刀鱭磷酸烯醇式丙酮酸羧基酶基因的分子克隆和饑餓作用下的表達分析

王美垚 李全杰

摘要?采用同源克隆法獲得了刀鱭PEPCK基因全長cDNA序列，其具有高度保守的結構序列及功能位點，進化分析表明其與同屬鯡形目的大西洋鯡具有最近的進化距離。在饑餓作用下刀鱭肝組織表達研究表明，PEPCK在糖異生調節方面，在對于饑餓作用下協調糖類代謝平衡，進而維持能量代謝供給上發揮了積極作用。該研究為今后進一步開展刀鱭抗環境因子變化調控機制提供了理論參考。

關鍵詞?刀鱭;磷酸烯醇式丙酮酸羧基酶;克隆;饑餓;表達

中圖分類號?S?917.4文獻標識碼?A

文章編號?0517-6611（2019）23-0107-08

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.23.031

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Molecular Cloning of PEPCK Gene in Coilia nasusand Its Expression Analysis under Starvation

WANG Mei?yao1，2，3， LI Quan?jie2

（1.Wuxi Fisheries College， Nanjing Agricultural University， Wuxi， Jiangsu 214081;

2.Key Laboratory of Freshwater Fisheries and Germplasm Resources Utilization， Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Freshwater Fisheries Research Center， Chinese Academy of Fishery Sciences， Wuxi， Jiangsu 214081;3.Aquatic Animals Genome Center， Freshwater Fisheries Research Center， Chinese Academy of Fishery Sciences， Wuxi， Jiangsu 214081）

Abstract?cDNA sequence of PEPCK gene in C. nasus was cloned by using homologous cloning method， which had highly?conserved sequence and functional sites. Phylogenetic analysis showed that C. nasus had the closest phylogenetic relationship with Clupea harengus in the same family with it. The expression study of liver tissue in C. nasus under starvation showed that PEPCK performed key regulatory function in gluconeogenesis， maintaining energy homeostasis under starvation stress. This research would provide theoretical references for further research on anti?stress regulation mechanism in future.

Key words?Coilia nasus;PEPCK;Cloning;Starvation;Expression

磷酸烯醇式丙酮酸羧基酶（PEPCK）是糖異生作用中的關鍵酶，可催化草酰乙酸生成磷酸烯醇式丙酮酸，進而最終形成葡萄糖，以供機體能量代謝所需[1]。根據PEPCK在細胞內的分布可分為細胞質型和線粒體型2種亞型，二者分別由核基因Pck1和Pck2編碼而成[1-2]。2種亞型PEPCK在生物體內的比例在不同物種間具有較明顯的差異性。在水產動物、哺乳動物上具有細胞質型和線粒體型PEPCK，而在植物中只存在細胞質型PEPCK[3]。現已在高等動物及水生動物[包括人類（Homo sapiens）、小鼠（Mus musculus）、翹嘴紅鲌（Culter alburnus）、金頭鯛（Sparus aurata）、虹鱒（Oncorhynchus mykiss）、大西洋鮭（Salmo salar）等]中克隆獲得了PEPCK的 cDNA序列[4-7]。研究表明，PEPCK廣泛存在于不同種生物（包括人類、微生物、水產動物等）的各個組織中，包括腦、鰓、心、脾、種子、果實等[8-10]。在水產動物上開展的相關研究表明，外界環境因子（如鹽度等）以及飼料組成的變化會對其表達水平產生影響[4，11-14]。

刀鱭為溯河洄游性魚類，其在洄游期間餌料的可獲得性將會受到影響，因而探討饑餓對洄游性魚類的影響研究具有重要意義。迄今為止，在刀鱭上未見到相關報道。筆者開展了刀鱭PEPCK序列克隆及饑餓作用下的表達分析，旨在為今后進一步開展刀鱭在洄游中抗饑餓作用的機體代謝調控研究提供一定的理論參考。

1?材料與方法

1.1?試驗魚飼養管理

試驗魚為平均體重（8.6±0.5）g，體長（14.36±0.80）cm的5月齡刀鱭幼魚，采自中國水產科學研究院淡水漁業研究中心宜興屺亭養殖基地。試驗前14 d，將魚拉網分別暫養于室內 5個規格為5 m×3 m×1 m的循環水水泥池中，其中一個養殖池用于向其余4個用于試驗的養殖池補充刀魚。試驗期間連續增氧，進行水質監測，水溫為（18.0±0.6）℃，pH為7.2，溶解氧濃度為（8.5±0.6）mg/L，氨態氮濃度≤0.01 mg/L，亞硝酸鹽濃度≤001 mg/L。每天07：00和17：00投喂2次，以飽食為宜。

1.2?試驗設計與組織采集

試驗設定對照組和試驗組各3個平行，每組試驗魚15尾。對照組正常投喂，試驗組在試驗期間不投喂。于饑餓試驗開始后的0、2、8、14、20、26、32 d采樣。分別從對照組與試驗組各采集2尾魚，將魚置于濃度為40 mg/L的MS-222麻醉劑中麻醉10 s，采集血液，制備血清。于饑餓0 d采樣時，從對照組魚中取100 mg的鰓、腦、肝、脾、心、腎、脂肪組織、胃、肌肉，迅速凍于液氮中，以備后續試驗。于后續試驗時間點采樣時，只采集肝組織，存于液氮中并采集血液，制備血清。對于采集的魚體均要進行形態參數測量，包括體長、體重、內臟重和肝重。

1.3?總RNA 的提取和PEPCK基因中間序列的獲得

取提取的總RNA，根據NCBI網站上大西洋鯡（Clupea harengus，XM_012837427.1）、斑馬魚（Ddanio rerio，NM_214751.1）、大菱鲆（Scophthalmus maximus，KC149517.1）、大西洋鮭（Salmo salar，NM_001140449.1）、大黃魚（Larimichthys crocea，XM_019275494.1）、尼羅羅非魚（Oreochromis niloticus，XM_003448375.3）、人類（H.sapiens，NM_002591.3）、小鼠（M.musculus，AF009605.1）等基因的cDNA的保守區序列使用Prime Premier 5軟件設計正反引物P1和P2（表1）。使用PrimeScript One Step Enzyme Mix（TaKaRa，日本）進行擴增，反應條件如下：50 ℃ 30 s;94 ℃預變性2 min，94 ℃反應30 s，57 ℃延伸30 s，共30個循環;最后72 ℃延伸1 min。利用1%瓊脂糖凝膠電泳檢測，用TaKaRa MiniBEST Agarose Gel DNA Extraction Kit（TaKaRa，日本）回收長度700 bp的目的片段，將其連接至pMD18-T載體（TaKaRa，日本）并轉入E.coli DH5α 感受態細胞內（TaKaRa，日本），送至上海鉑尚生物技術有限公司測序，獲得850 bp片段，經NCBI網站Blastx比對證實它是PEPCK同源序列。

1.4?刀鱭PEPCK基因5′、3′ RACE擴增試驗

根據測得的刀鱭PEPCK中間段序列，設計5′-RACE與3′-RACE特異性引物P3～P6（表1）。使用RACE方法擴增刀鱭PEPCK基因的5′端與3′端序列。回收目的片段，將其連接至pMD18-T 載體（TaKaRa，日本）并轉入E.coli DH5α 感受態細胞（TaKaRa，日本）內測序。然后，使用ContigExpress軟件將保守區序列、5′端序列以及3′端序列進行拼接，得到刀鱭PEPCK全長cDNA序列。

1.5?PEPCK核酸及推導的氨基酸序列分析

使用SMS序列在線處理工具包（http：//www.bio-soft.net/sms/index.html）將LPL與PEPCK的cDNA序列分別翻譯為氨基酸序列，使用等電點與分子量在線預測軟件（http：//isoelectric.ovh.org/）進行分析，用SOPMA在線工具（http：//nhjy.hzau.edu.cn/kech/swxxx/jakj/dianzi/Bioinf7/Expasy/Expasy8.html）分析推導的氨基酸序列二級結構，使用TMPRED在線軟件（http：//www.expasy.org/tools/protscale.html）分析跨膜結構，使用PROSITE在線工具（http：//au.expasy.org/prosite/）分析功能域，使用DNAstar軟件中的MegAlign比對氨基酸序列同源性，使用Mega 5.0軟件采用鄰接法（neighbour?joining）構建相關物種的系統進化樹，相關物種及其PEPCK登錄號如下：大西洋鯡（C.haregus，XP_012692881.1）、花鱸（lateolabrax japonicus，ACN93989.1）、大黃魚（L.crocea，XP_019131039.1）、羅非魚（O.niloticus，XP_003448423.1）、大西洋鮭（S.salar，NP_001133921.1）、斑馬魚（D.rerio，NP_999916.1）、暗紋東方鲀（Takifugu fasciatus，XP_003973103.1）、大菱鲆（S.maximus，AGJ83085.1）、人類（H.sapiens，NP_002582.3）、小鼠（M.musculus，NP_035174.1）。

1.6?刀鱭PEPCK基因的組織表達分析

1.6.1?刀鱭PEPCK基因在各組織中的表達分析。

取對照組0 h時間點的刀鱭留存的各組織（包括鰓、腦、肝、脾、心、腎、肌肉等）開展實時熒光定量分析。根據已報道的β-actin序列，比對分析，設計刀鱭內參基因β-actin的特異引物P7和P8，根據獲得的刀鱭PEPCK全長序列設計特異引物P9、P10，用于擴增185 bp片段。引物序列見表1。在ABI7500（ABI，美國）上開展實時熒光定量PCR分析。PCR反應條件如下：95 ℃ 30 s;95 ℃ 5 s，60 ℃ 34 s，72 ℃ 50 s，40個循環。各平行組各取2尾刀鱭，每個樣品做3次重復，采用2-ΔΔCt 法計算PEPCK的mRNA相對表達量。使用SPSS 21.1統計軟件采用單因素分析法中的Ducans多重比較法進行分析，結果均以平均值±標準差表示，P<0.05表示差異顯著。

1.6.2?刀鱭PEPCK基因在饑餓作用下肝組織中的表達分析。

取對照組和試驗組各時間點（包括0、2、8、14、20、26、32 d）的刀鱭肝組織，各平行組各取2尾刀鱭，每個樣品做3次重復，試驗方法及數據分析方法同“1.6.1”。

1.7?刀鱭形態參數及血清指標的測定

對對照組和試驗組各時間點（包括0、2、8、14、20、26、32 d）采集的刀鱭，測量其體重、肝重和內臟重，對制備的血清測定皮質醇、血糖和溶菌酶含量。皮質醇（COR）采用放免法（RIA）進行測定，試劑盒購自北京北方生物技術研究所。血糖（GLU）用葡萄糖氧化酶一過氧化物酶終點比色法，試劑盒購自衛生部上海生物制品研究所，使用美國貝克曼Cx-4型自動生化分析儀測定。溶菌酶含量測定所用試劑盒購自南京建成生物工程研究所。數據分析方法同“1.6.1”。

2?結果與分析

2.1?刀鱭PEPCK的序列及結構分析

如圖1所示，通過RACE方法克隆獲得的刀鱭PEPCK全長cDNA序列（GenBank登錄號為KX345852）共2 394 bp，其中5′端UTR為201 bp，開放閱讀框為1 872 bp，3′端UTR長度為321 bp，編碼623個氨基酸（圖1）。理論等電點為5.46，蛋白分子量為68.6 ku。其中包含73個堿性氨基酸（精氨酸+賴氨酸+組氨酸）和72個酸性氨基酸（天冬氨酸+谷氨酸）。刀鱭PEPCK蛋白二級結構主要包括α-螺旋（30.98%）、延伸鏈（21.19%）、β-轉角（10.91%）以及隨機卷曲（36.92%）。如圖2所示，刀鱭PEPCK具有其特有的高度保守的與草酰乙酸結合結構域，還具有與三磷酸鳥苷及Mg2+結合的2個激酶基序結構。

2.2?刀鱭PEPCK的系統進化分析

使用Mega5.0軟件構建的系統進化樹（圖3）分析結果表明，水產動物與哺乳動物PEPCK各自聚為一類。其中，刀鱭與大西洋鯡同屬鯡形目，二者聚為一分支;花鱸與大黃魚的PEPCK序列具有較近的遺傳距離，二者聚為同一分支，而后依次與大菱鲆、羅非魚、暗紋東方鲀、大西洋鮭、刀鱭與大西洋鯡、斑馬魚聚類。

2.3?刀鱭PEPCK基因的組織表達分析

2.3.1?刀鱭PEPCK基因在各組織中的差異表達分析。

在對刀鱭8個組織中開展的PEPCK實時熒光定量分析結果表明，PEPCK在肝、腸、腦、心、腎組織中均有表達。其中，在肝組織中的表達量最高，其次為腎和腸組織，且三者顯著高于

其他組織，而其在腦中的表達量最低。PEPCK在各組織中的表達量從高到低依次為肝、腎、腸、心、腦（圖4）。

2.3.2?饑餓作用下刀鱭肝組織中PEPCK基因的表達分析。

從圖5可以看出，刀鱭肝組織中PEPCK表達水平在饑餓2 d后出現顯著上升（P>0.05），而在饑餓8 d后略有下降，但仍顯著高于饑餓前水平（P<0.05），至饑餓14 d后肝組織中PEPCK表達水平仍高于饑餓前水平（P>0.05），而在饑餓26～32 d肝中PEPCK表達水平出現顯著下調表達（P<005）。

2.4?饑餓對刀鱭形態指標及血清激素、免疫指標的影響

由表2可知，在饑餓期，刀鱭體重逐漸下降，但差異不顯著（P>0.05）。肝體比在饑餓26 d內有所下降，但差異不顯著（P>0.05），直至饑餓32 d后出現顯著下降（P<0.05）。血糖含量總體上也呈下降趨勢，在饑餓8 d血糖含量出現大幅度下降，但差異不顯著（P>0.05），此后有所回升，但在整個饑餓期間呈下降趨勢。血清皮質醇含量在饑餓8 d出現顯著升高（P<0.05），此后有所回落，至饑餓32 d仍高于對照組水平。血清溶菌酶含量直至饑餓應激持續26 d均無顯著變化（P>0.05），但應激32 d出現顯著降低。

3?討論

3.1?刀鱭PEPCK的序列、結構及進化分析

磷酸烯醇式丙酮酸羧基酶是糖異生過程中重要的限速酶，可催化草酰乙酸生成磷酸式丙酮酸。其具有保守的結構域，包括與草酰乙酸結合結構域以及與GTP結合的2個激酶基序[4，11-12]。該研究克隆所得刀鱭PEPCK序列具有上述保守結構，這也體現了PEPCK的結構保守性。通過與已報道的其他物種PEPCK序列構建系統進化樹進行進化分析，結果表明魚類與哺乳類分別聚為兩大分支。刀鱭PEPCK序列與同屬鯡形目的大西洋鯡具有最近的遺傳距離。PEPCK的聚類結果并不似LPL結果，由淡水魚和海水魚分別聚類，而是淡水魚與海水魚的PEPCK序列交錯聚類。但哺乳動物與水產動物的PEPCK最終分別聚群。總體來看，PEPCK的進化關系符合物種間的遺傳關系，在水產動物與哺乳動物間具有一定差異，但在淡水魚與海水魚間PEPCK序列進化關系并非似物種間進化差異那樣明顯。

3.2?饑餓作用下刀鱭PEPCK對魚體的調控作用

糖異生是指將一些非糖前體，包括乳酸、生糖氨基酸（如丙氨酸等）轉變為葡萄糖，以維持機體血糖恒定同時為機體提供能量所需。糖異生作用也是生物體在饑餓期間的關鍵供能方式，同時肝組織也是重要的糖異生場所，對于調節糖類代謝平衡發揮重要作用[15-17]。PEPCK可催化草酰乙酸生成磷酸烯醇式丙酮酸，而最終形成葡萄糖，是糖異生作用的關鍵限速酶，在調節機體能量代謝上發揮重要作用[1-2]。該研究中刀鱭肝組織中PEPCK表達水平在饑餓2～14 d均出現上調表達，饑餓20～32 d出現下降，即在饑餓期間PEPCK表達水平有升降變化，但這仍體現了肝中PEPCK在促進糖異生作用、增強機體供能上所發揮的積極調節作用。

3.3?饑餓作用對刀鱭形態、血清生化指標的影響

饑餓作用下，魚體通常首先動用糖類及脂類兩類機體主要能源物質，加速其分解代謝，為機體提供能量，抵消由饑餓對機體造成的能量不足，以維持機體各項生命活動順利進行[18]。肝臟是魚體代謝的主要器官，也是諸多能源物質貯存及轉化場所，對機體代謝調控發揮重要作用[19]。該研究中饑餓作用下刀鱭在饑餓26 d內均無顯著變化，直至32 d后才出現顯著下降，體現了饑餓期間在糖脂等能源物質代謝如此旺盛的情況下，仍努力維護這一組織的重要功能。血糖是重要能量供應者，因而恒定的血糖濃度對于維持魚體各組織各項生理活動的正常進行發揮著重要作用。該研究中血糖濃度在饑餓32 d內總體呈平穩狀態，僅在饑餓8 d時出現短暫顯著下降后，此后又出現回升，這也是在饑餓作用下魚體所采用的適應性調節方式。皮質醇是一種腎上腺皮質激素，對于生物體抵抗應激因子對機體的不利作用發揮著重要的調節作用，同時也是應激期的重要指示因子[20]。該研究中在整個饑餓期間刀鱭血清皮質醇水平出現了顯著升高，這與錢云霞等[18]對鱸魚開展的饑餓研究結果相一致，體現了皮質醇在抗饑餓脅迫中所發揮的積極調節作用。溶菌酶是一種重要的非特異性防御因子，也是魚體生理防御水平的一個重要指示物[21]。該研究中溶菌酶水平在饑餓期間總體保持穩定水平，直至饑餓32 d才出現顯著下降，體現了饑餓期間刀鱭魚體免疫能力總體上保持穩定水平。

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