崔悅悅 張廣杰 徐曉芙 夏琴 鄒輝 江雨航 瞿秋紅 蔣欽楊 黃艷娜 郭亞芬 蘭干球
摘要:【目的】明確白藜蘆醇對杜長大豬UCP3基因表達及脂肪代謝的影響,為揭示豬優良肉質性狀形成機制打下基礎?!痉椒ā刻崛?月齡杜長大豬皮下脂肪組織RNA,采用RT-PCR擴增杜長大豬UCP3基因編碼區(CDS)序列,運用在線軟件對其進行生物信息學分析,并以實時熒光定量PCR檢測白藜蘆醇(400 mg/kg,飼喂30 d)對杜長大豬脂肪中UCP3基因表達的影響。【結果】從杜長大豬皮下脂肪組織中成功克隆獲得UCP3基因CDS序列,全長927 bp,共編碼308個氨基酸,其蛋白分子質量33673.09 Da,理論等電點(pI)9.44;與普通豬的UCP3基因序列相比,杜長大豬UCP3基因編碼序列共有9處發生堿基突變,其中4處為錯義突變,導致UCP3蛋白有4處氨基酸突變,分別為第74位脯氨酸(Pro)→亮氨酸(Leu)、第150位甘氨酸(Gly)→精氨酸(Arg)、第203位Arg→Gly和第259位纈氨酸(Val)→Leu。杜長大豬UCP3基因CDS序列與普通豬UCP3基因CDS序列的同源性為99.0%,其UCP3蛋白二級結構中以α-螺旋占比最高(46.43%)、β-轉角占比最低(7.47%),屬于親水性蛋白。飼喂白藜蘆醇(400 mg/kg)能極顯著上調杜長大豬皮下脂肪UCP3基因表達(P<0.01),其相對表達量是對照組(不飼喂白藜蘆醇)的2.06倍?!窘Y論】白藜蘆醇是通過上調杜長大豬UCP3基因表達而影響其脂肪代謝。
關建詞: 杜長大豬;解偶聯蛋白(UCP);UCP3基因;生物信息學分析;白藜蘆醇;基因表達
中圖分類號: S828.89? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼: A 文章編號:2095-1191(2019)03-0439-07
0 引言
【研究意義】解偶聯蛋白(Uncoupling protein,UCP)主要分布在線粒體內膜上,參與機體的能量代謝,且是影響肉質的關鍵基因(叢軍和高弼虎,2012),即開展UCP研究可為培育低脂肪的優良肉質畜禽品種打下理論基礎。豬肉產品在畜禽食品中占據重要地位,尤其是我國作為全球第一大豬肉生產和消費國家,豬肉產量和消費量逐年遞增。據統計,2017年我國的豬肉產量和消費量分別為5340萬和5487萬t。但隨著人們生活水平的提高,對豬肉品質的要求也越來越高,因此在豬生產中如何獲得量多且質優的肉類產品已成為養豬育種工作者的首要任務?!厩叭搜芯窟M展】目前,已發現有5種UCP家族蛋白(UCP1~UCP5),且研究證實UCP3與UCP1不僅具有高度同源性,還與產熱機能相關,但具體機制尚不明確(孔勇等,2010;高文榮等,2012)。Gong等(2000)、Seifert等(2008)通過對動物脂肪酸代謝過程的研究,發現UCP3能減緩線粒體氧化應激反應,增強脂肪酸氧化,減少脂肪沉積。劉穎等(2013)研究表明,UCP3在動物脂肪代謝合成過程中發揮重要作用,可將能量轉化為熱能。白藜蘆醇(Resveratrol,RES)多存在于虎杖、花生和葡萄籽等植物中(韋曉等,2018),是一種無色無味針狀結晶、難溶于水但易溶于有機溶劑的多酚化合物(韓晶晶等,2008)。孫延權等(2011)研究表明,白藜蘆醇具有減輕肥胖小鼠體重、上調脂肪組織Sirt1基因表達及降低體內脂肪含量的作用。王曉珂等(2013)研究表明,白藜蘆醇通過促進肥胖易感大鼠脂肪組織中AMPKα1、AMPKα2和Sitr1基因的表達,而降低高脂膳食誘導肥胖易感大鼠的體重和脂肪蓄積量。王筱婧等(2015)研究發現,白藜蘆醇對大鼠急性酒精性肝損傷有保護作用,其機制可能與清除氧自由基、抗脂質過氧化損傷及抑制炎癥反應水平有關。鄭新杰等(2017)研究證實,高脂膳食攝入和尼克酰胺會抑制脂肪代謝相關蛋白基因Sirt1、PPARγ和UCP1的表達,但經白藜蘆醇干預處理后能上調UCP1基因表達,并減輕小鼠體內白色脂肪組織的重量?!颈狙芯壳腥朦c】目前,已有研究證明白藜蘆醇和UCP3基因均與機體脂肪代謝相關,但通過飼喂白藜蘆醇能否調控豬UCP3基因表達進而影響脂肪代謝的研究鮮見報道。【擬解決的關鍵問題】克隆杜長大豬UCP3基因并對其進行生物信息學分析,同時通過實時熒光定量PCR檢測白藜蘆醇能否調控UCP3基因表達,明確其對豬脂肪代謝的影響,為揭示豬優良肉質性狀的形成機制打下基礎。
1 材料與方法
1. 1 試驗材料
1月齡杜長大豬由廣西大學動物科學技術學院科研基地養殖場(許可證號GXU2013002)提供,共8頭,隨機分為飼喂白藜蘆醇組(400 mg/kg)(Zhang et al.,2015)和對照組(不飼喂白藜蘆醇)。飼喂30 d后進行屠殺采樣,采取皮下脂肪組織立即置于液氮中,然后轉移至-80 ℃冰箱儲存備用。pMD19-T載體、RNAiso Plus、熒光定量反轉錄試劑盒和SYBRⅡ等均購自TaKaRa公司;DNA聚合酶和普通反轉錄試劑盒等購自南京諾唯贊生物科技有限公司;膠回收試劑盒購自生工生物工程(上海)股份有限公司;酵母浸出物和胰蛋白胨等購自OXOID公司;瓊脂糖購自法國Biowest公司;氨芐西林、氯化鈉和氯化鉀等購自上海華舜生物技術有限公司;白藜蘆醇(PHLC≥98%)購自陜西慈緣生物技術有限公司;大腸桿菌DH5α感受態細胞購自北京全式金生物技術有限公司。
1. 2 PCR引物設計與合成
依據NCBI中已發表的豬UCP3基因序列(NM_214049.1),利用Oligo 7.0設計引物,包括克隆引物UCP3-F1、UCP3-R1及定量引物UCP3-F2和UCP3-R2,以18S rRNA為內參基因(表1),其中克隆引物擴增片段中的5'端和3'端均包含非翻譯區。所有引物均由生工生物工程(上海)股份有限公司合成。
1. 3 杜長大豬UCP3基因克隆
以TRIzol法提取杜長大豬皮下脂肪總RNA,并按反轉錄試劑盒說明進行反轉錄合成cDNA,反轉錄體系8.0 μL:1.0 μL Oligo(dT)23VN(59 μmol/L),10 pg~50 μg RNA,RNase Free H2O補足至8.0 μL。反應程序:65 ℃ 5 min,冰浴2 min。繼續在反應體系中加入10.0 μL的2×RT Mix和2.0 μL HiscriptTM II Enzyme Mix。反應程序:55 ℃ 45 min;85 ℃ 5 min;4 ℃保存。以反轉錄合成的cDNA為模板進行PCR擴增,反應體系10.0 μL:5.0 μL Taq DNA聚合酶,1.0 μL cDNA模板(308.3 ng/μL),UCP3-F1和UCP3-R1(10 μmol/L)各0.5 μL,雙蒸水補足至10.0 μL。擴增程序:95 ℃預變性3 min;95 ℃ 30 s,58 ℃ 30 s,72 ℃ 90 s,進行35個循環;72 ℃延伸5 min,4 ℃保存。以1.5%瓊脂糖凝膠電泳進行檢測,然后切取目的條帶,按膠回收試劑盒說明對目的條帶進行純化回收?;厥盏哪康钠闻cpMD19-T載體連接后置于4 ℃下過夜,連接產物與40.0 μL DH5α感受態細胞混勻,冰浴30 min后42 ℃水浴45 s,最后冰浴2 min;加入500.0 μL LB液體培養基,于37 ℃下搖床振蕩(200 r/min)培養1 h;取100.0 μL菌液涂布于含氨芐青霉素(0.1 mg/mL)的LB固體培養基上,倒置培養10~12 h。從LB固體培養基上挑選單個白色菌落進行擴大培養,將PCR鑒定呈陽性的菌液送至生工生物工程(上海)股份有限公司測序。
1. 4 杜長大豬UCP3基因生物信息學分析
首先利用MegAlign對克隆獲得的杜長大豬UCP3基因與參考豬序列進行比對分析,同時與奶牛(Bos taurus,NM_174210.4)、斑馬魚(Danio rerio,NM_200353.2)、人類(Homo sapiens,U84763.1)、小鼠(Mus musculus,AB010742.1)、褐家鼠(Rattus norvegicus,U92069.1)和普通豬(Sus scrofa,NM_2140 49.1)6個物種的UCP3基因進行同源性比對分析;采用LaserGene構建多物種系統發育進化樹;以ExPASy ProPtaram(http://web.expasy.org/protparam/)系統分析杜長大豬UCP3基因編碼蛋白的一級結構、分子量和等電點;利用ExPASy-ProtScale(http://web.expasy.org/prot)進行UCP3蛋白親/疏水性預測分析;通過NPS@在線蛋白分析系統(https://npsa-prabi.ibcp.fr/cgi-bin/npsa_automat.pl?page=/NPSA/npsa_sopma.html)對杜長大豬UCP3基因編碼蛋白的二級結構進行預測分析,并利用SWISS-MODEL(http://swissmodel.expasy.org/)對其三級結構進行預測分析。
1. 5 qRT-PCR檢測UCP3基因表達情況
1. 5. 1 杜長大豬皮下脂肪cDNA合成 以TRIzol法提取8頭豬的皮下脂肪總RNA,并按反轉錄試劑盒說明進行反轉錄合成cDNA。反轉錄體系10.0 μL:2.0 μL 5×gDNA Eraser Buffer,1.0 μL gDNA Eraser,1.0 μg總RNA,RNase Free H2O補足至10.0 μL。反應程序:42 ℃ 2 min。繼續在體系中加入1.0 μL Prime Script RT Enzyme Mix I、1.0 μL RT Prime Mix、4.0 μL 5×Primescript Buffer和4.0 μL RNase Free H2O。反應程序:37 ℃ 15 min;85 ℃ 5 s;4 ℃保存。
1. 5. 2 qRT-PCR檢測UCP3基因 以反轉錄合成的cDNA為模板進行qRT-PCR。反應體系20.0 μL:10.0 μL SYBR Premix Ex TaqTMⅡ,UCP3-F2/UCP3-R2(10 μmol/L)各0.5 μL,5.0 μL cDNA模板(5 ng/μL),4.0 μL RNase Free H2O。擴增程序:95 ℃預變性30 s;95 ℃ 5 s,60 ℃ 30 s,進行35個循環。以CFX-96(Bio-RAD)進行檢測,采用2-ΔΔCt法計算目的基因的相對表達量。
1. 6 統計分析
用Excel 2010對試驗數據進行初步處理,使用SAS 9.1進行統計分析,再以GraphPad Prism 7.0制圖。
2 結果與分析
2. 1 杜長大豬UCP3基因PCR擴增結果
以反轉錄合成的cDNA為模板進行PCR擴增,擴增產物以1.5%瓊脂糖凝膠電泳進行檢測,結果在1000 bp附近出現單一明亮的目的條帶,與預期結果相符。純化的目的條帶經擴大培養后,其菌液PCR鑒定結果也顯示在1000 bp附近出現目的條帶,與預期序列長度1009 bp基本吻合。
2. 2 杜長大豬UCP3基因生物信息學分析結果
2. 2. 1 UCP3基因序列比對分析結果 利用Meg-Align對杜長大豬UCP3基因與NCBI中已發表豬的UCP3基因進行序列比對分析,結果發現杜長大豬UCP3基因序列長927 bp,相對于參考豬的UCP3基因序列,杜長大豬UCP3基因編碼區(CDS)序列共有9處發生堿基突變,分別是第117位 C→T、第211位C→T、第306位T→C、第444位 G→T、第448位A→G、第555位T→C、第564位G→C、第607位G→T和第776位T→C。其中5處(第117、306、444、555、564位)為同義突變,剩余4處則發生錯義突變,具體表現:第221位C→T致使第74位脯氨酸(Pro)→亮氨酸(Leu);第448位A→G致使第150位甘氨酸(Gly)→精氨酸(Arg);第607位G→T致使第203位Arg→Gly;第776位T→C致使第259位纈氨酸(Val)→Leu。
2. 2. 2 UCP3基因同源性比對分析結果 通過MegAlign比對分析杜長大豬與NCBI中其他物種的UCP3基因同源性,結果表明,杜長大豬UCP3基因CDS序列與奶牛、斑馬魚、人類、小鼠、褐家鼠和普通豬的UCP3基因CDS序列同源性分別為90.0%、68.8%、87.3%、83.6%、84.0%和99.0%。
2. 2. 3 系統發育進化樹 使用MegAlign構建基于UCP3基因同源性的系統發育進化樹,結果顯示杜長大豬與普通豬具有非常近的親緣關系,而與斑馬魚的親緣關系最遠。
2. 2. 4 UCP3蛋白一級結構預測結果 經ExPASy ProPtaram分析可知,杜長大豬UCP3基因共編碼308個氨基酸,其蛋白分子質量33673.09 Da,理論等電點(pI)9.44。杜長大豬UCP3蛋白的氨基酸組成成分如表2所示。
2. 2. 5 UCP3蛋白二級結構預測結果 利用NPS@在線蛋白分析系統預測杜長大豬UCP3蛋白二級結構。杜長大豬UCP3蛋白二級結構中,α-螺旋(用h表示)占46.43%,β-轉角(用t表示)占7.47%,延伸鏈(用e表示)占15.26%,無規則卷曲(用c表示)占30.84%。
2. 2. 6 UCP3蛋白三級結構預測結果 利用SWISS-MODEL對杜長大豬UCP3蛋白三級結構進行預測,以α-螺旋為主,與UCP3蛋白二級結構預測結果一致。
2. 2. 7 UCP3蛋白親/疏水性預測分析結果 利用ExPASy ProtScale對杜長大豬UCP3蛋白的親/疏水性進行預測分析,圖中縱坐標代表疏水性分值,分值越高表明蛋白疏水性越強。杜長大豬UCP3蛋白的親水性氨基酸多于疏水性氨基酸,故屬于親水性蛋白。
2. 3 白藜蘆對杜長大豬UCP3基因表達的影響
飼喂白藜蘆醇(400 mg/kg)能極顯著上調杜長大豬皮下脂肪UCP3基因表達(P<0.01),其相對表達量是對照組的2.06倍。
3 討論
UCP3是線粒體內膜中一類非常關鍵的轉運蛋白,與骨骼肌線粒體的產熱調節有著密切關聯(安建多和江瑛,2013;楊占清等,2013)。Fabris等(2001)研究證實,大鼠血漿游離脂肪酸的升高能有效提高大鼠骨骼肌中UCP2和UCP3 mRNA的表達水平,進而影響脂肪堆積。趙建國等(2002)研究表明,血漿中游離脂肪酸的增加可上調白色脂肪及骨骼肌中UCP2和UCP3基因的表達。叢軍和高弼虎(2012)研究發現,UCP2和UCP3蛋白對動物機體能量平衡狀態的保持具有重要作用,且對體重及體脂代謝等相關性狀產生明顯影響。本研究從杜長大豬皮下脂肪中成功克隆獲得UCP3基因,通過與已報道的豬UCP3基因序列進行比對,發現杜長大豬UCP3蛋白有4處氨基酸突變,分別為第74位Pro→Leu、第150位Gly→Arg、第203位Arg→Gly和第259位Val→Leu;基于UCP3基因同源性構建的系統發育進化樹顯示,杜長大豬與普通豬具有非常近的親緣關系,二者的同源性為99.0%。相對于普通豬,杜長大豬UCP3基因堿基發生錯義突變導致的氨基酸突變是否影響其生物學功能,尚有待于進一步探究。
陳峰等(2010)研究表明,經白藜蘆醇干預后能有效抑制高糖誘導的氧自由基生成,同時上調小鼠細胞中UCP5基因表達。周逸亭等(2014)研究表明,經白藜蘆醇飼喂的小鼠體內UCP1基因表達水平升高,體重減輕,糖代謝得到一定改善,還能促進其白色脂肪褐色化。于飛(2015)研究表明,白藜蘆醇可改善小鼠的脂肪代謝,對其體內外脂肪代謝均有不同程度的影響,促使高脂日糧飼喂條件下小鼠肝臟脂肪變性的風險降低,說明白藜蘆醇與脂肪代謝緊密相連。鄭新杰等(2017)研究發現,白藜蘆醇干預處理小鼠體內脂肪細胞的體積減小,脂質蓄積減少。可見,白藜蘆醇是通過調控UCP3基因表達而影響機體脂肪沉積。本研究結果表明,飼喂白藜蘆醇(400 mg/kg)30 d后,杜長大豬皮下脂肪UCP3基因極顯著上調表達,其相對表達量是對照組的2.06倍,說明白藜蘆醇是通過上調豬UCP3基因表達而影響其脂肪代謝,但具體作用機制還需進一步研究。
4 結論
杜長大豬UCP3基因CDS序列與參考豬的UCP3基因CDS序列同源性最高,親緣關系最近,僅有4處堿基發生錯義突變。飼喂白藜蘆醇(400 mg/kg)能極顯著上調杜長大豬皮下脂肪UCP3基因表達,說明白藜蘆醇是通過上調豬UCP3基因表達而影響其脂肪代謝。
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(責任編輯 蘭宗寶)