李歡,安凱,孫長(zhǎng)花,孫紅艷
(1.揚(yáng)州市職業(yè)大學(xué)生物與化工工程學(xué)院,江蘇 揚(yáng)州 225009;2.揚(yáng)州市農(nóng)產(chǎn)品智能測(cè)控與清潔生產(chǎn)工程技術(shù)研究中心,江蘇 揚(yáng)州 225009;3.江陰市富仁高科股份有限公司南京分公司,南京 210012;4.揚(yáng)州大學(xué)動(dòng)物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,江蘇 揚(yáng)州 225009)
近年來(lái)研究學(xué)者發(fā)現(xiàn)circRNA并非轉(zhuǎn)錄噪聲,而是一種新型的、幾乎沒(méi)有蛋白質(zhì)編碼能力的非編碼RNA,可在多種生物學(xué)過(guò)程中發(fā)揮調(diào)控作用[1]。其特點(diǎn)是在RNA發(fā)生剪切后,外顯子5′端的受體剪接位點(diǎn)和下游外顯子3′端的供體位點(diǎn)連接,形成共價(jià)閉環(huán)的穩(wěn)定結(jié)構(gòu),不易被RNA酶降解[2]。目前多項(xiàng)研究表明circRNA在家禽生長(zhǎng)發(fā)育、繁殖以及疾病中均發(fā)揮著重要作用[3-4]。例如,Yu H.L.等發(fā)現(xiàn)circRNA4338能夠協(xié)同VPREB3和CXCL13L3參與柔嫩艾美耳球蟲(chóng)(Eimeria tenella)感染過(guò)程中的免疫反應(yīng)[3]。Chen L.等的研究表明過(guò)表達(dá)或敲低circ_EZH2分別顯著性抑制或促進(jìn)新城疫病毒(Newcastle disease virus)的復(fù)制,參與免疫應(yīng)答過(guò)程[4]。
我們前期轉(zhuǎn)錄組測(cè)序發(fā)現(xiàn)在傷寒沙門(mén)氏菌(Salmonella enterica serovar Typhymurium)衍生的脂多糖(lipopolysaccharide, LPS)感染前后circ_DNAJC3的表達(dá)量極顯著性降低,表明此circRNA在細(xì)菌感染中可能發(fā)揮重要的作用。環(huán)狀circ_DNAJC3的源基因?yàn)镈NAJC3,位于雞1號(hào)染色體上。DNAJC3是DNAJ熱休克蛋白家族(Hsp40)的成員,參與蛋白質(zhì)的折疊和組裝;并可作為分子伴侶激活HSP70的ATPase活性[5]。Kuo Y.等發(fā)現(xiàn)DnaJ具有抑制果蠅中錯(cuò)誤折疊蛋白質(zhì)的聚集和毒性[6]。J.Hageman等證明DnaJs在非洲爪蟾中可以保護(hù)細(xì)胞免受由錯(cuò)誤折疊的蛋白質(zhì)毒性引起的損傷[7]。此外,DNAJC3也參與細(xì)胞凋亡,降解損失蛋白,對(duì)細(xì)胞生存至關(guān)重要。
巨噬細(xì)胞是家禽重要的免疫細(xì)胞,是抵御各種細(xì)菌感染的第一道防線。在畜牧獸醫(yī)研究領(lǐng)域,雞巨噬細(xì)胞HD11是一種永生細(xì)胞系,廣泛應(yīng)用于病原微生物、宿主免疫以及微生物與宿主相互作用機(jī)制的研究。本研究以雞巨噬細(xì)胞HD11為研究材料,通過(guò)PCR擴(kuò)增、瓊脂糖凝膠電泳、Sanger測(cè)序、亞細(xì)胞定位、RT-qPCR以及生物信息學(xué)軟件鑒定circ_DNAJC3是否存在、解析其在細(xì)胞中的位置和在各組織中的表達(dá)水平,并預(yù)測(cè)其功能和潛在作用方式,為進(jìn)一步研究circ_DNAJC3在細(xì)胞生物學(xué)過(guò)程(特別是細(xì)菌感染過(guò)程)中的作用奠定基礎(chǔ)。
雞巨噬細(xì)胞HD11來(lái)自于揚(yáng)州大學(xué)動(dòng)物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院動(dòng)物遺傳實(shí)驗(yàn)室。Trizol試劑盒購(gòu)自美國(guó)Life Technologies;TIANamp基因組DNA提取試劑盒購(gòu)自中國(guó)北京天根生物試劑公司;反轉(zhuǎn)錄試劑盒SYBR PrimeScript PLUS RTRNA PCR Kit購(gòu)自中國(guó)大連的Takara;RNase R購(gòu)自瑞典的Epicenter公司;RT-qPCR定量試劑盒SYBR Premix Ex Taq Ⅱ kit購(gòu)自中國(guó)大連的Takara;瓊脂糖購(gòu)自美國(guó)的Bio-Rad;PBS和DMEM購(gòu)自美國(guó)的Hyclone;胎牛血清購(gòu)自美國(guó)的GIBICO。
1.2.1 引物設(shè)計(jì)
根據(jù)雞DNAJC3基因(基因ID: 418787)和雞circ_DNAJC3的序列,利用Primer 5.0軟件設(shè)計(jì)circ_DNAJC3的發(fā)散型引物和DNAJC3的收斂型引物。引物序列見(jiàn)表1。
表1 環(huán)狀RNA和基因的引物序列Table 1 Primer sequence for circRNAs and genes
1.2.2 細(xì)胞培養(yǎng)
雞巨噬細(xì)胞在添加10%胎牛血清(FBS)的DMEM培養(yǎng)基中培養(yǎng)。培養(yǎng)箱溫度為37 ℃,濕度為60%~70%,二氧化碳濃度為5%。
1.2.3 總RNA和基因組DNA的提取和質(zhì)量控制
當(dāng)細(xì)胞匯合度達(dá)到80%~90%時(shí),收集雞巨噬細(xì)胞。利用TRIzol試劑盒提取巨噬細(xì)胞的總RNA。利用基因組DNA試劑盒提取基因組DNA(gDNA)。利用Nanodrop ND-1000分光光度計(jì)分別檢測(cè)提取的RNA或DNA的質(zhì)量和濃度。A260/280比值大于2代表RNA質(zhì)量合格。A260/280的比值在1.8時(shí)代表DNA質(zhì)量合格。
1.2.4 雞circ_DNAJC3環(huán)狀結(jié)構(gòu)的檢測(cè)
將1.2.3中獲得的質(zhì)量合格的RNA反轉(zhuǎn)錄為cDNA,并以此為模板,利用circ_DNAJC3的發(fā)散型和DNAJC3的收斂型引物進(jìn)行PCR反應(yīng)。同時(shí),以1.2.3中獲得的質(zhì)量合格的基因組DNA(gDNA)為模板,利用circ_DNAJC3的發(fā)散型和DNAJC3收斂型引物進(jìn)行PCR反應(yīng)。將獲得的PCR產(chǎn)物分別進(jìn)行瓊脂糖凝膠電泳,鑒定circ_DNAJC3的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。
1.2.5 RNase R消化
在37 ℃下,利用3 U/μg RNase R消化1.2.3中獲得的質(zhì)量合格的總RNA(2 μg)30 min。隨后,將總RNA置于70 ℃下繼續(xù)消化10 min。利用反轉(zhuǎn)錄試劑盒將RNase R處理前后的總RNA分別反轉(zhuǎn)錄成cDNA。并以此為模板,進(jìn)行RT-qPCR試驗(yàn),檢測(cè)circ_DNAJC3和其源基因DNAJC3的表達(dá)水平。同時(shí),擴(kuò)增產(chǎn)物送上海生工(中國(guó)上海)進(jìn)行測(cè)序。
1.2.6 核質(zhì)分離實(shí)驗(yàn)
根據(jù)NE-PER細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)提取試劑盒說(shuō)明書(shū),分離雞巨噬細(xì)胞的細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)。利用TRIzol試劑盒分別從細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)中提取其總RNA。對(duì)分離的總RNA進(jìn)行RT-qPCR試驗(yàn)以分別檢測(cè)circ_DNAJC3在細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)中的表達(dá)水平。RT-qPCR試驗(yàn)具體步驟見(jiàn)1.2.8。
1.2.7 不同組織的總RNA的提取
采集6只成年三黃雞(公雞)的心臟、十二指腸、脾臟、腿肌、大腦、小腦、回腸、肺臟、胃臟、下丘腦、哈德氏腺、肝臟、胸腺及盲腸組織后保存于液氮中。利用TRIzol試劑盒分別提取上述不同組織的總RNA??俁NA的質(zhì)量檢測(cè)方法和標(biāo)準(zhǔn)同1.2.3。將質(zhì)量合格的總RNA反轉(zhuǎn)錄成cDNA,以此為模板開(kāi)展RT-qPCR試驗(yàn)來(lái)檢測(cè)circ_DNAJC3在不同組織中的表達(dá)水平。RT-qPCR試驗(yàn)具體步驟見(jiàn)1.2.8。
1.2.8 RT-qPCR試驗(yàn)
來(lái)自1.2.5、1.2.6和1.2.7中質(zhì)量合格的總RNA分別通過(guò)反轉(zhuǎn)錄試劑盒SYBR PrimeScript PLUS RTRNA PCR反轉(zhuǎn)錄成cDNA后,使用SYBR Premix Ex Taq Ⅱ試劑盒進(jìn)行RT-qPCR試驗(yàn)。RT-qPCR試驗(yàn)的循環(huán)條件為:95 ℃預(yù)變性3 min,95 ℃變性10 s,58 ℃退火30 s,72 ℃延伸30 s;40個(gè)循環(huán)。選擇GAPDH基因作為內(nèi)參基因。使用2-ΔΔCt方法對(duì)RTqPCR數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,每個(gè)樣本有3個(gè)單獨(dú)的重復(fù)。
1.2.9 生物信息學(xué)分析
利用NCBI數(shù)據(jù)庫(kù)中的ORFfinder(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/orffinder/)來(lái)檢測(cè)circ_DNAJC3是否具有開(kāi)放閱讀框(ORF)及編碼潛能。利用RNAfold WebServer(http://rna.tbi.univie.ac.at//cgi-bin/RNAWeb-Suite/RNAfold.cgi)預(yù)測(cè)circ_DNAJC3的二級(jí)結(jié)構(gòu)。利用circAtlas(https://ngdc.cncb.ac.cn/circatlas/)預(yù)測(cè)circ_DNAJC3的RNA結(jié)合蛋白。利用軟件miRanda(http://cbio.mskcc.org/microrna_data/miRandaaug2010.tar.gz)來(lái)預(yù)測(cè)circ_DNAJC3可能互作的miRNAs,以及這些預(yù)測(cè)的miRNAs的靶基因。進(jìn)一步用在線軟件DAVID(https://david.ncifcrf.gov/home.jsp)對(duì)預(yù)測(cè)的靶基因進(jìn)行GO和KEGG分析。
1.2.10 統(tǒng)計(jì)分析
所有數(shù)據(jù)均以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。采用t檢驗(yàn)或單因素方差分析并進(jìn)行多重比較。使用JMP統(tǒng)計(jì)軟件(Version 15.2.1, SAS Institute)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。P<0.05時(shí)表示差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
前期我們對(duì)LPS感染前后的雞肺臟進(jìn)行RNAseq,結(jié)果顯示circ_DNAJC3的表達(dá)水平顯著性降低(圖1A)。Circ_DNAJC3來(lái)源于1號(hào)染色體上雞DnaJ熱休克蛋白家族(Hsp40)成員C3(DNAJC3)基因的外顯子2至4(圖1B)。為了檢測(cè)circ_DNAJC3是否具有環(huán)狀結(jié)構(gòu),我們根據(jù)其序列構(gòu)建了一對(duì)發(fā)散型(背靠背設(shè)計(jì)circ_DNAJC3的引物)和收斂型(正常設(shè)計(jì)DNAJC3的引物)引物。結(jié)果顯示以cDNA為模板進(jìn)行PCR擴(kuò)增時(shí),circ_DNAJC3和其源基因DNAJC3以及GAPDH的引物均能擴(kuò)增出條帶;而circ_GAPDH的引物不能擴(kuò)增出條帶(圖2A)。以gDNA為模板時(shí),circ_DNAJC3和circ_GAPDH的引物均不能擴(kuò)增出條帶,而源基因DNAJC3和GAPDH的引物可以擴(kuò)增出條帶(圖2B)。以上結(jié)果表明circ_DNAJC3存在環(huán)狀結(jié)構(gòu)。
圖1 雞circ_DNAJC3的基本信息Figure 1 The basic information of chicken circ_DNAJC3
圖2 雞circ_DNAJC3的鑒定Figure 2 Identification of chicken circ_DNAJC3
為進(jìn)一步驗(yàn)證circ_DNAJC3的穩(wěn)定性,我們利用RT-qPCR來(lái)檢測(cè)以RNase R處理前后的總RNA為模板時(shí)circ_DNAJC3和DNAJC3的表達(dá)水平。結(jié)果顯示circ_DNAJC3的表達(dá)水平在RNase R處理前后無(wú)顯著性差異(圖3A)。而其源基因DNAJC3的表達(dá)水平在RNase R消化后發(fā)生顯著性下降(圖3A)。同時(shí),Sanger測(cè)序結(jié)果顯示circ_DNAJC3的產(chǎn)物序列正確,存在環(huán)化位點(diǎn)GG(圖3B)。以上結(jié)果表明circ_DNAJC3具有穩(wěn)定的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。
圖3 雞circ_DNAJC3的穩(wěn)定性檢測(cè)Figure 3 The stability identification of chicken circ_DNAJC3
利用NE-PER試劑盒分離雞巨噬細(xì)胞的細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)后,提取相應(yīng)的總RNA用于后續(xù)RTqPCR試驗(yàn)以檢測(cè)circ_DNAJC3在細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核中的表達(dá)水平。結(jié)果顯示雞circ_DNAJC3在細(xì)胞質(zhì)中顯著性富集(圖4)。
圖4 雞circ_DNAJC3的亞細(xì)胞定位Figure 4 Subcellular localization of chicken circ_DNAJC3
圖5 Circ_DNAJC3的二級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)Figure 5 Prediction of the secondary structure of circ_DNAJC3
RNA結(jié)構(gòu)的確定對(duì)于理解其功能、結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系以及設(shè)計(jì)靶向RNA的治療和診斷非常重要。自由能最小化是闡明RNA二級(jí)結(jié)構(gòu)的重要工具,它可以幫助確定比較序列分析模型,或者建議通過(guò)定點(diǎn)誘變或其他方法測(cè)試可能的結(jié)構(gòu)。因此,我們利用在線分析軟件RNAfold WebServer預(yù)測(cè)了circ_DNAJC3二級(jí)結(jié)構(gòu)的最小自由能。結(jié)果顯示circ_DNAJC3二級(jí)結(jié)構(gòu)的最小自由能為-67.00 kcal/mol。RNA分子結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定是由于堿基配對(duì)造成了能量的降低。因此,circ_DNAJC3的自由能顯示其二級(jí)結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定。
為確定circ_DNAJC3在不同物種中是否廣泛存在及其保守性,我們分別比對(duì)了circ_DNAJC3在人(Has,human)、大鼠(Rno,rat)、小鼠(Mmu,mouse)、豬(Ssc,pig)、牛(Bta,cattle)和雞(Gga, chicken)中的同源性。結(jié)果顯示circ_DNAJC3在上述6個(gè)物種中的序列長(zhǎng)度為236~311 bp(表2)。其中人circ_DNAJC3的序列與雞的同源性最高,為80.39%;而豬circ_DNAJC3的序列與雞的同源性最低,為58.84%(表2)。
表2 不同物種的circ_DNAJC3序列信息Table 2 The information of circ_DNAJC3 sequence of different species
RBP是一類通過(guò)介導(dǎo)RNA成熟、轉(zhuǎn)運(yùn)、定位和翻譯,與RNA代謝過(guò)程相關(guān)的蛋白質(zhì)。RBP在circRNA的生命周期中起著不可或缺的作用,二者的互作是雙向的,即RBP可以調(diào)控circRNA,circRNA也可以調(diào)節(jié)RBP。因此,我們對(duì)circ_DNAJC3互作的RBP進(jìn)行了預(yù)測(cè)。結(jié)果顯示AGO2和circ_DNAJC3的結(jié)合位點(diǎn)最多(N=287),其次為CELF2、PTBP1和HNRNPC(表3)。
表3 Circ_DNAJC3互作RNA結(jié)合蛋白(RBP)的預(yù)測(cè)Table 3 Prediction of circ_DNAJC3 interacting with RNA Binding Protein (RBP)
為檢測(cè)雞circ_DNAJC3在不同組織中的表達(dá)規(guī)律,我們采集心臟、十二指腸、脾臟、腿肌、大腦、小腦、回腸、肺臟、胃臟、下丘腦、哈德氏腺、肝臟、胸腺及盲腸組織,提取其總RNA,并反轉(zhuǎn)錄為cDNA,以此為RT-qPCR試驗(yàn)的模板。結(jié)果顯示以circ_DNAJC3在心臟中的表達(dá)為基準(zhǔn)時(shí),circ_DNAJC3在回腸、胸腺、脾臟、盲腸、胃臟、肺臟、肝臟和哈德林腺體中具有較高的表達(dá)量(P<0.01);而其在下丘腦、大腦、小腦和十二指腸中表達(dá)量較低(圖6)。
圖6 雞circ_DNAJC3在不同組織中的表達(dá)規(guī)律Figure 6 The expression pattern of circ_DNAJC3 in chicken different tissues
Circ_DNAJC3是一種保守的環(huán)狀RNA,來(lái)源于其源基因DNAJC3的外顯子2至4形成共價(jià)閉環(huán)結(jié)構(gòu)。我們通過(guò)ORFfinder網(wǎng)站檢測(cè)不同物種的circ_DNAJC3開(kāi)放閱讀框(ORF)來(lái)預(yù)測(cè)其編碼潛能。如表4所示,雞circ_DNAJC3的ORF起始于45 bp,終止于311 bp,其長(zhǎng)度為267 bp;其可能編碼的氨基酸(aa)長(zhǎng)度為88。在豬中,我們預(yù)測(cè)circ_DNAJC3不具有編碼潛力。在人、大鼠、小鼠和牛中,circ_DNAJC3可能具有編碼能力,其編碼的aa的同源性與雞比偏低(<50%)。以上預(yù)測(cè)結(jié)果表明雞、人、大鼠、小鼠和牛中,circ_DNAJC3可能具有編碼潛力。
表4 不同物種中circ_DNAJC3的開(kāi)放閱讀框(ORF)信息Table 4 The open reading frame (ORF) information of circ_DNAJC3
為進(jìn)一步解析雞circDNAJC3的調(diào)控網(wǎng)絡(luò),我們利用miRanda來(lái)預(yù)測(cè)可能與circ_DNAJC3相互作用的miRNA和mRNA。結(jié)果顯示,雞circ_DNAJC3環(huán)狀結(jié)構(gòu)可結(jié)合已知miRNA,gga-miR-132b-5p。同時(shí),我們預(yù)測(cè)gga-miR-132b-5p可能有33個(gè)靶基因(圖7)。KEGG結(jié)果顯示這些靶基因在鈣離子信號(hào)通路(calcium signaling pathway)中顯著性富集。
圖7 與circDNAJC3相互作用的gga-miR-132b-5p及其可能的靶基因Figure 7 The potential target genes of gga-miR-132b-5p that can interact with circDNAJC3
雞巨噬細(xì)胞的免疫過(guò)程是一個(gè)極其復(fù)雜的生物過(guò)程,不僅受到遺傳因素的影響,還受到表觀遺傳修飾的作用[8-10]。表觀遺傳修飾包括DNA甲基化、組蛋白乙?;约胺蔷幋aRNA等。目前,在人類(Homo sapiens)、小鼠(Mus muculus)和豬(Sus scrofa)等物種的各種免疫組織或細(xì)胞中已經(jīng)鑒定出許多circRNAs[11-13]。例如,Zhu X.Y.等發(fā)現(xiàn)circHIPK3能夠參與T細(xì)胞活化和增殖的調(diào)節(jié)[14]。我們前期的RNAseq試驗(yàn)顯示circ_DNAJC3在LPS感染前后表達(dá)水平顯著性降低。因此,本研究我們旨在進(jìn)一步鑒定circ_DNAJC3是否真實(shí)存在,并通過(guò)生物信息學(xué)軟件分析其潛在作用機(jī)制。
大量研究結(jié)果顯示多數(shù)circRNAs主要由外顯子反向剪接組成共價(jià)閉合的環(huán)狀結(jié)構(gòu),在物種間具有保守性,比線性RNA更穩(wěn)定,其表達(dá)在組織和發(fā)育過(guò)程中表現(xiàn)出特異性[15-17]。本研究通過(guò)PCR擴(kuò)增、Sanger測(cè)序以及RNase R消化確定雞circ_DNAJC3存在穩(wěn)定的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。同時(shí),除了豬之外,circ_DNAJC3在其他物種中相對(duì)比較保守。Zhang X.M.等在蜜蜂中發(fā)現(xiàn)DNAJC3在肌肉和表皮中高表達(dá)[18]。本研究顯示circ_DNAJC3在回腸、胸腺、脾臟、盲腸、胃臟、肺臟、肝臟和哈德林腺體中高表達(dá),表明此circRNA可能在免疫組織中發(fā)揮重要作用。亞細(xì)胞定位顯示雞circ_DNAJC3位于細(xì)胞質(zhì)中,可能與源基因DNAJC3有相似的功能。
近來(lái)越來(lái)越多的研究表明circRNA可作為分子海綿競(jìng)爭(zhēng)性吸附miRNA,進(jìn)而參與免疫反應(yīng)[19-21]。例如,circ_DCLRE1C能夠調(diào)節(jié)雞巨噬細(xì)胞中的miR-214b-3p/STAT3通路,以進(jìn)一步調(diào)節(jié)脂多糖誘導(dǎo)的炎癥反應(yīng)和細(xì)胞凋亡[22]。本研究顯示雞circ_DNAJC3可能與gga-miR-132b-5p發(fā)生相互作用。我們預(yù)測(cè)gga-miR-132b-5p的靶基因在鈣離子信號(hào)通路(calcium signaling pathway)中顯著性富集,參與細(xì)胞增殖、分化、凋亡及代謝。
本研究顯示在雞巨噬細(xì)胞中,circ_DNAJC3主要存在于細(xì)胞質(zhì)中,是一種穩(wěn)定、保守的環(huán)狀RNA,主要在回腸、胸腺、脾臟、盲腸、胃臟、肺臟、肝臟和哈德氏腺中高表達(dá)。通過(guò)生物信息學(xué)軟件分析發(fā)現(xiàn)雞circ_DNAJC3可能互作的RNA結(jié)合蛋白為AGO2、CELF2、PTBP1和HNRNPC;并可能與ggamiR-132b-5p發(fā)生相互作用,進(jìn)而通過(guò)鈣離子信號(hào)通路參與調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖、分化、凋亡及代謝。
四川農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)2024年1期