黃鱔轉鐵蛋白受體1基因的克隆及表達分析

江翱李偉，2

（1.長江大學生命科學學院，荊州 434025；2.濕地生態與農業利用教育部工程研究中心，荊州 434025）

黃鱔轉鐵蛋白受體1基因的克隆及表達分析

江翱1李偉1，2

（1.長江大學生命科學學院，荊州 434025；2.濕地生態與農業利用教育部工程研究中心，荊州 434025）

旨在研究黃鱔轉鐵蛋白受體1基因的功能及其組織表達特異性，采用同源克隆結合RACE技術從黃鱔肝臟中分離其轉鐵蛋白受體1基因，用生物信息學方法對獲得的氨基酸序列進行分析，用半定量RT-PCR技術研究各組織中TfR1表達水平。結果表明，克隆獲得黃鱔TfR1，GenBank注冊序列號為KF819396。該cDNA全長2 839 bp，5' UTR長134 bp，3' UTR長380 bp，編碼一個長774個氨基酸的多肽鏈。氨基酸多序列比對結果表明，黃鱔TfR1基因推斷的氨基酸序列同其他魚類的同源性較高，達55.68%-68.41%；而同哺乳動物的TfR1基因同源性較低。半定量RT-PCR分析表明，黃鱔TfR1基因轉錄本在不同組織表達量有明顯差異；在血細胞中表達量最高，而在腎臟、脾臟和小腸中表達中等，在肝臟、胃、皮膚、腦、心臟和肌肉中表達量很低。

黃鱔；轉鐵蛋白受體1；RACE技術；RT-PCR技術

鐵離子代謝平衡對生命體至關重要，包括活性氧運輸、電子傳遞和DNA合成等過程都離不開鐵離子的參與。游離鐵離子的濃度也是病原菌賴以生存及病感染機體造成危害的重要因素［1］。轉鐵蛋白受體（TfR）是一種細胞膜相關糖蛋白，是調控細胞內鐵離子吸收的“開關”。盡管TfR分子不直接和細胞中的鐵離子結合，但卻可通過調控與細胞質內轉鐵蛋白（Transferrin，Tf）的結合達到細胞內鐵離子運輸和存儲平衡［2］。目前，已知轉鐵蛋白受體有兩類（TfR1和TfR2），它們在分子結構上比較相似，但表達調控模式和功能上有著較大差異［3］。TfR1分子幾乎可以在所有正常細胞中表達，但在成熟紅細胞及多能造血干細胞中很少或幾乎不表達［2］；TfR2分子則是一種特異性介導肝臟細胞鐵離子代謝的糖蛋白，主要在肝臟及十二指腸隱窩細胞中表達［4］。TfR1分子目前比較明確的作用就是調控細胞對鐵離子的吸收［2］，而TfR2分子對體內鐵平衡的調節作用比它對鐵的攝取作用重要得多［5］。迄今為止，只有人類和小鼠轉鐵蛋白受體基因及其功能進行了較為深入的研究。牛［6］、豬［7］、大菱鲆［8］和草魚［9］等少數物種上也已有轉鐵蛋白受體分子被報道。有關于黃鱔轉鐵蛋白受體基因及其功能的研究國內外尚無報道。黃鱔是我國及許多東南亞國家重要的淡水養殖種類，具有較高的食用和藥用價值。克隆并研究其鐵離子代謝相關功能基因有助于了解黃鱔抗細菌病的分子機制及促進黃鱔健康養殖業的發展。本研究通過同源克隆結合RACE的方法從黃鱔肝臟cDNA中克隆了TfR1基因cDNA全長，對其進行生物信息學分析并研究其組織表達特異性，旨在為深入了解魚類TfR1基因在鐵離子代謝中的作用提供基礎資料。

1 材料與方法

1.1 材料

健康成體黃鱔（體質量75-110 g）購買于荊州市太湖水產市場。pMD18-T克隆載體、PrimeScript RT reagent試劑盒、DL2000 DNA Marker等購至大連TaKaRa公司；Trizol試劑購買于Invitrogen公司；DH5α感受態細胞、DNA凝膠回收試劑盒為北京全式金公司產品；Smart Race cDNA Amplification Kit試劑盒購買于Clontech公司。

1.2 方法

1.2.1 總RNA提取、引物設計及cDNA片段獲得隨機選取3條鱔魚進行解剖取其血細胞、心臟、肝臟、脾臟、胃、腎臟、皮膚、肌肉、腸和腦等10種組織速凍于液氮中，保存于-80℃冰箱，用于RNA的提取。總RNA提取采用Trizol試劑按照說明書進行。cDNA合成用TaKaRa公司的PrimeScript RT regent試劑盒按照說明書進行。根據GenBank上報道的豬（Sus scrofa，NP_999166.1）、普通狨（Callithrix jacchus，NP_001288776.1）、人（Homo sapiens，BAF84-412.1）、獰貓（Caracal caracal，AFM73555.1）、黃牛（Bos taurus，ADE09354.1）、 斑 馬 魚（Danio rerio，NP_001009917.1）、青鳉（Oryzias latipes，XP_0040-79020.1）、虹鱒（Oncorhynchus mykiss，CDQ90669.1）和紅鰭東方鲀（Takifugu rubripes，XP_003975880.1）的TfR1基因cDNA序列設計了簡并性引物de-F（5'-ccctcsttyaaycacacncagtt-3'）和de-R（5'-gccctggatgntccaggtggc-3'）用來擴增肝臟cDNA。PCR反應程序為：94℃ 4 min；94℃ 30 s，58℃ 30 s，72℃ 1.5 min，35個循環；72℃延伸7 min。擴增得到的產物經回收純化后克隆至pMD18-T載體，轉化大腸桿菌挑取3個陽性克隆送上海博尚生物科技有限公司進行序列測定。

1.2.2 黃鱔TfR1基因cDNA全長的獲得 根據上述所得cDNA片段，設計基因特異性引物GSP5（5'-ga atgtgggtagccatgcctgctgtg-3'）和GSP3（5'-acatccagaacagcgacctg-3'）用來進行RACE擴增。RACE采用Smart Race cDNA Amplification Kit試劑盒說明書進行。PCR擴增產物經回收純化后克隆至pMD18-T載體，轉化大腸桿菌挑取3個陽性克隆送上海博尚生物科技有限公司進行序列測定。將上述所得5' UTR、3' UTR及中間cDNA片段進行拼接后即得黃鱔TfR1基因cDNA全長。

1.2.3 黃鱔TfR1基因序列分析及進化樹構建 利用SignalP 4.1軟 件（http：//www.cbs.dtu.dk/services/ SignalP/）對黃鱔TfR1基因推斷的氨基酸序列進行信號肽預測。采用蛋白質二級結構分析軟件prosite（http：prosite.expasy.org/cg-bin/prosite/）對其進行N-糖基化位點和O-糖基化位點的分析。采用SMART軟件對其進行功能結構域分析（http：//smart.emblheidelberg.de/）。用DNAMAN軟件對不同物種的TfR1基因進行多序列比對。采用MEGA4.0軟件中的N-J法構建遺傳進化樹。

1.2.4 黃鱔TfR1基因組織表達分析 將各組織總RNA用無RNAase的DNase I消化后反轉錄獲得cDNA第一條鏈。采用基因特異性引物rt-F1（5'-gtccatgatcatctattgcggat-3'）和rt-R1（5'- gtactccaccttcatgatgc-3'）檢測各組織中TfR1基因轉錄本的表達量，以β-actin基因的表達量為內參，設計的β-actin的引物為actin-F1（5'-gctgtgctgtccctgta-3'）和actin-R1（5'-gagtagccacgctctgtc-3'）。

2 結果

2.1 黃鱔TfR1基因cDNA序列分析

以簡并引物de-F/de-R和黃鱔肝臟cDNA為模板進行PCR擴增獲得了1條約長1 300 bp的條帶，經序列測定后認為是TfR1基因的cDNA片段。經過5' RACE和3' RACE擴增分別獲得了該基因的5' UTR區域和3' UTR區域，序列拼接后得到了全長cDNA序列（GenBank登錄號：KF819396）。序列分析（圖1）表明，黃鱔TfR1基因cDNA全長2 839 bp，5' UTR長134 bp，3' UTR長380 bp，編碼一個長774個氨基酸的多肽鏈，還包含一個15 bp的poly（A）尾巴。

圖1 黃鱔TfR1基因全長cDNA及推斷的氨基酸序列

二級結構分析表明，該TfR1基因推斷的氨基酸序列沒有信號肽序列；在開放閱讀框內可能存在著4個N-糖基化位點和2個O-糖基化位點（S107和S108）（圖1）；跨膜區（TM）位于L77和H99之間，將TfR1基因分成短的N端和長的C端。C端含有完整的TFR_dimer域、肽酶M28 結構域、PA 結構域和一個小的SCOP 結構域（圖2）。

圖2 黃鱔TfR1基因功能結構域

將黃鱔TfR1基因推斷的氨基酸序列與其他物種的TfR1基因用DNAMAN軟件比對（圖3）發現，同其他物種TfR1基因相比，黃鱔TfR1基因與紅鰭東方鲀、青鳉、虹鱒、斑馬魚的同源性較高，分別達到了68.41%、67.65%、58.90%和55.68%；而與人、豬、獰貓和狨等脊椎動物的同源性較低。基于MEGA4.0軟件的N-J法構建的分子進化樹（圖4）表明，黃鱔與其他魚類的TfR1聚于一個分支，同人、豬等其他脊椎動物親緣關系較遠。

2.2 黃鱔TfR1基因組織特異性表分析

用RT-CR法對黃鱔的10種組織進行TfR1基因轉錄本的檢測分析，結果（圖5）顯示，在所檢測到的10種組織里，TfR1基因表達量有明顯差異；在血細胞（Bc）中表達量最高，在腎臟（K）、脾臟（Sp）、小腸（I）中表達量中等，在皮膚（S）、胃（St）、肝臟（L）、肌肉（M）、心臟（H）和腦（B）中表達量較低。

3 討論

鐵離子對生命體至關重要，Tf-TfR復合物不僅在調控細胞鐵離子代謝吸收平衡及降低Fe3+離子轉化為Fe2+造成的細胞毒性過程中具有重要的作用，而且在機體系統性免疫機制激活中也具有重要作用［10］。當病原細菌入侵細胞后，在細胞質外由于大部分鐵離子（Fe3+）被Tf分子結合從而導致病原細菌因缺乏足夠游離鐵而不能生存；這些過量被Tf飽和的鐵會通過形成Tf-2Fe-TfR復合物的形式通過內噬作用進入細胞質內參與細胞代謝［11］。

不同物種來源的TfR1基因往往具有相類似的基因結構和功能域［6，12］；相同物種的TfR1和TfR2基因之間在結構和功能域之間也相對保守［6］，不同之處在于TfR2基因3' UTR區域往往缺少鐵反應元件（IREs）表達不受鐵狀態調節［13］。這為采用同源克隆的方法克隆TfR基因提供了便利條件。本研究就是根據不同物種TfR1功能保守區設計簡并引物獲得的黃鱔TfR1片段，進而獲得全長cDNA。人類的TfR1分子是一個同源二聚體分子，每個單體包含有1個760個氨基酸長的多肽。每個多肽由1個長671個氨基酸的胞外C端、1個61個氨基酸長的胞內N端區域和1個28個氨基酸長的跨膜區3個部分組成。牛的TfR2和TfR1基因結構域非常保守，唯一的區別在于TfR1基因C端含有一個小的SCOP區，類似結構也在人的TfR1基因上被發現［6］。本研究發現黃鱔TfR1基因結構上可分為3個主要的功能區域，C端長675個氨基酸，N端長76個氨基酸，跨膜區長22個氨基酸，在M129和E186間也存在一個長58個氨基酸的SCOP區域。另外，人的TfR1的胞外區存在3個N-糖基化位點和1個O-糖基化位點，這些糖基化位點是TfR執行功能必須的位點［14］。本實驗也在黃鱔TfR1分子C端發現了4個N-糖基化位點和2個O-糖基化位點，造成這種現象的原因可能是由于所使用分析軟件不同的算法造成的。

圖3 黃鱔TfR1基因推斷的氨基酸序列與其他物種的比較

圖4 基于N-J法構建的分子遺傳進化樹

圖5 黃鱔TfR1基因的組織表達分析

人類的TfR1基因在除了一些成熟的紅細胞和已終止分化的細胞外的細胞中都可表達，但表達量會有很大差異［2］。處于不斷增值的如腫瘤細胞其TfR1的基因表達量會很高，這可能是因為細胞對鐵的需求量增加的原因［15］。人類TfR2分子的表達特征與TfR1也有不同；TfR1在肝臟中表達較低，而TfR2在肝臟中高表達，胃中低表達，其他組織TfR2表達量十分低［12］。林亞秋等［9］的研究表明草魚的TfR1基因轉錄本可在12種健康組織中檢測到，但腦和鰭中的表達量最高，肝臟等組織表達量中等，而黏液與魚鰾中的表達量最低。張立春等［6］發現牛的TfR2基因主要在肝臟組織中表達，其他器官如脾臟、心臟和腸道也有少量表達，這個結果與人的組織分布規律基本一致，從而在一定程度上證明了不同物種TfR基因功能的保守性。本研究發現，在黃鱔的10種健康組織里，血細胞的表達量最高，而肝臟、脾臟、心臟、肌肉、腎臟和小腸等組織里TfR1基因轉錄本都較低的表達；這也與人類和草魚TfR1基因表達情況類似；在血細胞里的表達量比較高的原因可能是血細胞形成需要更大量的鐵，因為血紅素細胞鐵的含量占成體鐵含量總量比重較高［2］。

4 結論

本研究通過同源克隆結合RACE技術克隆得到了黃鱔TfR1類分子全長cDNA序列，該基因與已知魚類TfR1基因具有較高的同源性，具有其他物種TfR1基因相類似的結構功能區域和糖基化位點，是脊椎動物TfR家族中一個新成員。該基因在黃鱔不同健康組織里具有不同的表達水平，血細胞中表達量最高，而在肝臟、脾臟和小腸等組織里表達量較低。

［1］ Wally J， Buchanan SK. A structural comparison of human serum transferrin and human lactoferrin［J］. Biometals， 2007， 20：249-262.

［2］ Ponka P， Lok CN. The transferrin receptor：role in health and disease［J］. The International Journal of Biochemistry & Cell Biology， 1999， 31：1111-1137.

［3］ Smilevska T， Stamatopoulos K， Samra M， et al. Transferrin receptor-1 and 2 expression in chronic lymphocytic leukemia［J］. Leukemia Research， 2006， 30：183-189.

［4］ Kawabata H， Yang R， Hirama T， et al. Molecular cloning of transferrin receptor 2. A new member of the transferrin receptorlike family［J］. Journal of Biology Chemistry， 1999， 274（30）：20826-20832.

［5］ Camaschella C， Roetto A， Cali A， et al. The gene TFR2 is mutated in a new type of haemochromatosis mapping to 7q22［J］. Nat Genet，2000， 25（1）：14-15.

［6］ 張立春， 金海國， 李趙志， 等. 延邊黃牛轉鐵蛋白受體2 基因克隆與序列分析［J］. 中國農業科學， 2012， 45（10）：2022-2030.

［7］ Ricard MA， Archibald FS， Niven DF. Isolation and identification of a putative porcine transferrin receptor from Actinobacillus pleuropneumoniae biotype 1［J］. J Gen Microbiol， 1991， 137（12）：2733-2740.

［8］ Yang CG， Liu SS， Sun B， et al. Iron-metabolic function and potential antibacterial role of Hepcidin and its correlated genes（Ferroportin 1 and Transferrin Receptor）in Turbot（Scophthalmus maximus）［J］. Fish & Shellfish Immunology， 2013， 34：744-755.

［9］ 林亞秋， 鄭玉才， 吉紅， 等. 草魚轉鐵蛋白受體cDNA序列克隆及其組織表達差異［J］. 湖北農業科學， 2009， 48（6）：1289-1292.

［10］ Brandsma ME， Jevnikar AM， Ma S. Recombinant human transferrin：Beyond iron binding and transport［J］. Biotechnology advances， 2011， 29：230-238.

［11］ Qian ZM， Li H， Sun HZ， et al. Targeted drug delivery via the transferrin receptor mediated endocytosis pathway［J］. Pharmacol Rev， 2002， 54：561-587.

［12］ 常彥忠， 段相林， 錢忠明. 轉鐵蛋白受體2及其功能與相關疾病［J］. 生物化學與生物物理進展， 2003， 30（4）：533-536.

［13］ Hentze MW， Muckenthaler MU， Andrews NC. Balancing acts：molecular control of mammalian iron metabolism［J］. Cell， 2004，117（3）：285-297.

［14］ Williams AM， Enns CA. Mutated transferrin receptor lacking asparagine-linked glycoprotein sites shows reduced functionality and an association with binding immunoglobulin protein［J］. Journal of Biological Chemistry， 1991， 266：17648-17654.

［15］ Prutki M， Poljak-Blazi M， Jakopovic M， et al. Altered iron metabolism， transferrin receptor 1 and ferritin in patients with colon cancer［J］. Cancer Lett， 2006， 238（2）：188-196.

（責任編輯 馬鑫）

Cloning and Expression Analysis of a Transferrin Receptor 1 Gene from Swamp Eel，Monopterus albus

Jiang Ao1Li Wei1，2
（1. College of Life Science，Yangtze University，Jingzhou 434025；2. Engineering Research Center of Ecology and Agricultural Use of Wetland，Ministry of Education，Jingzhou 434025）

For investigating the function and tissue expression specificity of transferrin receptor 1 gene（TfR1）from swamp eel， TfR1 gene was isolated from the liver of swamp eel using homologous cloning and RACE techniques， the bioinformatics method was used to analyze the putative amino acid sequence， and semi-quantitative RT-PCR was used to study the expression of TfR1 gene in different tissues. The results showed that the full length of cDNA（GenBank accession number：KF819396）was 2 839 bp including a 134 bp 5' un-translated region（UTR）and a 380 bp 3' UTR， and it encoded a polypeptide of 774 amino acids. Sequence alignment by amino acid indicated that the inferred amino acid sequence of TfR1 from swamp eel shared high identity with those of other teleosts in 55.68%-68.41%. Semi-quantitative RT-PCR analyses demonstrated that the TfR1 transcripts were significantly varied in different tissues， the highest in blood cells， moderate in kidney， spleen and intestine， and little in liver， stomach， skin， brain， heart and muscle.

swamp eel；transferrin receptor 1（TfR1）；RACE；RT-PCR

10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2015.07.019

2014-11-12

湖北省教育廳基金項目（Q20131206），濕地生態與農業利用教育部工程研究中心開放課題（2013A011），國家大學生創新創業訓練計劃項目（104892014032）

江翱，男，研究方向：生物技術制藥；E-mail：1362541137@qq.com

李偉，男，博士，副教授，研究方向：魚類分子生物學；E-mail：wetli@yangtzeu.edu.cn