楊帆,姚曉磊,李康,李曉丹,唐輪,尤佩華,蔡慶賢,王鋒*
(1.南京農業(yè)大學動物科技學院,江蘇 南京 210095;2.廣西大化瑤族自治縣畜牧管理站,廣西 大化 530800;3.江蘇波杜農牧股份有限公司,江蘇 南京 211800)
綿羊作為我國重要的經(jīng)濟動物,能夠提供肉、奶、纖維等優(yōu)質的農畜產(chǎn)品[1]。雖然我國綿羊品種資源豐富,但絕大部分表現(xiàn)為產(chǎn)羔率低、季節(jié)性發(fā)情,規(guī)?;犸暤目焖侔l(fā)展對種羊繁殖性能提出了更高的要求。因此,選育優(yōu)良品種,提高綿羊繁殖力,一直是綿羊育種的關鍵。湖羊和小尾寒羊是我國優(yōu)良的多胎綿羊品種,湖羊更是以性早熟、全年發(fā)情以及高繁殖力而聞名[2-3]。蒙古羊和陶賽特羊作為地方性品種,具有適應性強、產(chǎn)肉性能高等特點,但其繁殖力較低[4]。因此,開展綿羊不同品種間繁殖力差異的研究顯得尤為重要。
綿羊的多胎性或高繁殖力現(xiàn)象早就引起科學界的高度重視,并已經(jīng)成功鑒定出多個綿羊繁殖力相關基因BMPR1B[5](骨形態(tài)發(fā)生蛋白受體1B)、GDF9[6](生長分化因子9)、BMP15[7](骨形態(tài)發(fā)生蛋白15)和B4GALNT2[8](β-1,4-N-乙酰氨基半乳糖轉移酶2)等,但數(shù)量還較為有限。湖羊和小尾寒羊是我國少有攜帶多胎主效基因FecB(fecundity booroola)的綿羊品種。但在實際生產(chǎn)中,攜帶純合FecB基因的湖羊也存在產(chǎn)單羔現(xiàn)象,這種差異表明FecB與多胎性之間可能存在其他調控機制。
長鏈非編碼RNA(long non-coding RNA,lncRNA)作為一種新的表觀遺傳調控分子,在家畜繁殖中直接或間接參與基因調控過程。為揭示lncRNA對哺乳動物繁殖力的調控機制,研究者圍繞不同繁殖力母羊的下丘腦-垂體-卵巢-子宮軸開展了相關研究[9-13]。鄭健等[14]對單多羔湖羊下丘腦進行轉錄組分析,發(fā)現(xiàn)下丘腦中神經(jīng)信號傳遞通路和γ-氨基丁酸信號通路可能間接調控卵泡發(fā)育及排卵過程。從高、低繁綿羊垂體的lncRNA-mRNA調控網(wǎng)絡中篩選到SMAD2(SMAD家庭成員2)、NMB(神經(jīng)介素B)和EFNB3(肝配蛋白B3)等與繁殖相關的基因[15]。此外,在不同繁殖力湖羊卵巢的研究中,卵泡發(fā)育相關lncRNA FDNCR,可吸附顆粒細胞中的miR-543-3p,并阻止miR-543-3p與核心蛋白聚糖(DCN)基因的3′UTR區(qū)域結合,導致湖羊DCN基因轉錄激活和TGF-β通路抑制[16]。同時,研究者以發(fā)情期不同繁殖力的寒泊羊[17]、小尾寒羊與陶賽特[18-19]、安徽白山羊[20]卵巢為對象,通過轉錄組測序(RNA-seq)后均獲得一定數(shù)量與繁殖相關的差異lncRNA。也有研究者發(fā)現(xiàn)lncRNA還參與綿羊卵巢[21]、睪丸[22]發(fā)育及初情期啟動[11]等過程。以上研究表明,lncRNA在調控肉羊繁殖性能中發(fā)揮著關鍵作用。然而,上述研究大多數(shù)側重于篩選同一品種不同繁殖力綿羊之間的差異lncRNA,而關于不同綿羊品種之間的研究相對較少。
本研究選取地方特色綿羊品種湖羊(HBB)和蒙古羊(Mon)為研究對象,在發(fā)情期采集卵巢組織進行RNA-seq,再結合NCBI數(shù)據(jù)庫中已有的小尾寒羊(HanBB)和陶賽特羊(Dorset)發(fā)情期卵巢數(shù)據(jù),比較分析不同綿羊品種發(fā)情期卵巢中差異表達的lncRNA和mRNA,構建mRNA-mRNA和lncRNA-mRNA調控網(wǎng)絡,篩選關鍵基因并探究其表達規(guī)律,為綿羊繁殖調控及育種分子標記提供理論依據(jù)。
本試驗于江蘇省泰州市姜堰某羊場進行,根據(jù)生產(chǎn)記錄選擇2~3歲體況相近、生殖生理狀態(tài)相似的空懷湖羊[(49.99±1.40)kg]4只。同時,選擇相同條件的空懷蒙古羊[(45.30±4.83)kg]4只。試驗羊只每天08:00、18:00飼喂全混合(TMR)日糧,自由飲水。
綿羊促卵泡激素(FSH)和促黃體生成素(LH)ELISA試劑盒(DRE-S0622c,DRE-S5741c)均購自上??ㄟ~舒生物科技有限公司;Trizol試劑盒購自Invitrogen;反轉錄試劑盒(R323-01)和熒光定量試劑盒(Q711-02)均購自南京諾唯贊生物科技有限公司;即用型免疫組化試劑盒(abs957)購自上海愛必信生物科技有限公司;基質金屬蛋白酶2(MMP2)抗體(WL03224)購自沈陽萬類生物有限公司。
蒙古羊和湖羊各4 只,于11月份采用單欄方式飼養(yǎng),于第1天18:00放拴處理,11 d后撤拴并注射氯前列烯醇,每只0.2 mg。次日用公羊試情,接受公羊爬跨視為發(fā)情。到下一次自然發(fā)情時,頸靜脈密集連續(xù)采血,每12 min 1次,連續(xù)采集3 h,分離血清后置于-20 ℃保存?zhèn)溆?。采血后隨機挑選蒙古羊和湖羊各3 只進行屠宰,分別采集下丘腦、垂體、卵巢、子宮、心臟、肝臟、脾臟、肺臟、腎臟等組織樣,單側發(fā)育較好的卵巢放入液氮用于后續(xù)RNA-seq,另一側卵巢以及垂體和子宮組織用布氏固定液固定,用于后續(xù)免疫組化檢測。其余組織樣經(jīng)液氮速凍后于-80 ℃冰箱保存。
1.4.1 生殖激素的測定對上述置于-20 ℃的血清進行FSH和LH含量測定,試驗步驟嚴格按照FSH和LH ELISA檢測試劑盒說明書進行。
1.4.2 總RNA提取及建庫利用Trizol法對蒙古羊和湖羊全身組織提取總RNA。卵巢RNA的質量測定、文庫構建和測序交由北京百邁客生物科技有限公司采用Illumina HiSeqTM2500 系統(tǒng)進行。同時,小尾寒羊(GSM2883548、GSM2883549、GSM2883550)和陶賽特羊(GSM2883554、GSM2883555、GSM2883556)的測序原始數(shù)據(jù)下載于NCBI(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/)的GEO數(shù)據(jù)庫。
1.4.3 轉錄組數(shù)據(jù)分析對測序的原始數(shù)據(jù)(raw reads)進行過濾,使用HISAT2軟件將質控后序列(clean reads)與綿羊基因組(oar_v4.0)進行序列比對,獲得clean reads在綿羊基因組上的位置信息(mapped reads)以及湖羊卵巢組織特有序列信息;使用StringTie軟件對轉錄本和基因表達量進行分析;同時利用StringTie軟件將mapped reads進行轉錄本拼接,以此對lncRNA進行鑒定。鑒定lncRNA包括篩選和潛在編碼能力分析,選擇長度 ≥ 200 bp,exon數(shù) ≥ 2,FPKM(fragments per kilobase of transcript per million fragments mapped)≥ 0.1的轉錄本和利用CPC、CNCI、CPAT和PFAM等4種編碼潛能的分析方法評估lncRNA;使用順式作用(lncRNA鄰近100 kb)和反式作用(LncTar軟件)2種方法預測lncRNA靶基因;使用DESeq2方法對基因和轉錄本的表達量進行差異分析,獲得差異lncRNA和mRNA。差異分組:DorsetvsHBB、HanBBvsHBB、MonvsDorset、MonvsHBB、MonvsHanBB,前者為對照組,限定條件:差異倍數(shù)(fold change,FC)≥ 2,錯誤發(fā)現(xiàn)率(false discovery rate,FDR)<0.01。使用GO seq R語言包中Wallenius對差異lncRNA的靶基因和mRNA在GO功能數(shù)據(jù)庫中進行富集分析;使用KOBAS軟件進行KEGG通路顯著富集分析;使用STRING數(shù)據(jù)庫(http://string-db.org/)預測并繪制mRNA-mRNA的蛋白互作(protein-protein interactions,PPI)網(wǎng)絡,利用Cytoscape軟件繪制lncRNA-mRNA互作圖。
1.4.4 實時熒光定量PCR(RT-qPCR)為驗證測序結果的準確性,從測序結果中隨機挑選5個lncRNA和mRNA進行驗證。根據(jù)GenBank公布的綿羊基因序列以及測序拼接后獲得的lncRNA序列,采用Primer 5.0軟件設計引物,以GAPDH為內參基因,引物由南京擎科生物有限公司合成(表1)。RT-qPCR按照諾唯贊公司試劑盒操作說明進行,反應體系為20 μL,采用2-ΔΔCT法計算基因的相對表達量。
表1 引物序列信息Table 1 Primer sequences information used for this study
1.4.5 免疫組化檢測湖羊垂體、卵巢和子宮組織采用布氏固定液固定48 h后進行石蠟包埋和組織切片,切片厚度7 μm,37 ℃烤片24 h,免疫組化檢測步驟參考本實驗室的前期研究[23]。一抗為MMP2兔多克隆抗體,以1∶200進行稀釋;二抗HRP酶標抗小鼠和兔二聚物為試劑盒即用試劑;對照組用兔血清代替一抗,其余步驟保持一致。
所有數(shù)據(jù)使用Excel 2016軟件初步處理后,使用Graphpad Prism 9軟件進行差異顯著性檢驗和單因素方差分析并繪圖。數(shù)據(jù)結果以平均值±標準誤表示。
對發(fā)情期湖羊和蒙古羊血清中FSH和LH激素含量進行檢測,結果如圖1所示,湖羊血清中FSH和LH含量均顯著高于蒙古羊(P<0.05)。
圖1 湖羊和蒙古羊血清中促卵泡激素(FSH)和促黃體生成素(LH)含量差異Fig.1 Differences of follicle stimulating hormone(FSH)and luteinizing hormone(LH)levels in serum between Hu sheep and Mongolian sheep*P<0.05. The same below.
RNA-seq后對raw reads進行過濾,共得到150.89 Gb clean reads。如表2所示,數(shù)據(jù)與綿羊(oar_v 4.0)參考基因組比對,匹配效率68.60%~91.59%。Q30值均在87.05%以上,總堿基中G-C含量為50.30%,表明測序結果良好,clean reads質量合格,可進行下一步數(shù)據(jù)分析。本研究共鑒定到87 874個lncRNA(圖2-A),其中基因間區(qū)lncRNA 44 457 個,占比50.60%,反義lncRNA 4 778 個,占比5.40%,內含子lncRNA 36 623個,占比41.70%,正義lncRNA 2 016 個,占比2.30%(圖2-B);lncRNA在不同染色體中均有不同程度的分布,其中在1~3號常染色體上最多(圖2-C),這與在綿羊下丘腦[23]上的研究結果一致;lncRNA表達量整體低于mRNA(圖2-D);lncRNA的ORF長度在0~100 bp所占比例最高,而 mRNA的ORF長度主要分布在0~200 bp(圖2-E);lncRNA和mRNA的序列長度主要分布在200~500 bp(圖2-F);lncRNA主要包含2個外顯子,其數(shù)量明顯少于mRNA(圖2-G)。
圖2 不同綿羊品種卵巢組織中長鏈非編碼RNA(lncRNA)和信使RNA(mRNA)的鑒定Fig.2 Identification of long non-coding RNA(lncRNA)and messenger RNA(mRNA) in the ovaries tissue of different sheep breeds A. lncRNA數(shù)統(tǒng)計的韋恩圖;B. lncRNA的分類及數(shù)量;C. lncRNA的染色體分布[最外面的環(huán)代表染色體,中間從外向內分別是正義lncRNA(綠色)、基因間lncRNA(紅色)、內含子lncRNA(藍色)和反義lncRNA(灰色)];D. lncRNA和mRNA相對表達量;E. lncRNA和mRNA ORF長度;F. lncRNA和mRNA長度;G. lncRNA和mRNA外顯子數(shù)量。A. Venn diagram of lncRNA number;B. Number and classification of lncRNA;C. The distribution of lncRNA in different chromosomes[The outermost ring represents different chromosomes. From the outside toward the inside:sense-lncRNA(green),lincRNA(red),intronic-lncRNA(blue),and antisense-lncRNA(gray),respectively];D. Relative expression level of lncRNA and mRNA;E. ORF length of lncRNA and mRNA;F. Length of lncRNA and mRNA;G. Exon number of lncRNA and mRNA.
表2 樣品測序數(shù)據(jù)統(tǒng)計表Table 2 Sample sequencing data statistics
如圖3所示,經(jīng)過差異比對,在DorsetvsHBB、HanBBvsHBB、MonvsDorset、MonvsHBB、MonvsHanBB 5個差異分組中,分別獲得6 920[↑(上調)2 735,↓(下調)4 185]、3 929(↑1 356,↓2 573)、5 505(↑3 966,↓1 539)、925(↑415,↓510)、3 661(↑2 712,↓949)個差異 lncRNA;12 251(↑5 126,↓7 125)、5 424(↑2 009,↓3 415)、11 548(↑6 982,↓4 566)、2 037(↑769,↓1 268)、4 791(↑3 299,↓1 492)個差異mRNA。為驗證RNA-seq結果的準確性,分別隨機選取5個lncRNA和mRNA進行RT-qPCR驗證。結果表明,MSTRG.597282.1、MSTRG.645655.1和MSTRG.127771.15的lncRNA相對表達量在蒙古羊卵巢組織中顯著高于湖羊(圖4-A,P<0.05),這與測序中FPKM值的趨勢一致(圖4-B),而MMP2、GDF9、SFRP4(分泌型卷曲相關蛋白4)、LRP5(低密度脂受體蛋白5)和FZD7(卷曲同源物7)在內的5個mRNA表達差異也與測序相同(圖4-C和D),證明測序結果可靠,可用于后續(xù)功能分析。
圖4 湖羊和蒙古羊卵巢中l(wèi)ncRNA和mRNA的驗證Fig.4 Verification of lncRNA and mRNA expression in the ovaries of Hu sheep and Mongolian sheep A. lncRNA的相對表達量Relative expression level of lncRNA;B. lncRNA的FPKM值Fragments per kilobase of exon model per million mapped fragments(FPKM)value of lncRNA;C. mRNA的相對表達量Relative expression level of mRNA;D. mRNA的FPKM值FPKM value of mRNA.**P<0.01. The same below.
如圖5-A所示:在5個差異分組DorsetvsHBB、HanBBvsHBB、MonvsDorset、MonvsHBB、MonvsHanBB中存在129個共有差異表達基因(differentially expressed gene,DEG),去除新基因后經(jīng)String網(wǎng)站預測,其中32個DEG存在互作關系,構建蛋白質互作(PPI)網(wǎng)絡圖(圖5-B);功能富集分析進一步篩選到MMP2、CHAD(軟骨黏附素)、HOXA10(子宮內膜同源盒基因A10)、GNB2(G蛋白β2)、COL4A1(Ⅳ型膠原α1)、ACTB(β-肌動蛋白)、COL6A3(Ⅵ型膠原蛋白α3)、CREB3L2(cAMP反應元件結合蛋白3樣2)和LOC101115805等9個與繁殖相關的共有DEG;同時,5個組分別獲得61、8、37、68、4個與繁殖相關的特有DEG(圖5-A),MonvsHBB組中鑒定到GDF9、FZD7、FSTL3(卵泡抑素樣蛋白3)等多個與繁殖相關的基因。
圖5 共有差異基因(DEG)的蛋白互作網(wǎng)絡圖Fig.5 Protein interaction network of common differentially expressed gene(DEG)A. 各差異分組的DEG數(shù)Number of DEG in each differential group;B. 蛋白互作網(wǎng)絡 Protein interaction network.
進一步對各組共有和特有l(wèi)ncRNA進行篩選,共鑒定到60個共有差異lncRNA(圖6-A),對其進行功能注釋,從中選擇與繁殖相關的差異lncRNA,主要富集到受精、卵母細胞成熟、配子發(fā)生等條目(圖7-A)。在KEGG富集分析中,主要富集到嗅覺傳導、核糖體、RNA轉運等通路。繁殖相關差異lncRNA則富集到PI3K-Akt、Wnt、GnRH等信號通路(圖7-B),其中,MSTRG.127771.15、MSTRG.29220.1和MSTRG.646338.1均靶向MMP2基因。進一步提高篩選條件后(|log2FC| ≥ 4,FDR<0.01),獲得28個與雌性生殖相關的差異 lncRNA,構建其lncRNA-mRNA的互作網(wǎng)絡(圖6-B),其中存在多個靶向Wnt信號通路關鍵基因的lncRNA。
圖7 與繁殖相關差異lncRNA靶基因的GO和KEGG分析Fig.7 Analysis of target genes of differentially lncRNA related to reproduction by GO and KEGG A. 繁殖相關差異lncRNA的GO分析GO analysis of lncRNA related to reproduction;B. 繁殖相關差異lncRNA的KEGG分析 KEGG analysis of lncRNA related to reproduction.
如圖6-A所示:在5個差異分組中分別存在1 414、129、355、403、212個特有差異 lncRNA,經(jīng)功能富集分析,獲得1 139、79、313、325、133個特有差異lncRNA與繁殖相關。在5個差異分組中均存在靶向共有差異基因MMP2的特有差異 lncRNA。
如上所述,MMP2基因在各差異分組中均差異顯著,因此,以MMP2為對象,檢測其在蒙古羊和湖羊組織中的表達模式。結果(圖8-A)表明,MMP2基因在湖羊和蒙古羊中表達趨勢一致,均在卵巢組織中高表達,其次則是在肺臟中有較高表達。MMP2蛋白在湖羊腺垂體細胞(垂體)、顆粒細胞(卵巢)、子宮腔上皮細胞和腺上皮細胞(子宮)中均檢測到陽性信號(圖8-B)。
圖8 基質金屬蛋白酶2(MMP2)在湖羊和蒙古羊組織中的表達模式Fig.8 Expression pattern of matrix metallopeptidase 2(MMP2)in Hu sheep and Mongolian sheep tissue A. MMP2在蒙古羊和湖羊組織中的表達量;B. MMP2在湖羊垂體、卵巢和子宮中的表達定位(NC:陰性對照;AC:腺垂體細胞;GC:顆粒細胞;LE:腔上皮細胞;GE:腺上皮細胞)。A. Expression level of MMP2 in Mongolian sheep and Hu sheep;B. Expression location of MMP2 in pituitary,ovary and uterus of Hu sheep(NC:Negative control;AC:Adenohypophysis cell;GC:Granular cell;LE:Luminal epithelium;GE:Glandular epithelium).
多胎性是綿羊種畜最重要的評價指標,其不僅與遺傳因素(品種)有關,還受到表觀遺傳調控的影響。研究表明,lncRNA參與卵巢發(fā)育[25]、卵子發(fā)生[26]、妊娠維持[27]等生殖過程,這為探究lncRNA調控綿羊繁殖性能提供契機。因此,本研究對不同綿羊品種發(fā)情期卵巢組織進行RNA-seq分析后發(fā)現(xiàn),在5 個差異分組(DorsetvsHBB、HanBBvsHBB、MonvsDorset、MonvsHBB、MonvsHanBB)中,分別獲得6 920、3 929、5 505、925、3 661個差異lncRNA和12 251、5 424、11 548、2 037和4 791個差異mRNA。有學者結合湖羊的體型以及蒙古羊的南遷歷史,認為蒙古羊是湖羊的祖先[28]。而在MonvsHBB組中差異lncRNA和mRNA數(shù)最少,在一定程度上也證實了這個說法。因此,2個親緣關系較近的綿羊品種,造成繁殖力差異的lncRNA和mRNA更值得我們關注。
經(jīng)RT-qPCR驗證后進一步對共有差異lncRNA和mRNA進行功能注釋,發(fā)現(xiàn)與繁殖相關的共有差異lncRNA主要注釋到受精、卵母細胞成熟、配子發(fā)生等條目,富集到PI3K-Akt、Wnt等已被證實與繁殖相關的通路中,并構建了lncRNA-mRNA互作網(wǎng)路圖,這為后續(xù)深入探究綿羊繁殖力調控機制提供參考。其中,MSTRG.62667.21、MSTRG.64407.1等多個差異lncRNA均靶向Wnt通路相關基因,這與前人的研究結果一致[29],提示lncRNA可能通過調控Wnt通路關鍵基因來影響綿羊繁殖力。同時,本研究篩選獲得9個(HOXA10、MMP2、CHAD等)與繁殖相關的共有DEG,HOXA10基因被認為是子宮內膜容受性的關鍵調控因子[30],CHAD蛋白也在小鼠胚胎和卵巢中較高表達[31]。在不同綿羊品種卵巢組織中均存在顯著差異,表明這些DEG可能在綿羊卵巢的分子調控機制中發(fā)揮重要作用。此外,在MonvsHBB組中,篩選到GDF9、FSTL3、FZD7等與繁殖相關的特有DEG,GDF9已被證實與綿羊繁殖力相關[6],FSTL3基因可以通過降低綿羊孕激素水平,調節(jié)綿羊的發(fā)情周期[32]。以上研究表明,lncRNA和mRNA可能參與綿羊繁殖力的調控過程,但具體機制有待揭示。
如上所述,在各差異分組中,Wnt信號通路關鍵基因MMP2及相關lncRNA的表達水平存在顯著差異。MMP2蛋白能夠降解Ⅳ型膠原蛋白促使卵泡形態(tài)發(fā)生改變,對哺乳動物卵泡發(fā)育發(fā)揮重要作用[33]。本研究結果表明,MMP2蛋白在湖羊垂體、卵巢和子宮組織中均檢測到陽性信號,在蒙古羊和湖羊的卵巢組織中呈現(xiàn)高表達狀態(tài),提示MMP2基因可能參與綿羊繁殖調控過程。有學者認為MMP2的高表達可能是卵泡閉鎖的標志,參與優(yōu)勢卵泡的選擇[34],這在一定程度上解釋了本試驗中低繁蒙古羊卵巢中MMP2表達量高于高繁湖羊的原因,但具體機制仍需進一步驗證。
另外,FSH和LH是主導卵泡發(fā)育的2種主要激素。初情期后,FSH和LH對卵泡發(fā)育起主要調節(jié)作用,且二者相互協(xié)調,刺激卵泡成熟與排卵。由于多胎性與卵泡發(fā)育關系密切,且與排卵優(yōu)勢卵泡數(shù)量直接相關,因此,FSH與LH含量與綿羊的產(chǎn)羔性狀存在一定的相關性。本課題組前期研究發(fā)現(xiàn),高繁湖羊中LH水平顯著高于低繁湖羊[35]。與此類似,不同綿羊品種中,發(fā)情期單羔美利奴羊中FSH和LH含量均顯著低于多羔湖羊[36],這在一定程度上驗證了本研究中湖羊血清中FSH和LH含量顯著高于蒙古羊的結論。但也有研究者認為這是高繁綿羊卵巢卵泡對FSH和LH的靈敏度更高造成的結果[37]。
綜上,本試驗繪制了不同綿羊品種卵巢組織中差異lncRNA和mRNA表達圖譜,篩選到與繁殖相關的lncRNA和mRNA,探究候選基因MMP2在不同組織中的表達差異,并初步確定MMP2蛋白的表達定位,為后續(xù)揭示lncRNA參與綿羊繁殖力的調控機制奠定基礎。