畢 歡,覃 海,袁 巍,張雨丹,張依裕,,陳 偉*
(1.高原山地動物遺傳育種與繁殖教育部重點實驗室,貴陽 550025;2.貴州省動物遺傳育種與繁殖重點實驗室,貴陽 550025;3.貴州大學動物科學學院,貴陽 550025)
香豬是一種原始小型豬種,經濟早熟,肉嫩味鮮,皮薄骨細,是加工高檔豬肉產品的優質原料;香豬耐粗飼,抗病力強,對氣候變化具有較強的適應性,是抗病育種的良好素材;小型豬的生理值與人類相似,是一種理想的實驗動物。毛色作為香豬重要的表型特征之一,它在確定品種純度、親緣關系和雜交組合以及評價產品質量等方面均有很強的參考價值。隨著豬雜種優勢的廣泛應用,為使商品豬具有理想的毛色,親本的毛色也成為一個需要認真考慮的性狀[1]。因此,揭示豬毛色的遺傳機制及其影響毛色的相關基因的遺傳規律,對于豬的育種具有重要意義。
豬毛色的形成機制較復雜,是由一系列與黑色素的形成與種類有關的生理、生化反應決定的[2-6]。動物體內的黑色素主要有兩種:真黑素和褐黑素,真黑素主要形成黑、褐兩種毛色,褐黑素主要形成紅色和黃色的毛發[7]。哺乳動物的毛色是由多個基因決定的,這些基因影響著黑色素的生成或黑素細胞的生成、增殖和遷移,如MC1R、TYR家族(TYR、TYRP1、TYRP2)、KIT和MITF等基因可以調節黑色素的沉積而決定動物毛發的顏色。黑色素細胞又稱黑素細胞(melanocyte cell, MC),是合成黑色素的細胞,起源于胚胎神經嵴細胞,主要分布于哺乳動物皮膚(表皮基底層)、毛發基質、黏膜和中樞神經系統(軟腦膜)、眼睛(視網膜色素上皮、葡萄膜束)、耳朵(血管紋)中[8]。黑色素生成是一種酶的級聯調控,由酪氨酸酶(tyrosinase,TYR)、酪氨酸相關蛋白酶1(tyrosinase-related protein 1,TYRP1)和酪氨酸酶相關蛋白2(tyrosinase-related protein 2,TYRP2)共同調控[9]。TYRP1是黑色素生成過程中的關鍵酶,哺乳動物皮膚色素的沉著程度取決于它的催化活性[10-11]。Dell′angelica[12]研究發現,TYRP1基因在人黑色皮膚黑素細胞中的表達明顯高于白色皮膚。Manga等[13]發現,TYRP1基因突變會引起南非人種產生白化病。Cargill等[14]研究表明,TYRP1基因可能與犬白色背部皮膚上的黑色和褐色斑點的形成有關。覃海等[15]發現,TYRP1基因在劍白香豬黑色被毛皮膚中的表達量顯著高于白色被毛皮膚。TYRP1是影響黑色素生成的重要候選基因之一,通過對黑色素生成相關基因的表達調控以及在體內表達產物間相互作用從而調控黑色素的生成。
本研究以香豬表皮黑素細胞為模型,探究敲降TYRP1基因后對香豬表皮黑素細胞TYR基因家族mRNA和蛋白表達及黑色素生成的影響,為研究豬黑色素生成調控機制和毛色相關性狀的選育提供有關理論依據。
試驗動物為貴州大學香豬育種場的3月齡健康香豬3頭,具有頭部和尾部為黑色、其他部位均為白色被毛的“兩頭烏”外貌特征。用耳鉗和鉆孔器分別采集香豬耳朵和背部的皮膚組織,使用75%乙醇消毒后,用含雙抗的PBS沖洗3次后放入含雙抗的DMEM培養基中并置于冰盒,在2 h內帶回實驗室進行后續處理。
乙醇、二甲苯、石蠟、4%多聚甲醛(天津市科密歐化學試劑有限公司)、蘇木素-伊紅染色試劑盒(北京中杉金橋生物技術有限公司)、胎牛血清(FBS)、DMEM培養基(Gibco)、MelM培養基(ScienCell)、0.25% 胰蛋白酶-EDTA(Gibco)、青鏈霉素混合液(Solarbio)、DispaseⅡ(Gibco)、磷酸鹽緩沖液(PBS)、多巴(L-Dopa,Sigma)、逆轉錄試劑盒(CWBIO)、熒光定量試劑(MagicSYBR Mixture,CWBIO)、2×Taq MasterMix(CWBIO)、LipofectamineTM2000轉染試劑盒(Invitrogen)、SDS-PAGE凝膠制備試劑盒(CWBIO)、PVDF膜、脫脂奶粉、Tween-20(博士德)、蛋白彩虹Maker(Thermo)、甲醇、兔抗多克隆一抗:TYR、TYRP1、TYRP2和MITF (Abcam),兔抗 β-actin多克隆一抗(Abcam),山羊抗兔二抗(Abcam)等均購自卓一生物技術有限公司。超高速臺式冷凍離心機(Thermo SL40)購自德國Thermo Electron 公司,PCR 擴增儀(C1000 TouchTM)、實時熒光定量PCR儀(Bio Sens SC710)購自美國 BIO-RAD 公司,CO2細胞培養箱(SERIES II WATER JACKET)購自美國Thermo Scientific公司,倒置熒光顯微鏡(Nikon C-SHG1)購自日本NIKON尼康公司,酶標儀(Synergy Mx )購自美國伯騰公司,超凈工作臺(SW-CG-1F)購自蘇州凈化設備有限公司。
1.3.1 皮膚組織蘇木素-伊紅(HE)染色 將采集的皮膚組織放入4%多聚甲醛溶液中過夜固定,用解剖刀修成0.5 cm×0.5 cm的正方形進行脫水、透明。將皮膚組織包埋后修整蠟塊,用切片機從蠟塊上切下適當長度的蠟帶并展片,用載玻片將蠟片撈起置于烘箱中65 ℃烘烤過夜。HE染色前對片子進行脫蠟水化,按照蘇木素-伊紅(HE)染色試劑盒說明書進行染色。最后用中性樹脂進行封片,自然風干后用二甲苯將玻片上多余殘留的中性樹脂擦掉,再次風干后在顯微鏡下觀察。
1.3.2 香豬表皮黑素細胞培養 在超凈臺中用剪刀將耳組織多余毛發剪掉,去掉皮下脂肪,用75%乙醇和含1%雙抗的PBS交替清洗3次。將清洗好的皮膚剪小至2 mm×5 mm,放入盛有0.15%Dispase II酶消化液的離心管中,使消化液沒過皮膚組織,37 ℃培養箱中消化2~4 h,期間更換消化液一次。在超凈工作臺內取出新的培養皿,加入含雙抗的PBS溶液,依次洗滌皮膚組織,然后用鑷子輕輕將表皮與真皮分離,收集并剪碎表皮并放入15 mL離心管,加入0.25%胰蛋白酶-EDTA消化液使其沒過皮膚組織,置37 ℃水浴鍋中消化8~12 min,用倒置熒光顯微鏡觀察細胞消化情況。在消化液中迅速加入等量的含10%胎牛血清的培養基終止消化,200目篩網過濾后400目篩網再次過濾,然后將濾液轉移至15 mL離心管中,4 ℃ 1 000 r·min-1離心10 min。棄上清液,取適量 MelM培養基(含1%黑素細胞生長因子、10%胎牛血清、1%雙抗)加入離心管中,吹打混勻后形成細胞懸液。將細胞懸液放入培養瓶中,置37 ℃、含5% CO2培養箱中培養,72 h首次換液,之后每2~3 d換液1次,傳至4~5代時可獲得較純的黑素細胞。
1.3.3 香豬表皮黑素細胞生長曲線的測定 取處于對數生長期的第4代香豬表皮黑素細胞,將細胞濃度調整為4×104個·mL-1后按200 μL每孔接種于96孔板,置37 ℃、含5% CO2培養箱中培養。24 h后,每日在96孔板上隨機選取3個孔做MTT比色試驗,共10 d,剩余細胞每2 d換液1次。做MTT比色試驗時每個待測孔加入20 μL濃度為0.5%的MTT,培養4 h后吸棄液體,每孔加入100 μL DMSO,置于37 ℃細胞培養箱中孵育30 min,待細胞內結晶充分溶解后,在自動酶標儀490 nm波長下測得吸光度(OD)。以時間(d)為橫坐標,OD值為縱坐標,繪制細胞生長曲線。
1.3.4 香豬表皮黑素細胞的生物學鑒定
1.3.4.1 L-Dopa染色 取融合度達80%的第4代黑素細胞,棄去培養瓶中原有培養基,PBS清洗細胞3次后使用4%多聚甲醛固定30 min。固定完成后棄去固定液,PBS清洗3次,使用0.3% TritonX-100對細胞進行通透30 min。PBS對細胞沖洗3次后使用0.1% L-Dopa染色液對細胞進行染色,放入37 ℃培養箱孵育,2 h時更換染液,接著再孵育2 h。染色結束后PBS沖洗細胞,顯微鏡觀察,細胞胞漿內觀察到黑色或棕色的色素顆粒,說明該細胞為黑素細胞。
1.3.4.2 實時熒光定量PCR鑒定 黑素細胞內有特異基因表達,如:TYR、TYRP1、TYRP2、MITF、KIT等,運用實時熒光定量PCR技術檢測細胞中毛色相關基因的表達水平,以此來鑒定黑素細胞。取融合度達80%的第4代細胞,利用Trizol試劑盒提取細胞總RNA,并反轉錄cDNA。以RPS18作為內參基因,根據美國國立生物技術信息中心(NCBI)GenBank中公布的野豬(Susscrofa)序列,用Premier 5.0軟件設計引物,引物由北京擎科生物技術有限公司合成,序列見表1。

表1 引物序列信息
1.3.4.3 Western Blot鑒定 檢測細胞中毛色相關蛋白TYR、TYRP1、TYRP2和MITF的表達水平,以此來鑒定黑素細胞。將融合度達80%的第4代黑素細胞用PBS洗滌3次后使用蛋白裂解液分離提取香豬黑素細胞的總蛋白,并使用BCA法檢測蛋白濃度,調整蛋白濃度后100 ℃水浴鍋中水浴3 min使蛋白變性。按照SDS-PAGE凝膠試劑盒操作說明配膠,電泳使蛋白分離,每組設置3個重復。按照蛋白Marker說明切下含有目的蛋白的膠條,將目的蛋白轉移到PVDF膜上后使用含5%脫脂奶粉的TBST封閉3 h,然后與兔抗TYR、TYRP1、TYRP2和MITF及內參兔抗β-actin在4 ℃垂直搖床上孵育過夜。用TBST洗滌3次后,將膜與HRP標記的山羊抗兔抗體在37 ℃下孵育2 h。采用均勻涂抹超敏ELC發光液,采集圖像后膠片曝光。
1.3.5 小干擾RNA(siRNA-TYRP1)的合成 根據香豬TYRP1基因(GenBank No.:537161)全序列,由上海吉瑪生物科技有限公司合成5個siRNA序列,如表2所示。

表2 siRNAs片段詳細信息
1.3.6 細胞轉染 將培養瓶內的黑素細胞用胰酶消化后鋪至細胞6孔板中繼續培養,待細胞貼壁后更換培養基。在倒置熒光顯微鏡下觀察細胞,待細胞生長密度達80%時開始進行轉染,將5種小干擾 RNA和一組對照組(NC)轉染進細胞,每組處理設置3個重復。按照轉染試劑盒操作說明進行轉染。
1.3.7 實時熒光定量PCR檢測毛色相關基因表達 轉染48 h后,用Trizol法提取RNA并反轉錄為cDNA,運用實時熒光定量PCR技術檢測香豬黑色素細胞轉染TYRP1-siRNA后TYR、TYRP1和TYRP2基因在mRNA表達水平的變化。實時熒光定量PCR反應的引物序列見表1。
1.3.8 Western Blot檢測毛色相關蛋白表達 轉染48 h后提取黑素細胞總蛋白,調整蛋白濃度并變性后進行Western Blot試驗檢測TYR、TYRP1和TYRP2的蛋白表達水平,內參選用兔抗β-actin,每組設置3個重復。
1.3.9 黑素細胞中總黑色素含量的測定 轉染48 h后,PBS吹洗并消化計數。細胞懸液4 ℃,12 000 r·min-1離心10 min后棄上清,PBS清洗3次后再次離心,棄去PBS。在沉淀中加入300 μL的1 mol·L-1NaOH溶液,充分溶解后,80 ℃金屬浴裂解30 min。取溶解后的樣品,10 000 r·min-1離心10 min,取上清,設3個重復,酶標儀475 nm波長下測其OD值,記錄數據,分析計算黑色素含量的變化。
通過2-ΔΔCt法對實時熒光定量PCR數據進行計算分析。對獲得的目的蛋白圖像利用Image J軟件測定灰度值并進行半定量分析。Excel表格分析處理數據,數據用“Means±SD”表示,采用SPSS 19.0統計軟件進行單因素方差分析檢驗。單獨兩樣品之間利用t檢驗法檢測差異顯著性;*.P<0.05為差異顯著,**.P<0.01為差異極顯著;樣本重復數n=3,最后利用prism軟件繪圖。
對黑色和白色香豬皮膚進行橫切和縱切,經過HE染色觀察到香豬不同顏色被毛皮膚中黑素細胞的分布特征,并觀察到完整的毛囊結構。圖1顯示,黑素細胞主要分布在香豬黑色被毛皮膚中的毛囊外根鞘部位以及表皮,黑色素顆粒主要在皮膚表皮的基層、毛囊的毛干以及毛乳頭部位沉積,香豬白色被毛皮膚組織中并未觀察到黑色顆粒的沉積。

A、 D. 黑色和白色皮膚毛囊橫切圖(200×);B、E. 黑色和白色皮膚毛囊縱切圖(200×);C. 成熟的黑色毛發毛囊結構圖(100×);F. 成熟的黑色毛發毛囊的縱切結構圖(100×)。1. 黑色素顆粒;2.黑素細胞;3.毛乳頭;4.毛根;5.毛干A,D. The transverse sections of hair follicles of black and white colors (200×); B,E. The longitudinal map of hair follicles of black and white colors(200×); C. The structure of mature black hair follicles (100×); F. The longitudinal structure of mature black hair follicles (100×). 1. Melanin granules; 2. Melanocytes; 3. Hair papilla; 4. Hair root; 5. Hair shaft圖1 香豬不同顏色皮膚HE染色Fig.1 HE staining of skin with different colors of Xiang pigs
使用倒置顯微鏡對細胞形態進行觀察,原代培養2 h后,培養基中黑素細胞和角質形成細胞交叉分散,少部分細胞開始貼壁(圖2A);12 h后,基本貼壁完全,在角質形成細胞中散在分布橢圓形、三角形或兩極樹突狀細胞(圖2B);24 h后,大部分細胞胞體橢圓,含2個對稱樹突;少數細胞胞體呈多角形或不規則形,含2個或以上樹突(圖2C)。培養約10 d后可初次傳代,傳至第4代時,可分離出密度較大較純的香豬表皮黑素細胞(圖2D)。

A. 培養2 h的黑素細胞;B. 培養12 h的黑素細胞;C. 培養24 h的黑素細胞;D. 第4代黑素細胞。↑為黑素細胞A . The melanocytes cultured for 2 h;B. The melanocytes cultured for 12 h ;C. The melanocytes cultured for 24 h; D. The 4th generation melanocytes. ↑ showed the melanocytes圖2 體外培養的香豬表皮黑素細胞Fig.2 Cultured Xiang pig skin melanocytes in vitro
由圖3可知,第4代黑素細胞生長曲線呈“S”型,符合細胞生長規律。培養第1~3 天時細胞增殖緩慢,處于潛伏期;第4~8 天大量生長,進入對數生長期;第8天后生長開始減緩甚至停滯,進入平臺期。
2.4.1 L-Dopa染色 第4代原代表皮黑素細胞多巴染色呈陽性,細胞質及細胞核被染成棕黑色,細胞質內可見黑色色素顆粒(圖4)。

圖4 第4代香豬表皮黑素細胞多巴染色Fig.4 The Xiang pig skin melanocytes of passage 4 stained by L-Dopa
2.4.2 香豬表皮黑素細胞標志基因的實時熒光定量PCR檢測 對第4代香豬表皮黑素細胞進行TYR、TYRP1、TYRP2、MITF和KIT基因的實時熒光定量PCR檢測,結果顯示,第4代細胞中TYR、TYRP1、TYRP2、MITF和KIT基因均有表達(圖5)。說明香豬表皮黑素細胞系在第4代保持著特有的基因和生物學活性。

圖5 TYR、TYRP1、TYRP2、MITF和KIT 在香豬表皮黑素細胞中的表達Fig.5 Expression levels of TYR,TYRP1,TYRP2,MITF and KIT in Xiang pig epidermis melanocytes
2.4.3 Western Blot鑒定 對第4代香豬表皮黑素細胞中TYR、TYRP1、TYRP2和MITF的蛋白表達水平進行檢測,結果顯示,第4代細胞中TYR、TYRP1、TYRP2和MITF蛋白均有表達(圖6)。說明香豬表皮黑素細胞系在第4代保持著特有的蛋白和生物學活性。

圖6 香豬表皮黑素細胞中TYR、TYRP1、TYRP2和MITF蛋白的表達Fig.6 TYR,TYRP1,TYRP2 and MITF proteins expression in Xiang pig epidermis melanocytes
將TYRP1基因的5條siRNAs和對照組NC分別轉染香豬黑素細胞,培養細胞48 h后進行干擾效率檢測。結果表明,TYRP1基因的mRNA表達量較對照均顯著下降(P<0.01),其中 si-TYRP1-4干擾效率最高,達到76.99%(P<0.01)(圖7)。因此選擇si-TYRP1-4用于后續試驗。

圖7 黑素細胞中TYRP1基因的沉默效率檢測Fig.7 Detection of silencing efficiency of TYRP1 gene in melanocytes
實時熒光定量PCR結果顯示,與NC轉染組相比,si-TYRP1轉染組中TYR、TYRP1、TYRP2基因的mRNA相對表達水平均顯著下降(P<0.01,圖8)。

圖8 轉染TYRP1-siRNA后黑素細胞內TYR、TYRP1、TYRP2基因的表達Fig.8 Expression of TYR,TYRP1 and TYRP2 genes in melanocytes after transfection of TYRP1-siRNA
Western Blot結果顯示,與NC轉染組相比,si-TYRP1轉染組中TYR、TYRP1、TYRP2蛋白相對表達水平均顯著降低(P<0.01,圖9)。

圖9 轉染TYRP1-siRNA后黑色素細胞內TYR、TYRP1、TYRP2蛋白的表達Fig.9 Protein expression of TYR,TYRP1 and TYRP2 in melanocytes after transfection of TYRP1-siRNA
黑色素含量測定結果顯示,與NC轉染組相比,si-TYRP1轉染組的黑色素含量降低了24.78%(P<0.01,圖10)。說明敲降TYRP1基因可抑制黑色素的生成。

圖10 轉染TYRP1-siRNA后黑素細胞內黑色素含量的變化Fig.10 Changes of melanin content in melanocytes after transfection of TYRP1-siRNA
黑素細胞主要有3類,第一類分布在表皮中,很少增殖分化,主要功能為生成黑色素抵御紫外線的傷害;第二類是分布在毛囊中的黑素細胞,每個毛發生長周期中都會重復的增殖分化,不生成黑色素顆粒,主要是體內黑素細胞的來源;第三類是分布在毛球部位,這類黑素細胞不能增殖分化,但是能產生大量的黑色素顆粒,是由毛囊中的黑素細胞分化而來的[16]。高澤成等[17]研究發現,在牦牛皮膚中,黑色素顆粒主要分布在黑色被毛的毛干中,其次在毛乳頭、毛囊外根鞘、皮膚表皮基底層也有分布,黑素細胞主要分布在皮膚表皮、毛囊與毛囊周圍。謝光躍等[18]發現,在烏骨山羊中,黑色被毛毛囊外根鞘一周的黑色素細胞呈高度空泡狀, 周圍分布著大量黑色素顆粒,和周圍細胞區分明顯;而白色被毛毛囊外根鞘部位的黑色素細胞樹突不明顯,與周圍細胞很難以肉眼區分,周圍沒有明顯的黑色素顆粒。張建等[19]提到有色毛豬的毛根和毛囊中的成熟黑素細胞中充滿黑色素顆粒;而白毛豬的毛囊中沒有黑素細胞,且毛囊細胞較小。本研究結果顯示,黑素細胞主要分布在香豬黑色被毛皮膚中的毛囊外根鞘部位以及表皮。黑色素顆粒主要在皮膚表皮的基層,毛囊的毛干以及毛乳頭部位沉積,而香豬白色被毛皮膚組織中并未觀察到黑色顆粒的沉積。黑素細胞合成色素顆粒是動物毛色形成的基礎,黑色素的數量和種類決定了動物的毛色和膚色。本研究在參考前人研究方法的基礎上加以改進,使用DispaseⅡ和胰酶-EDTA兩步法在體外成功分離培養了香豬表皮黑素細胞,并對其生長特性、特異基因及編碼蛋白表達、多巴染色進行了觀察,結果與前人[20-22]對黑素細胞的鑒定結果一致,表明培養的黑素細胞保持了正常的生物學特性。為后續試驗提供了細胞模型。
TYRP1是第一個克隆成功的色素基因,在黑色素生物的形成途徑中起到了關鍵作用[23]。由于TYRP1基因編碼蛋白與酪氨酸酶同源,因而被稱為酪氨酸酶相關蛋白1[24]。此前有報道稱,TYRP1在內質網中充當TYR的伴侶,這增加了TYR的穩定性,并表明這兩種蛋白質在黑素體內形成二聚體[25-26]。TYRP1基因有二硫氧基吲哚酸氧化酶的功能,在黑素細胞合成黑色素的下游途徑中發揮重要作用,并影響了黑素細胞的增殖凋亡、黑色素小體的成熟、黑色素的超微結構、黑色素合成過程、黑色素瘤細胞的生長、形態和TYR的活力等[27]。在黑色素合成過程中,TYRP1影響真黑色素與偽黑色素的轉換,高活性TYRP1導致真黑色素的產生,反之則產生偽黑色素[28-29]。到目前為止,TYRP1已經在常見動物,如綿羊、小鼠、禽類、水產動物魚類等多個物種中參與色素的沉積,但在豬上的研究則比較匱乏。Wu等[30]發現,五指山豬黑色皮膚和白色皮膚中TYRP1的表達存在差異。Ren等[31]發現,涼山豬的金色表型與TYRP1的顯性突變有關;TYRP1基因中6 bp缺失導致中國本土豬棕色表型[32]。
Small interfering RNA (siRNA)是一類長約21~25 bp的小RNA分子,能夠激發與之互補的靶mRNA的沉默[33-34]。Li等[35]發現,在體外敲降TYRP1能促進MHC1的表達,并作為治療黑色素瘤的一個潛在靶點。Gilot等[36]在體外敲降TYRP1后恢復了miR-16的黑色素瘤抑制功能。為了證明TYRP1與香豬黑色素生成有關,本試驗通過siRNA敲降,降低TYRP1基因在香豬黑素細胞中的表達,進一步研究了TYRP1與毛色相關基因表達之間的關系。結果表明,敲降TYRP1后會抑制黑色素生成相關基因TYR、TYRP1和TYRP2及其編碼蛋白的表達,從而抑制香豬表皮黑素細胞中黑色素的生成。TYRP1基因及其編碼蛋白的表達下調是由于TYRP1的直接敲降引起的,TYRP1表達降低會導致TYR和TYRP2的表達降低。雖然TYRP1能夠影響黑素細胞中黑色素的生成,但其調控機制還需進一步試驗加以驗證。
本研究通過HE染色觀察香豬皮膚毛囊結構及黑素細胞的分布特征,利用兩步法體外分離培養香豬表皮黑素細胞并進行了鑒定,為香豬毛色基因功能研究提供細胞模型。結果表明,干擾TYRP1后香豬表皮黑素細胞中TYR、TYRP1和TYRP2基因mRNA及其編碼蛋白的表達下調,并且抑制了黑色素的生成。本研究結果為進一步探究TYRP1對黑色素生成及沉積的調控機制提供了試驗參考和基礎數據。