaRa MinREST Gel DNA Extraction Kit(Ver.3.0)進(jìn)行目標(biāo)產(chǎn)物回收,并構(gòu)建克隆載體測序。
1.4.3 PCR驗(yàn)證 分別以背最長肌、肩部皮下脂肪和肝臟組織總RNA反轉(zhuǎn)錄的第一鏈cDNA為模板,PCR擴(kuò)增APN、AdipoR1和AdipoR2基因。PCR擴(kuò)增反應(yīng)體系(20 μL)為cDNA模板1 μL,驗(yàn)證上游引物1 μL,驗(yàn)證下游引物1 μL,dNTP Mix 1 μL,TaKaRa LATaq0.5 μL,10×Buffer 2 μL和PCR-Grade Water 13.5 μL。APN基因PCR反應(yīng)條件為 95 ℃、2 min;98 ℃、2 min,57 ℃、30 s,72 ℃、2 min,30個(gè)循環(huán);72 ℃、10 min。AdipoR1和AdipoR2基因PCR反應(yīng)條件為95 ℃、2 min;98 ℃、2 min,60 ℃、30 s,72 ℃、2 min,30個(gè)循環(huán);72 ℃、10 min。反應(yīng)結(jié)束后,PCR產(chǎn)物用0.9 g/L的瓊脂糖凝膠電泳檢測,用TakaRa MinREST Gel DNA Extraction Kit(Ver.3.0)進(jìn)行目標(biāo)產(chǎn)物回收,并構(gòu)建克隆載體測序。
1.4.4 克隆載體構(gòu)建及測序 選用 TakaRa DNA Ligation Kit Ver.2.1試劑盒將脂聯(lián)素及其受體基因同源克隆、5′-RACE、3′-RACE、驗(yàn)證 PCR的片段回收并與克隆載體T-V ector pMDTM19 Simple連接,過夜后熱轉(zhuǎn)化至E.coliCompetent Cell JM109感受態(tài)細(xì)胞中,涂布平板,37 ℃過夜培養(yǎng)。挑選陽性菌落,提取質(zhì)粒,送至生工生物工程有限公司使用通用引物進(jìn)行測序。
分別以15種組織反轉(zhuǎn)錄所得的cDNA鏈為模板,進(jìn)行qPCR擴(kuò)增,反應(yīng)體系為cDNA模板1 μL、上下游引物各 0.2 μL、2×SYBR qPCR Mix 12.5 μL和DEPC H2O建立25 μL qPCR反應(yīng)體系,反應(yīng)條件為94 ℃、2 min,94 ℃、5 s,57 ℃、30 s,40個(gè)循環(huán)。在LightCycler 480實(shí)時(shí)熒光定量PCR儀中測定APN、AdipoR1和AdipoR2在15種組織中的表達(dá)水平,每個(gè)反應(yīng)重復(fù)3次。
從NCBI上分別下載人、鼠、大鼠、牛、山羊、雞和豬等物種對(duì)應(yīng)APN、AdipoR1和AdipoR2基因序列,利用MEGA軟件進(jìn)行同源性分析。
所有基因在每個(gè)樣品(組織)重復(fù)進(jìn)行3次,數(shù)據(jù)以“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”表示。利用SPSS 22.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析,不同組織的脂聯(lián)素及其受體基因在其不同濃度下表達(dá)量的影響均采用單因子方差分析對(duì)其顯著性進(jìn)行檢驗(yàn),P<0.05為差異顯著,P<0.01為差異極顯著。
以背最長肌的反轉(zhuǎn)錄cDNA第一鏈稀釋液為模板,同源克隆出310 bp的ANP基因片段(圖1-A),再利用RACE技術(shù),克隆出大小為950 bp的5′-RACE片段(圖1-B)和1 500 bp的3′-RACE片段(圖1-C),拼接獲得全長為2 101 bp的ANP基因cDNA(GenBank登錄號(hào):KJ1592123,https://www.ncbi.nlm.nih.gov/nuccore/KJ159213.1),驗(yàn)證PCR擴(kuò)增出大小為1 193 bp的ANP基因片段(圖1-D)。通過MEGA分析顯示,綿羊APN蛋白序列與山羊和牛的相似性較高(圖2)。
以肩部皮下脂肪的反轉(zhuǎn)錄cDNA第一鏈稀釋液為模板,同源克隆出364 bp的AdipoR1基因片段(圖3-A),再利用RACE技術(shù),克隆出大小為500 bp的5′-RACE片段(圖3-B)和大小為1 600 bp的3′-RACE片段(圖3-C),拼接獲得全長為2 035 bp的AdipoR1基因cDNA序列(GenBank登錄號(hào):KJ159212,https://www.ncbi.nlm.nih.gov/nuccore/KJ159212.1),驗(yàn)證PCR擴(kuò)增出大小為1 100 bp的AdipoR1基因片段(圖3-D)。通過MEGA分析顯示,綿羊AdipoR1蛋白序列與山羊、牛、人、小鼠、大鼠和豬的相似性較高,而與雞的相似性最低(圖4)。
以肝臟組織的反轉(zhuǎn)錄cDNA第一鏈稀釋液為模板,同源克隆出綿羊AdipoR2基因大小為550 bp的同源片段(圖5-A);再利用RACE技術(shù)克隆出大小為1 100 bp的5′-RACE片段(圖5-B)和700 bp的3′-RACE片段(圖5-C),拼接獲得全長為1 809 bp的綿羊AdipoR2基因cDNA序列(GenBank登錄號(hào)為:KF921623,https://www.ncbi.nlm.nih.gov/nuccore/KF921623.1),驗(yàn)證 PCR 擴(kuò)增出約1 100 bp的AdipoR2基因片段(圖5-D)。通過MEGA分析顯示,綿羊AdipoR2蛋白序列與山羊、牛、小鼠、大鼠、雞和豬的相似性較高,而與人的相似性最低(圖6)。
通過實(shí)時(shí)熒光定量技術(shù)檢測綿羊ANP基因在15種組織樣品中的相對(duì)表達(dá)量,結(jié)果見圖7。結(jié)果表明,蘭州大尾羊APN基因在15種組織中均有表達(dá)。其中,在背最長肌中的相對(duì)表達(dá)量顯著高于其他組織(P<0.05),其次是在心臟和瘤胃組織;在其他組織中相對(duì)表達(dá)量較低,差異不顯著,在肩部皮下脂肪中的相對(duì)表達(dá)量最低。
通過實(shí)時(shí)熒光定量技術(shù)檢測綿羊AdipoR1基因在15種組織樣品中的相對(duì)表達(dá)量,結(jié)果見圖8。結(jié)果表明蘭州大尾羊AdipoR1基因在15種組織中均有表達(dá)。其中,在內(nèi)臟脂肪和肩部皮下脂肪中的相對(duì)表達(dá)量最高,兩者間差異不顯著(P>0.05),但顯著高于其他組織(P<0.05);其次是脾臟、心臟、小腸、大腸、肝臟、肌肉和皺胃組織;在其他組織中相對(duì)表達(dá)量較低,差異不顯著,在間腦組織中的相對(duì)表達(dá)量最低。
通過實(shí)時(shí)熒光定量技術(shù)檢測綿羊AdipoR2基因在15種組織樣品中的相對(duì)表達(dá)量,結(jié)果見圖9。結(jié)果表明蘭州大尾羊AdipoR2基因在15種組織中均有表達(dá)。其中,在內(nèi)臟脂肪中的表達(dá)量最高,其次是肩部皮下脂肪,與肝臟、心臟、脾臟、大腸、小腸、皺胃等其他組織中表達(dá)量相比,差異極顯著(P<0.01),而在卵巢、睪丸、肺、腎臟、間腦、瘤胃中幾乎不表達(dá)。
研究表明APN基因經(jīng)磷酸絡(luò)氨酸銜接蛋白(phosphotyrosine interactingwith PH domain and leucine zipper 1, APPL1)作用后,可與脂聯(lián)素受體特異性結(jié)合,激活A(yù)MPK、PPARα和促分裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase, MAPK)通路進(jìn)行下游糖類和脂肪代謝調(diào)節(jié),從而發(fā)揮生物學(xué)功效[13-14]。APN基因在抗氧化[15]、抗消炎[16]、抗動(dòng)脈粥硬化[17]、II型糖尿病[18]和胰島素拮抗[19]以及心血管疾病[20]等方面發(fā)揮著重要的調(diào)節(jié)作用,其表達(dá)水平的變化直接影響游離脂肪酸和抑制炎癥細(xì)胞因子的表達(dá)合成[21],導(dǎo)致肥胖、心血管疾病和II型糖尿病等代謝綜合癥的發(fā)生[22],說明該基因?qū)θ伺c畜禽的脂類代謝及相關(guān)疾病有著重要的影響。但綿羊APN基因的相關(guān)研究報(bào)道較少,而被譽(yù)為“長尾脂型”典型代表的蘭州大尾羊[23]是研究肥胖、糖尿病等代謝疾病的最好載體,對(duì)其進(jìn)行生脂機(jī)理調(diào)控研究和改善肉質(zhì)水平有重要的參考價(jià)值。
本研究采集蘭州大尾羊背最長肌、肩部皮下脂肪和肝臟組織,同源克隆出綿羊APN、AdipoR1及AdipoR2基因cDNA,在此基礎(chǔ)上運(yùn)用RACE技術(shù)克隆綿羊APN、AdipoR1及AdipoR2基因5′-UTR和3′-UTR區(qū)域,隨后分別進(jìn)行拼接得到2 101 bp、2 035 bp和1 809 bp的全長APN、AdipoR1及AdipoR2基因,并利用PCR驗(yàn)證完整性。
最初人們認(rèn)為脂聯(lián)素只在脂肪細(xì)胞中表達(dá),但后來的研究發(fā)現(xiàn)脂聯(lián)素在其他非脂肪細(xì)胞中也能表達(dá)。在人肝細(xì)胞、小鼠成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞、體外培養(yǎng)的骨骼肌細(xì)胞、豬胎盤和子宮、結(jié)腸黏液細(xì)胞、唾液腺上皮細(xì)胞、肌細(xì)胞、肌成纖維細(xì)胞等中均檢測到脂聯(lián)素的表達(dá)[24]。Ding等[25]通過克隆豬的APN基因并測定APN及其受體基因在不同組織中的表達(dá)量發(fā)現(xiàn),APN基因和AdipoR2基因在皮下脂肪組織中大量表達(dá),AdipoR2基因在肝臟、心臟、骨骼肌和脾臟組織中少量表達(dá);AdipoR1基因在心臟和骨骼肌中大量表達(dá),在脂肪、肝臟和脾臟組織中少量表達(dá)。Smolinska等[26]研究發(fā)現(xiàn)脂聯(lián)素可通過影響豬發(fā)情周期中的子宮情況來調(diào)控豬的繁殖,并且發(fā)現(xiàn)脂聯(lián)素及其受體基因和蛋白在豬妊娠早期的子宮、孕體和滋養(yǎng)層中均有表達(dá),且在妊娠的不同時(shí)期表達(dá)量存在差異。張賽賽[27]研究發(fā)現(xiàn),APN基因在小尾寒羊和杜泊羊中呈現(xiàn)出組織表達(dá)特異性,不同組織間,APN基因在皮下脂肪、腎周脂肪、腹股溝脂肪、臂二頭肌、心血管組織中有表達(dá),在肝臟、腎臟、卵巢組織中未檢測到表達(dá),提示APN基因的表達(dá)有一定的組織特異性,而且脂肪組織中的表達(dá)水平極顯著高于其他組織,但在脂肪組織間無差異。李雪梅等[5]研究發(fā)現(xiàn)脂聯(lián)素基因在藏山羊的脂肪組織中高表達(dá),而在肌肉組織和胃中表達(dá)量較低,在心臟、肝臟和脾臟等組織中未檢測到。本研究發(fā)現(xiàn)APN基因在肌肉、心臟和皺胃組織中高表達(dá),在其余組織中少量表達(dá);AdipoR1基因在內(nèi)臟脂肪、皮下脂肪、脾臟、心臟、小腸、大腸、肝臟、皺胃和肌肉組織中高表達(dá),在其余組織中少量表達(dá);AdipoR2基因在內(nèi)臟脂肪和皮下脂肪組織中高表達(dá),在其余組織中表達(dá)量很低,幾乎不表達(dá)。研究結(jié)果表明脂聯(lián)素及其受體基因雖然在不同的組織中均存在一定程度的表達(dá),盡管在同源性較高的物種間,其表達(dá)也存在明顯的區(qū)別,這應(yīng)與各物種的起源、衍變過程及生存環(huán)境等息息相關(guān)。APN基因在肌肉組織中高表達(dá)表明其可能參與肌肉中糖脂代謝及胰島素敏感性調(diào)節(jié)等。AdipoR1和AdipoR2基因在脂肪組織中高表達(dá),說明兩者在脂肪組織中發(fā)揮至關(guān)重要的作用,可能參與脂肪細(xì)胞的分化、葡萄糖及脂肪酸的代謝等[28-29],此外,在大腸、小腸、瘤胃及皺胃組織中均檢測到APN和AdipoR1基因的表達(dá),推斷其在蘭州大尾羊的消化吸收過程中存在特殊作用,但相關(guān)研究較少,需進(jìn)一步驗(yàn)證。
本研究通過同源克隆及RACE克隆技術(shù)得到綿羊ANP、AdipoR1和AdipoR2基因的cDNA全長分別為2 101 bp、2 035 bp和1 809 bp。在蘭州大尾羊中,APN基因在肌肉組織中高表達(dá),AdipoR1和AdipoR2基因在內(nèi)臟脂肪和皮下脂肪中高表達(dá)。