摘要:運用聚丙烯酰胺凝膠垂直板電泳技術,對中華倒刺鲃的6種組織(腦、眼睛、心臟、肝臟、腎臟、肌肉)中的乳酸脫氫酶(LDH)、蘋果酸脫氫酶(MDH)、酯酶(EST)進行了初步研究,并對這3種酶在各組織中的同工酶位點及酶譜表型進行了分析。結果表明,中華倒刺鲃的3種同工酶系統具有組織特異性。LDH檢測到經典的5條譜帶,由3個基因位點編碼,C位點僅在肝臟組織中表達;MDH在5種組織(除肌肉外)中檢測到3條酶帶,僅為細胞質型,肌肉組織中同時表達了細胞質型和線粒體型;EST至少由5個基因位點編碼,同工酶酶譜復雜,肝和腎的活性表達較強。
關鍵詞:中華倒刺鲃;同工酶;組織特異性
中圖分類號:S965.199 文獻標識碼:A 文章編號:0439-8114(2011)24-5206-05
Study on the Isozymic Tissue Specificity of Spinibarbus sinensis
ZHANG Juan1,2,WANG Hong-ye1,2,CAI Yan-zhi2,LU Tao3,QIN Xiao-yan3
(1.College of Life Science,Huazhong Normal University, Wuhan 430079,China; 2.Fisheries Research Institute of Hubei Province,Wuhan 430071, China; 3.Zigui Governing Station for Fishery Admistration ,Vessel Checking and Port Supervision,Zigui 443600, Hubei,China)
Abstract: By using the vertical polyacrylamide gel electrophoresis, lactate dehydrogenase(LDH), malate dehydrogenase (MDH) and esterase (EST) isozymes from six tissues(brain, eye, heart, liver, kidney and muscle) of adult Spinibarbus sinensis were preliminarily studied. The loci and phenotypes of the isozymes in every tissue were also analyzed. The results showed that all isozymes presented tissue specificity. Five classical LDH bands were found in the tissues, which were encoded by three loci, and the site C was only found in liver. The number of MDH isozyme bands was three in five tissues except muscle, which were all s-MDH. Both s-MDH and m-MDH were found in muscle. EST isozyme was encoded by five loci at least. The isozyme pattern was complicated, and the stronger activity was pigmented in the liver and kidney.
Key words: Spinibarbus sinensis; isozyme; tissue specificity
同工酶的概念最早是由Markert和Moller[1]在1959年提出,是指催化相同化學反應,但其性質不盡相同的一類酶,它是普遍存在的,在同一物種的不同個體或同一細胞的不同部位,如細胞膜、細胞質和線粒體等細胞器,以及生物生長發育的不同時期和不同代謝條件下,都有同工酶的存在,這類酶對細胞的發育及代謝調節都很重要。同工酶是由染色體上不同的基因位點或同一位點的等位基因編碼的,是基因型的生化表現型,反映了編碼酶蛋白的DNA序列信息。同工酶能催化相同的反應,是因為其活性中心的結構有類同之處,而物理特性、催化性質以及免疫特性的區別,則是由于分子組成和結構上有一定差異,酶譜的變化反映了等位基因和位點的變化。Buth等[2]認為利用凝膠電泳技術,能夠得到較好的同源性和可比性的同工酶譜,通過對酶譜的進一步分析,可以較深入、直接地了解物種的遺傳信息,包括群體遺傳結構、個體發育過程同工酶的表達和組織特異性等內容,是分析生物的發育、遺傳、系統進化和生理過程的有效探針。
中華倒刺鲃[Spinibarbus sinensis(Bleeker)]俗稱青波、烏鱗、青板,屬脊椎動物門,硬骨魚綱,鯉形目,鯉科,鲃亞科,倒刺鲃屬,為淡水溫水性魚類,性活潑,喜成群棲息于底層多為亂石的流水中,主要分布于長江中上游的干、支流流域的水體中,是我國長江流域土著淡水名優魚類[3]。中華倒刺鲃的肉質肥美,細嫩多脂,并且具有一定藥效,有壯陽補中之功效,被人們列為上佳食用魚。因其具有個體大、生長快、食性雜、飼料來源廣、抗病能力強等特點,已開始成為一種池塘、網箱養殖的淡水名優魚類品種,是重要的土著名優經濟魚類之一[4,5]。目前國內對中華倒刺鲃的研究主要在生物學特征[3]、胚胎及幼魚的發育[6,7]和繁育技術[8-10]等方面,同時也逐漸展開遺傳分子學方面的研究[11,12],但是有關中華倒刺鲃同工酶的表達研究未見報道。本研究主要從生化遺傳學角度出發,用不連續的聚丙烯酰胺凝膠垂直板電泳法對中華倒刺鲃乳酸脫氫酶(LDH)、蘋果酸脫氫酶(MDH)、酯酶(EST)的組織特異性進行初步分析,探討其同工酶系統的遺傳基礎,以期為中華倒刺鲃的遺傳多樣性分析、種質標準和種質鑒定提供生化遺傳參數,同時為中華倒刺鲃的遺傳育種和人工繁育提供科學依據。
1 材料和方法
1.1 試驗原料
試驗用中華倒刺鲃來源于嘉陵江、沱江以及人工飼養的魚種,共90尾,體格健壯、無病無傷的大規格魚種為試驗魚,平均體重為(292.045±77.541)g,平均體長為(23.935±2.273)cm。
1.2 儀器和試劑
1.2.1 儀器 DYY-10C型電泳儀(北京市六一儀器廠)、FA2004型電子天平(上海恒平科學儀器有限公司)、YP202N型電子天平(上海精密科學儀器有限公司)、GL20-B型高速冷凍離心機(中國科學院武漢科學儀器廠);富士數碼相機FinePixF75EXR(蘇州富士膠片映像機器有限公司);LRH-Z型生化培養箱(廣東省醫療器械廠);玻璃勻漿器(海門市華凱實驗玻璃儀器有限公司)。
1.2.2 試劑 丙烯酰胺、N,N’-甲叉雙丙烯酰胺、Tris-甘氨酸以及染色液中各種試劑均購于試劑公司。
1.3 試驗方法
1.3.1 樣品液的制備 首先將活魚鰓弓基部剪斷于水體中放血,在低溫條件下迅速解剖,取出腦、眼睛、心臟、肝臟、腎臟和肌肉6種組織,用冰凍去離子水沖洗以除去組織血污,用濾紙吸去多余水分,稱重后按1∶3(m/V,g∶mL)的比例加入0.1 mol/L磷酸緩沖液(pH 7.0),并置于玻璃勻漿器中混勻(冰上操作),勻漿后于4 ℃冰箱內靜置1 h后進行分離。將勻漿液裝入離心管,按2∶1(體積比)加入氯仿,振蕩混勻后4 ℃放置10 min,15 000 r/min,4 ℃離心30 min,取上清液按1∶1的體積比加入甘油,置-20℃冰箱中保存備用。
1.3.2 不連續聚丙烯酰胺凝膠垂直板電泳 聚丙烯酰胺凝膠參照張慶朝等[13]的方法制備。按1∶1的比例混合酶液樣品與指示劑(20%的蔗糖溶液加入適量的溴酚藍),每個點樣孔加樣30~50 μL。電極緩沖液為pH 8.3的Tris-甘氨酸溶液。
4 ℃條件下,恒壓50 V預電泳30 min,經過預電泳后用微量進樣器加樣。濃縮膠電泳時電壓為50 V,當樣品完全進入分離膠后升高電壓至200 V,直至溴酚藍指示劑距分離膠底部1 cm時停止電泳,總電泳時間為3~4 h。
1.3.3 染色和固定 電泳結束后將凝膠板取下,在37℃染色液中避光染色至譜帶出現,乳酸脫氫酶的染色參照張慶朝等[13]的方法,蘋果酸脫氫酶和酯酶的染色參照趙贛等[14,15]文中的經典染色法,略加修改。顯色至出現清晰條帶后,將凝膠板用去離子水漂洗2~3次,在7%的冰醋酸溶液中固定。
1.3.4 照相和酶譜分析 對染色和固定好的凝膠板用富士數碼相機進行拍照,依照熊全沫等[16,17]的方法分析和命名同工酶酶譜,以同工酶縮寫名稱的大寫代表酶蛋白,小寫代表編碼的基因;從陰極向陽極方向依次以1、2、3…等命名一種酶的多個基因座位,而LDH以A、B、C命名。若該座位有1個以上等位基因時,各等位基因按英文字母順序命名(a,b,c…)。
2 結果與分析
2.1 乳酸脫氫酶
一般認為,LDH為 2個位點編碼的四聚體酶,Ldh-a和Ldh-b基因編碼了A和B兩個亞基,再由這兩個亞基隨機組合成A4、A3B、A2B2、AB3、B4 5種同工酶。由圖1可知,在中華倒刺鲃的6種組織中分離出5~9條LDH同工酶譜帶,表明中華倒刺鲃LDH同工酶的豐富多樣性并具有組織特異性。其中,6種組織都具有LDH的5條經典譜帶,而其他的譜帶是LDH同工酶復等位基因表達或者合成后酶亞基修飾的結果,這種化學修飾導致的LDH酶帶多于典型的5條帶在硬骨魚類中普遍存在[18]。
中華倒刺鲃各組織的A和B兩位點均表達形成了5種四聚體酶,但其表達程度各不相同。其中,腦和心的LDH各同工酶相對表達活性類似,為Ldh-B4>Ldh-AB3>Ldh-A2B2>Ldh-A3B>Ldh-A4,但心臟組織中LDH同工酶的活性表達總體上要強于腦。眼睛為典型的5條譜帶,Ldh-A2B2的活性最強。肝臟和腎臟中的LDH同工酶條帶可達9條,其豐富性與它們行使復雜的生理功能相適應。肌肉組織中LDH各同工酶相對活性為Ldh-A4>Ldh-A3B>Ldh-A2B2>Ldh-B4>Ldh-AB3。
在中華倒刺鲃肝臟組織的LDH酶帶中出現了靠近陰極的特異性“C帶”,即由Ldh-c基因編碼的一條同聚體C4酶帶。Markert等[19]通過對LDH基因演化的研究,認為Ldh-c基因是由Ldh-b基因復制而產生的,它在低等魚類的各種組織中廣泛存在,在高等魚類中卻特異性限制在某種組織內(眼睛或肝臟)。在C4酶帶下方有2條淺帶,可能是A、B位點的和C位點的雜合性表達。
2.2 蘋果酸脫氫酶
硬骨魚類的MDH同工酶存在有互相不形成異聚體的細胞質(s-MDH)和線粒體(m-MDH)兩種類型,均是由2個基因位點(Mdh-C,-D和Mdh-A,-B)編碼的二聚體[20]。中華倒刺鲃MDH同工酶酶譜中的條帶數以及譜帶的強弱不盡相同,所以該酶具有組織特異性。
一般認為,s-MDH移動較快,m-MDH較慢。所以推測圖中Mdh-1和Mdh-2為線粒體型,Mdh-3、Mdh-4和Mdh-5為細胞質型,且均由2個位點編碼。中華倒刺鲃的s-MDH在6種組織中均有分布,在腦、眼睛、心臟、肝臟、腎臟中表現為典型的二聚體3條酶帶,在肌肉中表現為2條酶帶,其中肝中的MDH活性表達最強,腎次之,眼睛的活性最弱,Mdh-3表達不明顯。m-MDH僅在肌肉組織中有所表達,編碼形成2條酶帶,即Mdh-1和Mdh-2。
2.3 酯酶
魚類的EST同工酶絕大部分為單體,由一個亞基組成,一般有2個以上的等位基因編碼,多態現象非常普遍,使其酶譜非常復雜[21]。中華倒刺鲃的6種組織中都有EST同工酶活性,但組織間的酶帶在數量和活性上都存在著明顯差異,顯示出EST具有明顯的組織特異性。
根據同工酶酶譜可推測中華倒刺鲃的EST至少有Est-1、Est-2、Est-3、Est-4和Est-5 5 個基因位點編碼,其中Est-2、Est-3、Est-4和Est-5均有多態性。Est-1在6種組織中均有表達,編碼為1條酶帶,在肝臟中活性表達最強,腎次之;Est-2在眼和肝中編碼為2條酶帶,腦、心臟、腎臟、肌肉中此位點表達為1條酶帶,心和肌肉中表達較弱;Est-5僅在眼睛中表達,編碼為2條酶帶,眼中無Est-3、Est-4位點;肌肉中有Est-1、Est-2、Est-3位點,各編碼1條酶帶。
3 討論
從試驗結果來看,中華倒刺鲃LDH、MDH和EST在6種組織中位點表達模式、等位基因以及活性表達等方面的差異比較明顯,這與硬骨魚類同工酶具有組織特異性[18,23,24]的結論相符。中華倒刺鲃同工酶的組織特異性應該與其組織特定的生理功能相關,是機體在發育過程中組織分化并特異性執行各自功能以期在特定環境下適應生存條件的結果。
3.1 乳酸脫氫酶(LDH)的組織特異性
LDH同工酶電泳圖譜的特征反映了基因的活動與調控,即反映了遺傳表達的本質,中華倒刺鲃的LDH同工酶是由A、B、C 3個位點決定的,C位點具有組織的差異,僅在肝臟組織表達。一般認為脊椎動物LDH同工酶在胚胎發育和細胞分化中具有顯著的分化調控模式,其表現出高度的發育和組織特異性[22]。中華倒刺鲃的LDH同工酶組織特異性明顯,Ldh-A4在腦、心和腎臟組織中優勢表達,Ldh-B4在肌肉組織中優勢表達。
作為特異基因產物的C帶,顯然是判別肝細胞的有效標志,不同的同工酶具有不同的性質,Ldh-c基因僅在肝臟組織中表達,這與肝臟具有旺盛的代謝功能是相適應的,因為Ldh-C4的底物范圍比其他同工酶廣泛的多,因而可為肝代謝提供充足的能源[23]。從試驗結果可看出,中華倒刺鲃LDH同工酶組織特異性與各組織器官所處的生理條件和機能是相一致的。
3.2 蘋果酸脫氫酶(MDH)的組織特異性
中華倒刺鲃的MDH同工酶也分細胞質型(s-MDH)和線粒體型(m-MDH),由不同的基因位點編碼,其催化功能也不相同。MDH同工酶是三羧酸循環中重要的脫氫酶之一,三羧酸循環對于任何組織都起著重要的作用。MDH參與葡萄糖異生或糖酵解過程,m-MDH可以把蘋果酸轉為草酰乙酸而提供能量,而s-MDH同工酶則行使其逆反應,它使草酰乙酸還原成蘋果酸,再成為丙酮酸進入線粒體,參與乙酰CoA的脂肪合成過程。這兩類同工酶相互協調作用,以保證機體代謝的正常運行。中華倒刺鲃的腦、眼睛、心臟、肝臟、腎臟只表達了s-MDH而且譜帶數量相同,但其活性不同,雖然存在著組織特異性差異但其差異不大,可能是由于這些組織對能量的需求差異不大所造成的。在肌肉中同時表達了s-MDH和m-MDH,這也與其代謝功能密切相關。
3.3 酯酶(EST)的組織特異性
EST同工酶在酯代謝和生物膜的結構方面發揮作用,屬于水解類酶,是能催化酯類化合物水解并進入中間代謝的重要酶,其遺傳基礎和亞基組成尚無定論,一般為單鏈或二聚體[24]。由于EST是生命活動的基礎代謝酶,在中華倒刺鲃的6種組織中均有表達,但從圖譜中可以看出,在不同的組織間,EST同工酶具有明顯的組織差異性,在肝臟和腎臟中表達較強。因為EST同工酶屬于催化酯類化合物水解的酶系,可能與機體的解毒作用密切相關,這與肝臟具有解毒作用相適應。
3.4 同工酶組織特異性產生的原因
中華倒刺鲃同工酶的組織特異性主要表現在酶譜帶數量和活性表達強弱這兩個方面。同工酶的表達是機體在發育過程中內在基因調控機制造成的,其組織特異性的產生可能有多方面的原因。一方面可能是由于在不同組織中的基因位點不是同時表達,造成組織之間譜帶數量的不同。另一方面可能是基因表達后受到不同因子的調控以配合各種組織執行不同生理功能,因而造成組織間同種同工酶在含量以及活性表達上的差異。不同組織同工酶的特異性與其代謝功能密切相關,如中華倒刺鲃的同工酶酶譜顯示出Ldh-c基因在肝中特異表達,MDH和EST都是在肝中的活性表達最強,而肝臟作為一種重要的內臟器官,具有消化、分泌及解毒等多種功能,所以同工酶亦表現出復雜的多態性;在肌肉組織中,Ldh-B4優勢表達,而且同時表達了s-MDH和m-MDH,這與肌肉作為機體一種重要的運動器官是相輔相成的。
參考文獻:
[1] MARKERT C L, MOLLER F.Multiple form of enzymes:tissue ontogenentic,and species specific patterns[J]. Proc Natl Acad Sci,1959,45:753-763.
[2] BUTH D G,DOWLING T E, GOLD J R. Molecular and cytological investigation[A].WINFIELD I J,NELSON J S. Cyprinid fishes systematics, biology and exploitation[C]. London: Chapman and Hall,1991.83-118.
[3] 蔡焰值,何長仁,蔡燁強,等. 中華倒刺鲃生物學初步研究[J]. 淡水漁業,2003,33(3):16-18.
[4] 錢名全.中華倒刺鲃[J].湖南農業,2004(12):15.
[5] 李 萍,王寶森.中華倒刺鲃[J].生物學通報,2008,43(8):17-18.
[6] 黃洪貴.中華倒刺鲃胚胎與仔魚發育的觀察[J].江西農業大學學報,2009,31(6):1087-1092.
[7] 李 芹,唐洪玉.中華倒刺鲃仔稚魚期消化酶及堿性磷酸酶活性變化的研究[J]. 水生態學雜志,2011(5):82-85.
[8] 羅江蘭.中華倒刺鲃的人工繁殖及苗種培養技術[J].水產養殖,2003,24(6):14-15.
[9] 蔡焰值,蔡燁強,何長仁.中華倒刺鲃人工繁殖技術研究[J].淡水漁業,2005,35(1):35-38.
[10] 魯 斌,王曉斌,高勤國,等.中華倒刺鲃良種引進與池塘養殖模式研究[J].安徽農學通報,2010,16(9):188-193.
[11] 朱必鳳,鄒佩貞,鐘良明,等.三種倒刺鲃的RAPD種質鑒定[J].南昌大學學報(理科版),2006,30(6):597-600.
[12] 熊美華,史 方,徐 念,等.中華倒刺鲃微衛星標記篩選及特征分析[J].水生態學雜志, 2011,32(1):40-44.
[13] 張慶朝,王 慧,秦孜娟,等.魚類乳酸脫氫酶同工酶聚丙烯酰胺凝膠電泳技術研究[J].生物技術,1994,4(5):38-40.
[14] 趙 贛,張守全,林武源,等.一種新的蘋果酸脫氫酶同工酶染色法[J].江西農業大學學報,2000,22(4):589-590.
[15] 趙 贛,錢 芳,曹永長,等.酯酶同工酶的一種新染色法的初步研究[J].江西農業大學學報,2002,24(3):380-382.
[16] 熊全沫.魚類同工酶譜分析(上)[J].遺傳,1992,14(2):41-44.
[17] 熊全沫.魚類同工酶譜分析(下)[J].遺傳,1992,14(5):47-48.
[18] 唐章生.巴西鯛乳酸脫氫酶同工酶的初步研究[J].水利漁業,2001,21(4):9-10.
[19] MARKERT C L, SHAKLEE J B , WHITT G S. Evolution of a gene. Multiple genes for LDH isozymes provide a model of the evolution of gene structure, function and regulation[J].Science,1975, 189 (4197):102-114.
[20] 蔣曉華,周銘東,瑞 光.滇池高背鯽魚早期胚胎發育期間蘋果酸脫氫酶(MDH)同工酶的分析[J].云南大學學報(自然科學版),1997,19(4):383-387.
[21] 方 丁,房世榮.同工酶在醫學上的應用[M].北京:人民衛生出版社,1982.
[22] 薛國雄.乳酸脫氫酶同工酶研究進展[J].生物研究進展,1992,12(5):29-32.
[23] 張慶朝,王 慧,秦孜娟,等. 泰山赤磷魚同工酶的研究[J].動物學研究,1994,15(2):62-67.
[24] 胡能書,萬國賢.同工酶技術及其應用[M].長沙:湖南科技出版社,1985.