MrFoxl2-dsRNA對羅氏沼蝦卵巢中foxl2及生殖相關基因表達的影響

祝遠奎，陳鴻祿，魏怡飛，王衛民

(華中農業大學水產學院，動物遺傳育種與繁殖重點實驗室，武漢 430070)

羅氏沼蝦()，隸屬于節肢動物門(Arthropoda)十足目(Decapoda)長臂蝦科(Palaemonidae)沼蝦屬()，是一種經濟價值高的水產動物，其養殖區域廣泛分布于孟加拉國、中國、印度、緬甸、泰國和越南等亞洲國家。在全球蝦類養殖業中，羅氏沼蝦的養殖量已躋身前三。隨著羅氏沼蝦養殖量的持續增長，由性早熟引起的生長緩慢與抗逆性差等種質衰退現象逐漸出現，并成為羅氏沼蝦養殖過程中不可忽視的問題。因此，羅氏沼蝦的生殖調控研究在其產業發展中有重要意義。

卵巢是許多激素產生與分泌的主要場所和眾多激素受體的分布之處，如促性腺激素釋放激素樣肽、蛻皮激素受體與類視黃醇X受體，也是研究甲殼類動物生長和生殖相關基因的重要組織。許多研究表明，卵巢的發育受相關激素和基因的共同調控，包括促性腺激素釋放激素樣肽(-like peptides)、叉頭框家族L2基因(2,L2)、卵黃蛋白原基因(,)、組織蛋白酶L基因(,)、蛻皮類固醇受體基因(,)與一些類固醇合成相關基因，如類固醇生成酶基因(3,17)與細胞色素P450家族基因(111,17與191)。2基因屬于叉頭框(Forkhead box,FOX)家族，是卵巢分化、發育和維持等發育過程的轉錄調節因子。2對卵巢的功能具有維持作用，在敲除2基因后，用黃體酮處理小鼠()的產后子宮可導致小鼠不孕。在魚類2的研究中也取得了類似的結果，周運迪等在敲除青鳉()的2基因后發現青鳉的卵巢中出現了退化的卵母細胞，Yang等在敲除斑馬魚()的2基因后，發現斑馬魚卵巢的發育與卵子發生受到影響。此外2還與褐牙鲆()、施氏鱘()、烏鱧()等物種卵巢的發育有關。在克氏原螯蝦()與中華絨螯蟹()中的研究結果顯示，2僅在卵巢組織中高表達，并被認為可能參與了卵巢的發育。羅氏沼蝦作為重要的水產經濟物種，其卵巢發育研究意義重大，但關于羅氏沼蝦2的研究仍未見報道。

本研究主旨是探究與分析羅氏沼蝦2基因在卵巢發育過程中的功能。本研究比較分析了2(2)在性成熟前后羅氏沼蝦肝胰腺與卵巢中的表達量變化，運用RNA干擾技術沉默了2基因，確定了干擾2基因的最佳注射劑量，并比較了在不同的2-dsRNA注射劑量下生殖相關基因的表達量變化。本研究為羅氏沼蝦生殖調控研究提供了參考資料，同時也為羅氏沼蝦養殖與育種提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗動物

從華中農業大學水產養殖基地挑選健康、活力好的未性成熟羅氏沼蝦(體重約為1.55±0.08 g)10只，與性成熟[未產卵(體重約為3.50±0.07 g)與產卵一次(體重約為19.65±1.36 g)]羅氏沼蝦30只作為試驗動物，在300 L的養殖桶內暫養一周后開始試驗，水溫控制在(28±0.5)℃，每日投喂4次蝦用飼料，每三日更換1/3的水。

1.2 樣品采集、總RNA提取與反轉錄

分別采集未性成熟與性成熟的羅氏沼蝦的卵巢與肝胰腺并用于RNA提取。采用Trizol法提取樣品中的總RNA，RNA的濃度由Nanodrop 2000(Thermo Scientific,USA)測定，并使用瓊脂糖凝膠電泳評估所提取RNA的質量。反轉錄反應使用PrimeScriptRT reagent Kit with gDNA Eraser(TaKaRa Bio Inc.，大連)試劑盒，總RNA的用量為1 μg，實驗步驟按試劑盒說明書進行。反轉錄產物用滅菌水稀釋后保存于-20 ℃冰箱。

1.3 Mrfoxl2在性成熟前后羅氏沼蝦肝胰腺與卵巢中表達

挑選未性成熟與性成熟的雌性羅氏沼蝦各6只，分別摘取肝胰腺與卵巢組織，經RNA提取與反轉錄后用于熒光定量分析，2在性成熟前后羅氏沼蝦肝胰腺與卵巢中的表達量由Quanstudio 6 Flex儀器檢測與分析。根據GenBank中所收錄的2序列(GenBank accession No.MZ647492)，利用Primer3web version 4.1.0(http://bioinfo.ut.ee/primer3/)在編碼區設計了一對引物(F-qf1/R-qf1)用于熒光定量PCR(表1)，熒光定量PCR的程序為95 ℃ 30 s；95 ℃ 5 s，58 ℃ 30 s共 35 循環。每個樣品做三個重復，利用2方法計算三個重復的平均值。

表1 本研究中所用的引物序列

1.4 RNA干擾MrFoxl2后生殖相關基因的表達量變化

1.4.1 dsRNA模板的制備

利用在線軟件http://www.flyrnai.org/snapdragon在編碼區內設計了一對引物(F-ds-f1/R-ds-f1)用于dsRNA的制備(表1)，從卵巢組織中提取總RNA并反轉錄成cDNA，使用F-ds-f1/R-ds-f1作為引物，以卵巢cDNA為模板進行PCR擴增，所得的PCR產物使用瓊脂糖凝膠電泳進行評估，PCR反應程序為95 ℃ 5 min；95 ℃ 30 s，67 ℃ 30 s，72 ℃ 60 s，共 35 循環；72 ℃ 10 min。將符合預期的PCR產物切膠回收，DNA片段的回收與純化使用MiniBEST Agarose Gel DNA Extraction Kit Ver.4.0試劑盒，經純化后的產物保存于-20 ℃。

1.4.2 dsRNA的合成

以純化后的PCR產物為模板，用F-ds-f1/R-ds-f1引物進行PCR擴增，PCR反應程序為94 ℃ 5 min；94 ℃ 30 s，67 ℃ 45 s，72 ℃ 2 min，共36 循環；72 ℃ 10 min。所獲得的PCR產物經瓊脂糖凝膠電泳評估后進行切膠回收，利用HiScribeT7 High Yield RNA Synthesis Kit(NEB，USA)試劑盒，以切膠回收后的產物為模板合成2-dsRNA，所得產物由Nanodrop 2000(Thermo Scientific,USA)測定2-dsRNA濃度，并由瓊脂糖凝膠電泳評估其質量與完整性。最后用MonarchRNA Cleanup Kit試劑盒對2-dsRNA進行純化，用無酶水稀釋純化后的dsRNA并保存在-80 ℃。

1.4.3 dsRNA的注射

挑選16只卵巢發育正常且性成熟的羅氏沼蝦[體重為(3.50±0.15)g]用于RNA干擾試驗，分為1個對照組與3個處理組，每組包含4只雌蝦，對照組與處理組的雌蝦均在相同條件下飼養。對照組的雌蝦注射無酶水，三個處理組的雌蝦注射dsRNA的劑量分別為0.5、1與2 μg/g，注射部位均為第二腹節，注射24 h后采集所有雌蝦的卵巢組織并迅速放入-80 ℃保存，RNA干擾2后卵巢中2、、與的表達量變化由Quanstudio 6 Flex儀器檢測與分析,所用引物見表1。

1.5 統計學分析

所有實驗數據的統計學分析由SPSS 19.0(SPSS Inc.,Chicago,IL,USA)軟件完成，<0.05被認為有顯著性差異，利用GraphPad Prism 8(GraphPad Software,California,USA)軟件繪制熒光定量分析結果圖。

2 結果與分析

2.1 性成熟前后MrFoxl2在肝胰腺與卵巢中的表達

2在羅氏沼蝦性成熟前后卵巢中的表達量均顯著高于肝胰腺，在未性成熟的羅氏沼蝦卵巢中2的表達量為肝胰腺的3.8倍，在性成熟的羅氏沼蝦卵巢中2的表達量為肝胰腺的9.5倍。2的表達量在性成熟前后羅氏沼蝦肝胰腺中無顯著差異，而性成熟后羅氏沼蝦卵巢中2的表達量明顯高于性成熟前(圖1)。

圖1 性成熟前后MrFoxl2在肝胰腺與卵巢中的表達

2.2 MrFoxl2-dsRNA的干擾效果驗證和最適劑量探究

熒光定量PCR結果顯示，在注射2-dsRNA干擾2基因后，2的表達量顯著下降，由圖2可知，注射不同劑量的2_dsRNA對2基因產生了不同的干擾效果，注射2_dsRNA的劑量為1 μg/g時對2基因的干擾效果最佳，隨著注射劑量增加至2 μg/g，2_dsRNA對2基因的干擾效果反而減弱。

圖2 不同MrFoxl2-dsRNA注射劑量下卵巢中MrFoxl2的表達

2.3 MrFoxl2沉默后生殖相關基因表達量的變化

在2沉默后，生殖相關基因與的表達量顯著降低，而生殖相關基因的表達量顯著提高(圖3)。在注射2-dsRNA的劑量為0.5 μg/g時，與基因的表達量下降至最低，在注射劑量為1 μg/g時，2基因的表達量下降至最低，而與基因的表達量并未繼續降低。在2沉默后，隨著注射劑量從0.5 μg/g增加至1 μg/g時，基因的表達量繼續升高。

圖3 MrFoxl2沉默后生殖相關基因(VG、EcR and CatL)的表達

3 討論

由于羅氏沼蝦()的產卵周期較長，并且在人工圈養下的自然產卵相對不集中，致使育苗成本增加。眼柄消融是過去實現促進卵巢成熟的常用技術之一，但該方法造成的損傷導致了雌蝦在眼柄摘除后存活率降低。因此，相比摘除整個器官，通過操控相關基因的表達調控卵巢發育似乎是一種更好的方法。

性成熟是生物發育過程中的重要節點，在性成熟前后生殖相關基因的表達水平會出現顯著變化，方之平等發現性成熟后黃顙魚()與鲇()卵巢中的(-)和(-)的表達量明顯高于性成熟前，VON等發現在性成熟前后大西洋鱈()垂體中的1、2、()與(-)等基因的表達量有顯著性變化。本研究對比分析了羅氏沼蝦性成熟前后肝胰腺與卵巢中2的表達，發現性成熟后羅氏沼蝦卵巢中2的表達量明顯高于性成熟前，這顯示2與羅氏沼蝦的生殖活動關系密切。此外，性成熟前后2在卵巢中的表達量均顯著高于肝胰腺，這與2基因在克氏原螯蝦卵巢與肝胰腺中的表達模式類似。

2在一些哺乳動物和魚類的卵巢發育中發揮了重要功能，但在甲殼動物中，2基因所發揮的作用仍然未知。RNA干擾是研究基因功能的重要手段，通過注射dsRNA研究基因功能在甲殼動物中已有諸多報道。本研究使用了不同劑量的2-dsRNA敲降2基因，發現1 μg/g的注射劑量對2基因的敲降效果最佳，并且2基因的敲降水平與2-dsRNA的注射劑量并未呈完全正相關，這與VENTURA等干擾(insulin-like androgenic gland)基因的研究結果類似。性腺的成熟依賴于卵母細胞中卵黃蛋白原的快速合成與積累，持續敲降基因會顯著延遲卵巢的成熟。本研究通過注射2-dsRNA顯著降低了2的表達水平，并且發現基因的表達水平隨著2被敲降而顯著降低，這表明2可能通過調控基因的表達從而參與卵巢的成熟過程，類似的結果在中華絨螯蟹中已被報道。在甲殼類動物中，卵巢中的表達量在卵巢成熟前達到頂峰，基因被認為介導了蛻皮類固醇刺激卵巢發育。本研究中RNA干擾2基因造成基因表達量的顯著下降，這佐證了2可能參與卵巢成熟過程的推論。此外，隨著注射劑量從0.5 μg/g增加至1 μg/g，2基因的表達量進一步降低，而與基因的表達量反而相對上升，推測可能存在一些基因對與進行正調控，并與2基因協同參與卵巢成熟過程。CatL是卵黃的水解酶，在昆蟲與魚類的卵巢發育中起著核心作用。當注射劑量為0.5 μg/g與1 μg/g時，基因的表達量顯著下降，卵黃蛋白原的合成可能受到抑制，基因表達量的顯著上升可能與機體保障卵巢發育有關，與基因表達量的負相關在Zhu等對日本沼蝦()基因的研究中已被報道。在脊椎動物中的研究表明2可能與-1(-1)相互作用，共同調節細胞色素P450酶的轉錄并參與卵黃蛋白原的合成，根據本研究的結果推測，在甲殼類動物中2基因可能通過調控基因的表達從而影響卵黃蛋白原的合成。甲殼動物卵巢成熟的調節機制仍需更多的研究進行探索和發現。

綜上所述，2在卵巢組織中高表達，并且性成熟后2在卵巢中的表達較性成熟前顯著上升。RNA干擾2基因造成與基因的表達量顯著下降，基因的表達量顯著上升，這表明2可能在羅氏沼蝦卵巢成熟過程中發揮了重要作用。