环境科学  2014, Vol. 35 Issue (8): 3183-3191   PDF    
稀有鮈鲫HMGR基因全长克隆及雄鱼经五氯酚暴露基因表达的分析
邓川, 毛思予, 熊力, 张晓峥, 李伟, 高香, 刘秋萍, 陈韵, 刘堰     
西南大学生命科学学院, 淡水鱼类资源与生殖发育教育部重点实验室, 三峡库区生态环境教育部重点实验室, 水产科学重庆市市级重点实验室, 重庆 400715
摘要:3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶(3-hydroxy-3-methylglutaryl coenzyme A reductase,HMGR)是甲羟戊酸(mevalonic acid,MVA)途径中的第一个关键限速酶. 克隆稀有鮈鲫HMGR基因全长,分析该基因在不同组织及雄鱼经不同浓度五氯酚(pentachlorophenol,PCP)暴露的表达差异,探索PCP对类固醇激素前体(胆固醇)合成水平基因转录调控的内分泌干扰机制. 采用同源克隆策略及cDNA末端快速扩增技术(rapid-amplification of cDNA ends,RACE),从稀有鮈鲫肝脏中首次克隆得到3101碱基(bp)的HMGR基因cDNA全长,基因命名为GrHMGR(GenBank accession No: KF885724). GrHMGR编码884个氨基酸,系统发育树分析表明,GrHMGR编码的蛋白与其他鱼类来源的HMGR氨基酸序列同源性较高. Real-time PCR分析表明GrHMGR的表达有组织特异性,在大脑,性腺和肝脏中均有表达,性腺中表达量最高. 稀有鮈鲫雄鱼经不同浓度PCP暴露后,GrHMGR在大脑和性腺的表达随PCP浓度的增加显著下降,然而在肝脏组织中表达趋势有所不同. HMGR的表达下降会减少胆固醇的合成. 说明PCP暴露会通过干扰稀有鮈鲫的胆固醇合成途径,进而对内分泌系统产生影响.
关键词稀有鮈鲫     基因克隆     HMGR     五氯酚     表达分析    
Cloning of Full-length cDNA of HMGR from Gobiocypris rarus and Analysis of Its Expression Profiles in Male Exposed to Pentachlorophenol
DENG Chuan, MAO Si-yu, XIONG Li, ZHANG Xiao-zheng, LI Wei, GAO Xiang, LIU Qiu-ping, CHEN Yun, LIU Yan     
Key Laboratory of Freshwater Fish Reproduction and Development (Ministry of Education), Key Laboratory of Eco-Environments in Three Gorges Reservoir Region (Ministry of Education), Key Laboratory of Aquatic Science of Chongqing, School of Life Science, Southwest University, Chongqing 400715, China
Abstract: 3-hydroxy-3-methylglutaryl coenzyme A reductase (HMGR) is the first rate-limiting enzyme in the mevalonate (MVA) pathway. The full-length cDNA of HMGR was cloned from Gobiocypris rarus, and HMGR expression profiles in different tissues and in response to different treatments of pentachlorophenol (PCP) were analyzed by real-time PCR, to investigate the endocrine disruption mechanism of PCP, which altered steroid hormone precursors (cholesterol) levels by modulating gene transcription profiles of HMGR. Based on the homologous clone strategy and rapid-amplification of cDNA ends (RACE) technology, the full-length 3101-base-pair (bp) cDNA of HMGR was isolated from the livers of rare minnow (Gobiocypris rarus) for the first time, and was designated as GrHMGR (GenBank accession number KF885724). GrHMGR encoded a protein of 884 amino acids and phylogenetic tree analysis indicated that the deduced protein GrHMGR had extensive sequence similarities to other fish HMGRs. Real-time PCR analyses indicated that GrHMGR mRNA expression was tightly controlled in a tissue-specific fashion, with the sites of expression being brain, gonads and liver, and the highest site of expression being gonads. After male rare minnows were exposed to different concentrations of PCP, significant decrease in GrHMGR gene expression with increased PCP concentration in the brain and gonads were observed, together with the differential gene expression trend in the liver. Furthermore, it was found that the decrease of HMGR could reduce the synthesis of cholesterol. This proved that PCP might disrupt the pathway of cholesterol synthesis and then influenced the endocrine system of rare minnow.
Key words: Gobiocypris rarus     gene clone     3-hydroxy-3-methylglutaryl coenzyme A reductase (HMGR)     pentachlorophenol (PCP)     expression analysis    

3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶(3-hydroxy-3-methylglutaryl coenzyme A reductase,HMGR)是甲羟戊酸(mevalonic acid,MVA)途径中的第一个关键限速酶[1],MVA是胆固醇(类固醇激素的前体)生物合成的关键中间体,催化体内类固醇激素的合成[2]. HMGR在脊椎动物内分泌通路中起重要作用. Skolnessa等[3]发现丙环唑处理后的黑头软口鲦类固醇合成基因HMGR的表达下降,导致血浆类固醇激素的浓度下降. Zhang等[4]发现雄激素(17β-trenbolone,TRB)暴露后的日本青鳉HMGR表达下降,并且影响到性激素的合成. Zhang等[5]发现酮康唑暴露后的日本青鳉HMGR表达也呈现下降趋势. 不同内分泌干扰物(endocrine disrupting chemicals,EDCs)对鱼类胆固醇合成关键基因HMGR的表达及其内分泌通路均造成影响. 五氯酚(pentachlorophenol,PCP)属于环境优先检测的EDCs之一[6],具有强持久性和难降解性的环境污染物[7,8]. PCP暴露可能影响脊椎动物的内分泌系统,造成人类和野生动物的生殖损害[9]. 由于污染物不同,研究对象各异,有关PCP的内分泌干扰机制尚不清楚. 脊椎动物体内存在复杂的内分泌系统[10],从下丘脑-垂体-性腺(hypothalamic-pituitary-gonadal,HPG)轴这一保守的内分泌途径研究EDCs对生物内分泌系统的潜在影响成为当今的热点. 本研究选取中国特有鱼种稀有鮈鲫为实验对象,首次克隆稀有鮈鲫HMGR全长基因,并分析鮈鲫经不同浓度PCP暴露后HMGR的表达差异,揭示PCP调控HPG轴胆固醇合成关键基因的内分泌干扰机制.

PCP曾在中国乃至世界范围内被长期使用[11,12],Montao等[13]发现 PCP已是人体血液中检测到的最主要的卤代酚类化合物,环境监测表明PCP广泛存在于多种介质中,如水、 土壤、 沉积物等[14],特别是在水环境[15,16],Zheng等[17]在洞庭湖中检测到PCP浓度高达103.7 μg ·L-1. 由于PCP在水环境中的大量残留,水生脊椎动物,特别是鱼类,已经受到了严重威胁. Zha等[18]证明PCP染毒日本青鳉,雌性青鳉的产卵能力和平均繁殖力出现显著下降,造成生殖损害. Yu等[19]研究表明环境相关浓度PCP会影响成年斑马鱼内分泌通路导致甲状腺激素分泌紊乱,造成异常的生长发育. 目前,以HMGR的表达变化说明PCP对稀有鮈鲫HPG轴内分泌干扰效应的研究尚未见. 本文首次研究不同浓度PCP暴露雄性稀有鮈鲫能否造成HPG轴上HMGR基因的表达变化.

稀有鮈鲫是栖息在三峡库区上游水域的一种小型濒危鲤科鱼类. 它具有性成熟快、 繁殖力强、 产卵频次高、 饲养方便等特点[20]. 同时稀有鮈鲫是我国特有物种,个体较斑马鱼稍大,实验操作容易,且对化学品敏感,实验重复性更好[21],成为我国所特有的毒理学模式水生生物. 熊力等[22]以稀有鮈鲫为对象,通过PCP暴露下能显著诱导卵黄蛋白原(vitellogenin,VTG)、 VTG基因的表达,证明PCP 具有雌激素效应. 稀有鮈鲫胆固醇合成关键基因HMGR的全长克隆以及PCP暴露前后的表达差异尚未见报道. 本研究克隆了稀有鮈鲫HMGR基因全长cDNA 序列,对该基因进行同源性比较及系统发育树分析,为稀有鮈鲫在鲤科鱼类的分类及进化地位的研究提供分子水平的科学参考,同时运用Real-time PCR技术对PCP诱导下稀有鮈鲫HPG轴相关组织(大脑、 性腺)及肝脏HMGR基因表达情况进行分析,以期为阐明PCP对脊椎动物通过HPG轴行使内分泌干扰作用提供依据.

1 材料与方法 1.1 实验仪器

微量高速冷冻离心机(德国 Hettich ZENTRIFUGEN 公司); NANO DROP 2000 核酸蛋白定量分析仪(美国 Thermo 公司); 核酸电泳系统(美国 BIO-RAD 公司); Tpersonal PCR 仪(德国 Biometra); 玻璃匀浆器.

1.2 实验试剂

PCP(纯度99%,购于Chem.Service); 雌二醇(17α-Ethynylestradiol,EE2,纯度98%,购于 Sigma); 二甲基亚砜(DMSO)购于Sanland-Chem; Total RNA 提取试剂(DP419天根); 反转录试剂盒Prime ScriptTM RT reagent kit(Takara); SMARTerTM RACE cDNA Amplification Kit(ClonTech); LA Taq DNA聚合酶(Takara); pMD-19T Vector(Takara); DL 2000 DNA Maker(天根); 琼脂糖凝胶DNA回收试剂盒购自Axygen公司; 其他试剂均为国产分析纯.

1.3 实验动物

稀有鮈鲫种鱼购于中国科学院武汉水生生物研究所,在本实验室饲养繁殖,水温控制在23~25℃,光照周期为白昼/黑夜=12 h/12 h,全部喂养盐水孵化的丰年虫. 实验用鱼为7月龄的健康成年鱼(体重0.53 g±0.15 g,体长36.6 mm±3.7 mm). 实验前以连续曝气24 h 的自来水[pH 7.6±1.5,DO>5 mg ·L-1,总硬度为(7.8±0.7)德国度,水温(25±2)℃]驯化喂养2 周.

1.4 暴露处理

随机收集42条7月龄的雄性稀有鮈鲫,饲养于10L玻璃鱼缸内进行实验前驯养. 分别将42条稀有鮈鲫暴露在EE2,PCP和阴性对照组 DMSO 中21 d. 采用半静态水体暴露的方法,每组饲养7条雄性稀有鮈鲫(6条生物学重复,一条防止稀有鮈鲫突发性死亡),阳性对照EE2组浓度为50ng ·L-1,PCP组浓度分别为8、 16、 80、 160 μg ·L-1,DMSO组的终浓度为1 ∶10 000(体积比). 每天喂食刚孵化的丰年虫一次,观察鱼是否有异常,并记录.

1.5 稀有鮈鲫Total RNA的提取

稀有鮈鲫经低温麻醉后,迅速取组织,于液氮中充分研磨,Total RNA的提取方法参照Total RNA 提取试剂盒进行,提取出的Total RNA用核酸蛋白仪和1%琼脂糖凝胶电泳检测RNA的浓度和纯度. 最后将Total RNA于-80℃超低温冰箱保存.

1.6 引物设计与合成

在NCBI上查找下列物种的HMGR核苷酸序列信息:斑马鱼(Danio rerio,BC155135.1)、 大菱鲆(Scophthalmus maximus,JN542428.1)、 鲈鱼(Dicentrarchus labrax,AY424801.2)、 日本青鳉(Oryzias latipes,EU159456.1)、 红鳍东方鲀(Takifugu rubripes,XM_003974466.1)、 细条石颌鲷(Lithognathus mormyrus,DQ849851.1). 利用Clustal X软件对上述基因进行比对,查找HMGR的保守区域,使用 Primer Premier 5.0 软件和DNAStar设计稀有鮈鲫HMGR基因的简并引物. 根据新克隆的HMGR基因cDNA核心序列中保守片段设计RACE引物和实时荧光定量PCR的特异性引物,同时参照GenBank中公布的稀有鮈鲫β-actin设计内参引物(表 1),将各引物序列送往上海 Invitrogen 公司合成.

表 1 PCR引物序列 Table 1 Sequences of PCR primers
1.7 HMGR cDNA全长克隆

cDNA模板的合成参照SMARTerTM RACE cDNA Amplification Kit(ClonTech)说明书进行,合成好的cDNA模板于-20℃保存. 根据由简并引物扩增得到的核心片段,利用Primer Premier 5.0软件对核心序列部分设计特异性引物(gene-specific primer,GSP),采用 cDNA 末端快速扩增技术(rapid amplification of cDNA ends,RACE)进行嵌套式 PCR(nested-PCR)反应,3′端程序为94℃变性30 s,58℃ 退火30 s,72℃延伸3 min,循环30次; 5′端程序为94℃变性30 s,55℃退火30 s,72℃延伸2 min,循环30次. 分别扩增基因的 3′和 5′末端序列,得到HMGR序列全长.

1.8 Real-time PCR

在暴露21 d后,取各组稀有鮈鲫雄鱼大脑、 性腺、 肝脏,提取总RNA,反转录得到cDNA第一链作为实时荧光定量PCR的模板. 为保证实时荧光定量 PCR 结果的准确性,每个样品设置3个重复,并进行6次重复实验. 采用双标准曲线法处理实时荧光定量 PCR 数据,即对每一对引物分别作标准曲线,求出标准曲线方程. 然后根据检测结果(CT值)和标准曲线方程,求出各基因的相对表达量.

1.9 统计学分析

运用Origin 8.0 软件绘图,用SPSS 13.0 软件分析所得数据,在方差齐性的情况下用One-way ANOVA和Tukey多重比较来检验相关数据的差异. 当 P<0.05 认为差异显著,P<0.01 表示差异极显著. 所有数据均以平均值±标准偏差表示. 2 结果与分析 2.1 稀有鮈鲫HMGR全长的克隆

以1.5节提取的Total RNA为模板,用简并引物进行PCR扩增,PCR产物电泳分析结果如图 1(a). 在500 bp上方有1条清晰条带,与预测相符. 按SMARTerTM RACE cDNA Amplification Kit(ClonTech)试剂盒介绍的方法进行3′-RACE和5′-RACE 扩增,PCR产物电泳分析结果如图 1(b)和图 1(c). 3′-RACE在2 000 bp上方见1条清晰条带,经测序获得2 619 bp核苷酸序列,5′-RACE在500 bp和750 bp间有一条带,经测序得到526 bp核苷酸序列. 运用Vector NTI 11.0对序列进行拼接得到1条3 101 bp的全长cDNA序列,将该基因命名为GrHMGR(GenBank accession No: KF885724).

图 1 GrHMGR PCR产物琼脂糖凝胶电泳图 Fig. 1 Electrophoresis of HMGR from Gobiocypris rarus amplified by PCR (a)RT-PCR扩增出518 bp的核心片段; (b)3′-RACE 扩增产物; (c)5′-RACE扩增产物 (M: DNA Marker DL2000)
2.2 GrHMGR全长cDNA序列分析及对应氨基酸理化性质

稀有鮈鲫HMGR基因全长3 101 bp,经Vector NTI 11.0 分析得到该序列包含224 bp的5′非编码区、 225 bp的3′非编码区和2 652 bp的开放阅读框(open reading frame,ORF)共编码884个氨基酸残基,用ExPASy ProtParam Tool (http://www.expasy.ch/tools/protparam.html)在线分析预测其编码蛋白属性得到GrHMGR编码蛋白的分子量和等电点(pI)分别为 96.5×103和6.05,含量最丰富的氨基酸为亮氨酸(Leu)、 丙氨酸(Ala)、 缬氨酸(Val)、 丝氨酸(Ser)、 谷氨酸(Glu),属于不稳定蛋白(见表 2). 运用Vector NTI 11.0推导的稀有鮈鲫HMGR氨基酸序列如图 2所示.

2.3 氨基酸序列多重比对

应用Vector NTI 11.0将GrHMGR基因的ORF翻译成蛋白质序列,并用Clustal X(1.83)序列对比程序[23]将稀有鮈鲫(GrHMGR)与斑马鱼(DrHMGR)、 大菱鲆(SmHMGR)、 红鳍东方鲀(TfHMGR)、 鲈鱼(DlHMGR)的蛋白序列进行比对分析,发现稀有鮈鲫HMGR与其他鱼类HMGR同源性较高,经NCBI上的BLASTp进行在线序列比对发现,稀有鮈鲫全长序列与斑马鱼、 大菱鲆、 红鳍东方鲀及鲈鱼的相似度分别为94%、 80%、 80%、 81%. GrHMGR氨基酸序列相对保守,但中部序列没有明显的同源性,这可能是由于几种鱼类在进化程度上的不同且中部序列不包含HMGR的保守结构域. 在NCBI 的保守结构域 (CDD)数据库(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/Structure/cdd/wrpsb.cgi)及ExPASy Scanprosite Tool (http://prosite.expasy.org/scanprosite)进行保守结构域的预测发现,该序列包括两个保守区,分别是类固醇敏感多肽区(Sterol-sensing domain profile)和HMG-CoA-reductase功能域(见图 3),位置分别在序列前端61~218和后端460~867氨基酸残基处,而多重序列对比结果也显示这两个区域相似度较高.

表 2 稀有鮈鲫 HMGR基因序列分析及对应氨基酸理化性质 Table 2 Analysis of HMGR in Gobiocypris rarus and physicochemical properties of the deduced amino acid

图 2 稀有鮈鲫HMGR序列全长及推导的氨基酸序列

Fig. 2 Full-length mRNA sequence and deduced amino acid sequence of HMGR in Gobiocypris rarus

图 3 稀有鮈鲫 HMGR氨基酸序列多重对比 Fig. 3 Multi-comparison on amino acid sequences of HMGR in Gobiocypris rarus
2.4 系统进化树分析

用ClustalX和Mega 5.0程序[24]的比邻法建立系统发生树,用1000组复制子抽样分析,获得HMGR氨基酸序列的系统进化树,结果见图 4. 系统进化树包括稀有鮈鲫(Gobiocypris rarus,AHI87506.1)与斑马鱼(Danio rerio,AAI55136.1)、 大菱鲆 (Scophthalmus maximus,AEO44579.1)、 鲈鱼(Dicentrarchus labrax,AAR02862.2)、 日本青鳉(Oryzias latipes,XP_004073005.1)、 红鳍东方鲀(Takifugu rubripes,XP_003974515.1)、 家蝇(Monodelphis domestica,XP_001368743.1)、 爪蟾(Xenopus laevis,AAH74197.1)、 小鼠(Mus musculus,AAH85083.1)、 牛(Bos taurus,AAI53263.1)和人(Homo sapiens,AAH33692.1)的HMGR,结果显示稀有鮈鲫和斑马鱼的HMGR聚为一支,再跟其他鱼类聚为一支,鱼类与人,牛等哺乳动物的HMGR有差异.

图 4 稀有鮈鲫与其他动物 HMGR氨基酸序列的系统进化树分析 Fig. 4 Phylogenetic tree analysis of the amino acid sequences of HMGR from Gobiocypris rarus and other animals
2.5 HMGR在稀有鮈鲫大脑、 肝脏、 性腺中的表达
图 5 稀有鮈鲫 HMGR的组织相对表达 Fig. 5 Relative expression profiles of HMGR in Gobiocypris rarus *表示与空白对照组相比,P<0.05; **表示与空白对照组相比,P<0.01,下同

经过Real-time PCR 检测HMGR基因在稀有鮈鲫HPG轴相关组织大脑、 性腺及肝脏中的表达情况(图 5). 检测发现,HMGR基因在大脑、 性腺及肝脏中均有表达,但是表达量存在差异性,HMGR基因在性腺中表达量最高,其次是肝脏组织.

2.6 在EE2和PCP诱导下,成年雄鱼HMGR的表达情况
图 6 PCP暴露下 HMGR基因在大脑、 肝脏、 性腺中的表达情况 Fig. 6 Expression of HMGR in brain,liver and gonads of Gobiocypris rarus exposed to different concentrations of PCP

运用Real-time PCR技术检测经PCP和EE2 暴露后HMGR基因表达量的改变. 研究发现对于大脑组织,PCP抑制HMGR基因的表达,并且随着PCP浓度的升高表达量抑制效果越明显,80 μg ·L-1 PCP对HMGR基因的抑制效果显著(P<0.05),160 μg ·L-1 PCP对于HMGR基因的抑制效果则与50 ng ·L-1 EE2相当,抑制效果极显著(P<0.01); 对于性腺组织,高于16 μg ·L-1 PCP后,抑制效果显著,随着PCP浓度的逐步增高,效果更加明显; 对于肝脏组织,在8、 16、 160 μg ·L-1 PCP暴露21 d后,HMGR基因的表达量分别为:0.08、 0.20、 0.05,抑制效果显著,但值得注意的是80 μg ·L-1的PCP对HMGR基因有诱导作用,但就整体趋势是明显抑制表达的.

3 讨论 3.1 稀有鮈鲫HMGR基因的生物信息学分析

HMGR由于在胆固醇合成过程中起着关键限速酶的作用而备受关注,其生化性质、 结构及功能对胆固醇的代谢调控研究极为重要. 本研究利用RACE技术克隆出稀有鮈鲫HMGR基因全长,基于NCBI数据资源及生物信息学软件相结合的方法对该基因及氨基酸序列进行分析,并对其蛋白性质进行预测,为该基因的研究提供理论参考依据. 本研究结果表明,GrHMGR与其他物种HMGR氨基酸同源性较高,尤其是与斑马鱼,达到94%,这表明HMGR在生物进化中十分保守,可作为胆固醇合成代谢中重要的研究对象.

3.2 在PCP及EE2诱导下HMGR的表达情况分析

HMGR是内源性胆固醇(类固醇激素的前体)合成中的关键限速酶,维持胆固醇的动态平衡. Liu等[25]研究表明在经过磷酸三酯(TDCPP)和磷酸三苯酯(TPP)暴露21 d后,斑马鱼HPG轴上HMGR表达下调,且影响了斑马鱼性激素的平衡; Zhang等[4]研究证明在雄激素(TRB)暴露7 d后,日本青鳉HPG轴上HMGR基因表达量下降. 本实验结果表明,不同浓度PCP对成年雄性稀有鮈鲫暴露21 d后,运用Real-time PCR技术检测HMGR基因在稀有鮈鲫HPG轴相关组织大脑、 性腺和肝脏中的表达情况,结果显示大脑和性腺中HMGR的表达量随着PCP浓度的升高呈现明显的下降趋势,且高浓度PCP对该基因的诱导效果与17α-乙炔基雌二醇(EE2)相当,而EE2是典型的类固醇雌激素[26],可见PCP确实通过HPG轴影响了HMGR的表达,研究证明PCP通过调控HPG轴上类固醇激素前体(胆固醇)合成水平的关键基因行使内分泌干扰作用. 值得注意的是,对于肝脏组织,HMGR的表达略有不同,在80 μg ·L-1 PCP暴露时,HMGR基因的表达量出现了明显上升,这一现象有待于进一步的研究.

4 结论

(1)稀有鮈鲫HMGR全长3 101 bp,包含224 bp的5′非编码区、 225 bp的3′非编码区和2 652 bp的开放阅读框(ORF)共编码884个氨基酸残基,编码稀有鮈鲫HMGR蛋白与其他鱼类HMGR蛋白同源性较高,这些结论为稀有鮈鲫HMGR遗传学地位奠定了基础.

(2)稀有鮈鲫HMGR基因的表达有组织特异性,在脑、 性腺、 肝脏组织中均有表达,性腺组织中表达量最高,大脑中最少.

(3)内分泌干扰物PCP抑制HMGR基因在大脑和性腺中的表达,抑制效果与浓度呈正相关,并且在高浓度PCP暴露下抑制程度基本与EE2相同. 说明PCP会通过HPG轴干扰内分泌系统.

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