組氨酸及組胺對翹嘴鱖攝食調控的影響

朱強勝，何珊，梁旭方，陳珂，鄒家明

華中農(nóng)業(yè)大學水產(chǎn)學院/華中農(nóng)業(yè)大學鱖魚研究中心/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部鱖魚育種創(chuàng)新基地/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部淡水生物繁育重點實驗室，武漢430070

翹嘴鱖(Sinipercachuatsi)，隸屬鱸形目(Perciformes)、真鱸科(Percichthyidae)，是我國特有的淡水魚珍品。其食性奇特，終生以活魚蝦為食，在經(jīng)過長期馴化后才可接受人工飼料[1]。而近年來由于餌料魚供應困難，翹嘴鱖人工飼料的研究就顯得尤為重要[2]。組氨酸已經(jīng)被證實是維持水產(chǎn)動物機體生命活動的必需氨基酸，由于機體自身不能夠合成，必須通過攝食獲取[3]。對哺乳動物的研究發(fā)現(xiàn)，組氨酸過量或不足可顯著降低動物的食物攝入量，這種抑制作用可能是通過激活組胺神經(jīng)元來實現(xiàn)的[4]，而在魚類中，關于組氨酸的研究主要集中在其營養(yǎng)需求量的確定上[5-7]，對于組氨酸影響魚類攝食調控機制還知之甚少。此外，動物機體在感應氨基酸過程中涉及兩個重要信號通路，即哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammals target of rapamycin,mTOR)信號通路和一般氨基酸調控阻遏蛋白2(general amino acid control non-derepressible 2,GCN2)信號通路[8]，這兩個信號通路可能參與動物的攝食調控[8-9]，也有研究進一步表明下丘腦中的mTOR信號與能量攝入的調節(jié)直接相關[10]。筆者在前人研究[11-12]的基礎上，進一步探討組氨酸對翹嘴鱖攝食調控的影響，以期完善必需氨基酸對翹嘴鱖攝食調控的機制研究，并為翹嘴鱖人工飼料的開發(fā)和利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

1)試驗動物。試驗用翹嘴鱖(38～42 g)由華中農(nóng)業(yè)大學鱖魚研究中心提供。試驗開始前先將翹嘴鱖轉移到循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)內暫養(yǎng)1周，單缸單尾，每缸(40 cm×50 cm×40 cm)放置1尾翹嘴鱖，水溫維持在(24±1) ℃，保持12 h光照與12 h黑暗交替循環(huán)周期，pH 7.0～7.5，溶氧為7.5～8.5 mg/L，每天08:00和18:00用(0.35±0.05) g麥瑞加拉鯪飽食投喂。

2)主要試劑。L-組氨酸(晶體氨基酸)、組胺(美國Sigma公司)；10 μL不銹鋼微量注射器(上海高鴿公司)； L-15培養(yǎng)液(Genom生物公司)；胎牛血清 (fatal bovine serun,FBS)、含0.25% EDTA的胰蛋白酶、I型膠原酶(Gibco公司)；DPBS、兩性霉素B、硫酸慶大霉素、青鏈霉素雙抗(HyClone公司)。

1.2 分組及處理

1)活體處理。翹嘴鱖暫養(yǎng)結束后挑選規(guī)格均一的個體隨機分成3組，每組設10個平行，每缸(40 cm×50 cm×40 cm)放置1尾翹嘴鱖。在正式試驗開始前，將試驗用魚進行24 h饑餓處理。試驗時用MS-222將翹嘴鱖麻醉，稱質量，然后用10 μL量程的微量注射器于腦室注射藥品，注射劑量的選擇參照文獻[12-13]，對照組注射4 μL的磷酸鹽緩沖液(PBS)，2個試驗組分別注射20 μg的組氨酸和組胺(均用PBS溶解為4 μL)。注射時輕輕將微量注射器針頭從翹嘴鱖的額骨和頂骨的中部連接處插入，將藥物緩慢注入到腦室內，注畢留針1 min以防藥液外溢。注射完成后，將翹嘴鱖放入曝氣的清水中，待其恢復活力后立即轉入到試驗缸內，每缸投喂20尾麥瑞加拉鯪，通過定點計數(shù)每缸內1、4、8、12、24 h剩余的餌料魚數(shù)量，統(tǒng)計每個時間段翹嘴鱖攝食餌料魚的數(shù)量，用攝食餌料魚的質量與翹嘴鱖質量的比值來計算出單尾翹嘴鱖在注射不同組試劑1、4、8、12、24 h時的累積攝食量。計算公式如下：攝食量=(初始的食物質量-剩余的食物質量)×相關因子[14]。 在腦室注射12 h后，每組隨機取6尾翹嘴鱖進行麻醉，解剖取腦組織，經(jīng)液氮冷凍后，保存于-80 ℃超低溫冰箱，用于后期分子生物學指標的檢測。

2)細胞處理。參照文獻[15],取狀態(tài)活潑的翹嘴鱖，經(jīng)75%的乙醇浸泡消毒，用紗布擦除體表黏液，在超凈工作臺剖取鱖腦組織于DPBS中清洗，用剪刀鑷子去除多余的組織，然后將腦組織放入盛有AIM液的培養(yǎng)皿內浸泡消毒1.5 h；吸掉培養(yǎng)皿中多余AIM液，用剪刀將腦組織剪成1 mm3大小的組織塊，將組織塊轉移到盛有膠原酶消化液的離心管中于28 ℃培養(yǎng)箱中消化2 h；加入L-15培養(yǎng)液輕輕吹打得到腦細胞，1 000 r/min室溫離心5 min后棄上清，隨后再用L-15培養(yǎng)液漂洗2次(1 000 r/min，室溫離心5 min)，最后將收集的鱖腦細胞加入原代培養(yǎng)液重懸后接種到細胞培養(yǎng)瓶，于28 ℃無CO2培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，第4天更換原代培養(yǎng)液1次。在顯微鏡下觀察腦細胞的生長情況。在鱖腦原代細胞分離至第三代之后，即可進行試驗。本試驗所采用的鱖腦細胞已經(jīng)Neu-N和β-tubulin免疫熒光細胞化學技術鑒定純度[15]。在正式試驗開始前，將腦細胞擴大培養(yǎng)，鋪板至6孔板中，每個孔盛放2.0 mL培養(yǎng)液。待細胞長滿后使用無添加試劑的L-15培養(yǎng)基對細胞進行饑餓處理18 h，再添加不同濃度的組氨酸和組胺，分別為0、1.0、2.0和3.0 mmol/L 4個濃度梯度，刺激30 min后收集細胞蛋白，刺激24 h后收集細胞RNA，于-80 ℃超低溫冰箱保存，用于后期分子生物學指標的檢測。本研究所選的刺激濃度是基于前人的研究[16]。

1.3 相關基因的表達水平檢測

利用TRIzol Reagent試劑(TaKaRa,日本)提取鱖腦組織和原代腦細胞的總RNA，再用HiScript II Q RT SuperMix for qPCR逆轉錄試劑盒(諾唯贊，南京)進行反轉錄得到cDNA。采用實時熒光定量 RT-PCR 方法測定鱖腦中雷帕霉素靶蛋白(Target of rapamycin,tor)、轉錄起始因子 4(Activating transcription factor 4,atf4)、神經(jīng)肽 Y(neuropeptideY,npy)、刺鼠相關蛋白(agouti-related protein,agrp)和一般氨基酸調控阻遏蛋白2(general amino acid control non-derepressible2,gcn2)基因的 mRNA 表達水平。反應體系(20 μL)：10 μL SYBR Green Supermix，上下游引物分別為0.4 μL，1 μL cDNA模板，ddH2O 8.2 μL。反應程序：95 ℃，5 min；95 ℃，10 s；退火30 s(退火溫度見表1)，延伸30 s，共39個循環(huán)。每經(jīng)過1個循環(huán)，收集1次熒光強度信號，最后選用從翹嘴鱖中篩選出來的內源性的看家基因rpl13a來校正模板量，使用2-△△Ct法計算各基因的相對表達量，每個樣品重復3次。本試驗所用到的熒光定量引物均采用Primer5.0軟件進行設計，并由生工生物工程(上海)股份有限公司合成，引物序列見表1。

表1 實時熒光定量PCR引物信息 Table 1 Primer sequences used for the real-time PCR analysis

1.4 Western blot分析

吸掉6孔板中的培養(yǎng)基，用提前預冷的DPBS洗滌1次，每孔加入50 μL的蛋白裂解液(RIPA，碧云天生物技術有限公司)，裂解液中加入1%的蛋白酶抑制劑(PMSF)。用細胞刮將6孔板中的細胞收集在1.5 mL的離心管中，冰上靜置20 min，每隔5 min上下顛倒混勻1次。8 000 r/min 4 ℃離心20 min后，棄沉淀，留上清液，即得鱖腦細胞蛋白樣，于-80 ℃超低溫冰箱保存?zhèn)溆谩５鞍诐舛鹊臏y定采用BCA試劑盒(碧云天生物技術有限公司)。蛋白變性時加入2×SDS蛋白上樣緩沖液，99 ℃煮沸5 min，以充分變性蛋白質，冷卻后-20 ℃保存。配制聚丙烯酰胺凝膠(濃縮膠10%)，蛋白樣上樣量為20 μg，蛋白樣于濃縮膠中以80 V電壓電泳35 min，于分離膠中以200 V電壓電泳45 min。轉膜在冰上操作，恒流200 mA 電泳120 min，轉膜后，將膜放在含5%脫脂奶粉的封閉液中室溫封閉4 h后，用1×TBST洗膜3次，每次5 min。一抗：內參抗體β-actin(博奧森，北京)的稀釋比例為1∶2 000，目的抗體p-S6(CST，美國)的稀釋比例為1∶800，4 ℃旋轉孵育過夜后，洗膜3次，每次5 min；二抗：羊抗兔(Licor，美國)的稀釋比例為1∶2 000，室溫旋轉孵育1 h后，洗膜4次，每次8 min。用凝膠成像系統(tǒng)(LiCor Odyssey，美國)對膜進行顯影檢測，用Image J軟件對條帶進行灰度值分析。

1.5 數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計分析

試驗所有數(shù)據(jù)使用SPSS 19.0軟件進行統(tǒng)計學分析，兩組數(shù)據(jù)之間的比較采用獨立樣本t檢驗。多組數(shù)據(jù)之間采用單因素方差分析(ANOVA)，差異顯著后進行Duncan’s多重比較。數(shù)據(jù)均采用“平均值±標準誤”表示，P<0.05為差異顯著。

2 結果與分析

2.1 組氨酸和組胺對翹嘴鱖攝食量的影響

腦室內分別注射20 μg組氨酸和組胺后，翹嘴鱖的累積攝食量如圖1所示。與對照組相比，注射組氨酸和組胺1、4、8 h后并沒有引起翹嘴鱖的攝食量的變化(P>0.05)，但在12 h 后注射組氨酸組和組胺組翹嘴鱖的攝食量顯著降低(P<0.05)，這種抑制作用在注射24 h后會消失(P>0.05)。

不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。Different little letter above the bars indicated significant difference (P<0.05).

2.2 腦室注射組氨酸和組胺對促食欲相關基因表達的影響

腦室注射組氨酸和組胺12 h后，促食欲相關基因表達結果如圖2所示。腦室注射組氨酸和組胺均可引起促食欲因子npymRNA表達水平顯著性降低(P<0.05)，同時促食欲因子agrpmRNA表達水平有下降的趨勢但無顯著性差異(P>0.05)。

2.3 不同濃度的組氨酸和組胺處理對鱖腦細胞促食欲基因表達的影響

用不同濃度(0、1.0、2.0和3.0 mmol/L) 的組氨酸和組胺分別處理鱖腦原代細胞24 h后，促食欲基因npy和agrpmRNA的表達情況如圖3所示。結果發(fā)現(xiàn)隨著組氨酸濃度的升高，npymRNA的表達量有所降低(P<0.05)(圖3A)，同時agrpmRNA的表達在1.0和3.0 mmol/L組氨酸的刺激下顯著性降低(P<0.05)(圖3B)。此外，不同濃度的組胺刺激鱖腦原代細胞并不會引起npy和agrpmRNA的表達變化(P>0.05)(圖3C、D)。

星號表示差異顯著。表4同。*indicated significant difference (P<0.05).The same as Fig.4.

條形上方標記不同字母表明存在顯著差異(P<0.05)。Data with different letters above the bars indicated significant difference (P<0.05).

2.4 組氨酸對翹嘴鱖GCN2和mTOR信號通路的影響

腦室注射組氨酸后鱖腦GCN2和mTOR信號通路的表達情況如圖4所示。與對照組相比，腦室注射組氨酸可引起翹嘴鱖GCN2信號通路關鍵基因gcn2和atf4 mRNA表達水平顯著性降低(P<0.05)，但對mTOR信號通路關鍵因子tormRNA表達水平無顯著性變化(P>0.05)。以濃度為2.0 mmol/L的組氨酸處理鱖腦細胞30 min后，Western-blot檢測mTOR信號通路下游關鍵蛋白p-S6的表達情況見圖5。結果發(fā)現(xiàn),與對照組相比，組氨酸處理并沒有引起p-S6的表達變化(P>0.05)。

圖4 腦室注射組氨酸后鱖腦GCN2和mTOR信號通路的變化情況

圖5 組氨酸處理鱖腦細胞后mTOR信號通路的變化情況

3 討 論

食物中的氨基酸含量不足或過量以及氨基酸失衡均會使動物食物攝入量受到抑制[17]。同時，某些氨基酸與神經(jīng)遞質合成之間存在著某種關系，如色氨酸、酪氨酸和組氨酸分別控制5-羥色胺、兒茶酚胺和組胺的合成[18]。而且有研究發(fā)現(xiàn)，腹腔注射5-羥色胺能抑制魚類攝食[19]。本研究結果顯示組氨酸和組胺對翹嘴鱖的攝食有顯著影響。ICV注射20 μg的組氨酸和組胺在12 h后均可顯著降低翹嘴鱖的食物攝入量 (P<0.05)，這表明一定劑量的組氨酸和組胺對翹嘴鱖具有抑制食物攝入的作用。對哺乳動物的研究也證實大腦中組氨酸和組胺的變化與食物攝入的調節(jié)有關，例如在貓腦室內注射組胺會抑制貓進食[20]；小鼠腹腔注射組氨酸可抑制食物攝入且與大腦中組氨酸和組胺含量的升高有關[4]；而腹腔內給予組氨酸后，大鼠腦中的組胺會增加[21]。也有研究發(fā)現(xiàn)下丘腦中存在將組氨酸轉化為組胺的組氨酸脫羧酶[22]。這些結果表明，哺乳動物中組氨酸可能通過激活組胺神經(jīng)元抑制食物攝入。因此，我們推測ICV注射組氨酸可能通過激活鱖腦組胺神經(jīng)元來抑制攝食。

魚類的攝食活動是由中樞攝食和外周飽食系統(tǒng)共同調節(jié)的，而這種調節(jié)作用是通過促食欲因子和抑食欲因子來調控的，為了探究組氨酸和組胺對翹嘴鱖攝食產(chǎn)生影響的作用機制，本研究還測定了促食欲相關基因npy和agrpmRNA的表達水平。近年來，關于NPY和AGRP在魚類的攝食調控中發(fā)揮重要作用的研究越來越多，例如腦室注射NPY可增加金魚的攝食量[23]，腹腔注射NPY可促進尼羅羅非魚攝食量的增加[24],這一研究在草魚中也得到相同的結果[25]。同樣AgRP也被證明是一種與NPY相互配合的促進食欲的調節(jié)因子，在魚類中能發(fā)揮促進攝食的效果[26]。本研究結果顯示腦室注射組氨酸和組胺12 h后可顯著性降低鱖腦npymRNA的表達，該結果與在哺乳動物研究中發(fā)現(xiàn)組氨酸可有效降低大鼠海馬區(qū)神經(jīng)肽 Y 表達結果[27]基本一致。這表明組氨酸和組胺可能通過抑制促食欲NPY神經(jīng)元的表達來抑制翹嘴鱖的食物攝入。同時，本研究還采用胰酶消化法分離鱖腦原代細胞，用不同濃度的組氨酸和組胺處理翹嘴鱖原代腦細胞，進一步在細胞水平上探究組氨酸和組胺與促食欲因子NPY和AGRP的關系。研究結果表明，組氨酸處理可下調鱖腦細胞促食欲基因npy和agrpmRNA 的表達，進而驗證了在活體水平上組氨酸可抑制促食欲因子npymRNA的表達，影響翹嘴鱖的食物攝入。有證據(jù)表明，膳食中氨基酸不僅是蛋白質合成的底物，而且在控制基因表達中也起著重要的作用[28-29]。有趣的是，我們用相同濃度梯度的組胺處理鱖腦原代腦細胞，發(fā)現(xiàn)組胺并沒有引起npy和agrpmRNA的表達變化，這可能是組胺處理的濃度和發(fā)揮作用的時間與組氨酸不同所導致的差異。

越來越多的研究證實，mTOR和GCN2信號通路在動物機體感應氨基酸的過程中發(fā)揮重要作用。GCN2信號通路主要是在動物機體缺乏氨基酸時通過增加氨基酸來源的同時減少氨基酸的去路來維持動物機體內的氨基酸處于一種相對平衡的狀態(tài)[9]。而mTOR信號通路則是在動物機體攝入氨基酸充足條件下，主要通過增加氨基酸的消耗方式來維持機體內氨基酸的平衡[10]。本研究結果顯示：ICV注射組氨酸可抑制鱖腦GCN2信號通路，這與之前的研究結果不一致。氨基酸缺乏誘導激活的GCN2路徑可激活多巴胺神經(jīng)元中ATF4，通過與γ-氨基丁酸受體1亞基(GABA(B)R1)直接互作，使得γ-氨基丁酸(GABA)信號通路抑制，同時促進多巴胺的釋放，從而抑制攝食[30]。因此，我們推測，可能因為對照組注射磷酸鹽緩沖溶液后使得鱖腦中氨基酸處于缺乏狀態(tài)，在注射組氨酸后，這種缺乏狀態(tài)得到補償，進而抑制了鱖腦GCN2信號通路。有趣的是，ICV注射組氨酸可抑制攝食，但并沒有激活鱖腦mTOR信號通路,在細胞水平上也得到類似的結果。這與對虹鱒的研究結果不一致，在虹鱒腦室內注射亮氨酸可以激活下丘腦的mTOR信號通路，抑制虹鱒攝食[12]，這可能是氨基酸的種類不同所造成的差異。

綜上所述，組氨酸和組胺均可抑制翹嘴鱖的食物攝入。本研究結果表明一定劑量的組氨酸和組胺可通過下調促食欲因子表達來抑制翹嘴鱖的食物攝入量。本研究結果為探索翹嘴鱖攝食調控機制提供了一定的科學依據(jù)。