石斑鱼转录因子NR1D1和NR1D2在冷胁迫中的调控作用.pdf
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1、第 卷 第 期应 用 海 洋 学 学 报,年 月 ,石斑鱼转录因子 和 在冷胁迫中的调控作用苗奔奔,林 楚,曹文科,梁燕珊,吴仁协,牛素芳,梁镇邦 收稿日期:资助项目:南方海洋科学与工程广东省实验室(湛江)项目()作者简介:苗奔奔(),男,硕士研究生;:通讯作者:吴仁协(),男,博士,副教授;:(广东海洋大学水产学院,广东 湛江;南方海洋科学与工程广东省实验室(湛江),广东 湛江)摘要:和 转录因子属于核受体转录因子家族,二者通过调控靶基因表达参与众多生物学过程,尤其在昼夜节律调节中发挥重要作用。本研究通过分析 和 的蛋白质分子特征以及在冷胁迫下珍珠龙胆石斑鱼()的基因调控关系以及它们所参与的
2、通路,揭示它们在鱼类低温环境中的功能作用。生物信息学比较分析显示 和 基因序列均有 个开放阅读框,编码的蛋白质均属于不稳定的亲水性蛋白质。和 蛋白质均含有 类锌脂蛋白结构域和 核激素受体的配体结合域,主要配体为含铁原卟啉。这两种蛋白主要在细胞核中发挥调控基因表达的作用,且与昼夜节律通路的多个关键基因有直接作用关系。结果表明,在冷胁迫下 和 作为转录因子可通过调控靶基因的表达,参与昼夜节律调节并促进糖脂代谢、线粒体氧化等过程,为珍珠龙胆石斑鱼提供必要的能量,有助于增强其耐寒性。关键词:海洋生物学;珍珠龙胆石斑鱼;冷胁迫;核受体转录因子家族;昼夜节律调节:中图分类号:文献标识码:文章编号:()珍珠
3、龙胆石斑鱼()是以鞍带石斑鱼()为父本、棕点石斑鱼()为母本杂交培育的新品种,具有生长速度快、抗病能力强、饵料系数低等诸多优点,食用价值和经济价值均较高。珍珠龙胆石斑鱼已成为我国东南沿海的主要养殖品种之一,其养殖产量占我国石斑鱼总养殖产量的 以上,在我国海水鱼养殖产业中占有非常重要的地位。目前,有关珍珠龙胆石斑鱼的研究主要集中在人工繁育、饲料营养、鱼病防治及免疫、养殖生态、生长性能与生理生化等方面。以往研究表明,珍珠龙胆石斑鱼虽对环境突变适应能力强,但它并不耐寒,在水温 即停止摄食和生长,出现死亡。这限制了珍珠龙胆石斑鱼在温度较低的北方沿海或是水温骤降条件下的养殖生产。之前,我们对珍珠龙胆石斑
4、鱼进行低温胁迫的转录组学分析,筛选出大量与低温相关的关键基因和重要的生物学通路,并结合 ()和转录因子(,)阐明了该石斑鱼在低温条件下的基因调控关系和分子适应机理。同时,我们的研究初步揭示了核受体亚族 组 成员 (,)基因通过参与昼夜节律调节来增强珍珠龙胆石斑鱼的抗寒性和抵抗冷应激引起的损伤,这是鱼类低温研究中有关该基因功能的首次报道。此外,作为 的同源基因,基因也是动物昼夜节律调节的关键基因。在已有的研究中,有关 和 在参与人类和小鼠的昼夜节律核心时钟蛋白的基因表达以及负调控作用等方面的研究最为完善,这两个基因在线粒体代谢、肿瘤研究中也受到较多的关注,被认为具有疾病治疗和预后方面的作用。得益
5、于基因组和转录组学测序可对基因进行广泛筛选,在对斑马鱼 应 用 海 洋 学 学 报 卷()、山羊等相关研究中亦发现 和 通过参与昼夜节律调控在多种环境因子适应过程中发挥重要的功能作用,同时也参与脂质代谢和能量代谢等通路,但缺乏更深入的探讨。对于 和 在鱼类适应低温胁迫过程中具体的核心时钟调控方式以及它们所参与的通路作用尚不清楚。由于这两个基因在转录翻译后皆是转录因子,因此,有必要从转录因子角度来进一步研究它们在鱼类低温环境中的功能作用。本研究在获取珍珠龙胆石斑鱼低温胁迫的肝脏转录组中差异表达的 基因全长转录本的基础上,结合其父本鞍带石斑鱼的同源基因 的转录本数据,通过多角度的生物信息学分析方法
6、,揭示它们的蛋白质理化性质和结构特征。基于蛋白质翻译后修饰、亚细胞定位、蛋白质互作网络、通路分析,探讨 和 这两个转录因子在鱼类应对低温过程中的分子特征和功能作用,以期为培育新的耐寒品种提供理论依据。材料与方法 实验鱼和取样本研究的 全长转录本来自之前的珍珠龙胆石斑鱼低温胁迫的肝脏组织转录组测序结果。实验鱼为购自海南繁育亲本孵化的 尾珍珠龙胆石斑鱼幼鱼平均体长:();平均体重:(),在水温()、盐度()、溶解氧()条件下暂养两周。之后,在以每小时水温下降 的恒定速率下,进行 、持续 等 个温度梯度的胁迫实验,依次命名 (对照组)、等 个实验组。每个实验组含有 个平行处理,每个平行处理随机取 尾
7、鱼,共获得 个肝脏组织样品。样品装入含有 保存液的冷冻管,在液氮速冻后置于 冰箱保存备用。提取和实时荧光定量()采用 试剂()提取 个肝脏组织样品的总,其 吸光值和浓度由 仪器检测,并以琼脂糖凝胶电泳检测总 的完整性(,)。根据总 的质量检测,从每个平行处理样中挑选总 质量最好的一个样品(以保证每个实验组有 个样品),共计 个肝脏组织样的总(使用 试剂,)用于反转录合成 文库,以定量检测 基因在 个实验组中的表达趋势。根据已获得的珍珠龙胆石斑鱼 基因全长转录本序列,使用 软件设计特异性正反引物:,:。由于 基因序列在本研究的 个实验组中表达稳定,将其作为内参基因用于计算 基因的相对表达量。采用
8、 试剂()进行 反应,每个样品设置 次实验重复和一次无模板的对照实验。实验过程中设置熔解曲线,以验证引物的特异性和排除具有大量二聚体的引物。反应程序为:预变性,、,重复 次循环。基于公式计算 基因的相对表达量,并与转录组测序的表达量数据进行可视化对比,以检验 基因在低温胁迫过程中的表达趋势。近缘种、基因序列获取和 预测基于 程序,将珍珠龙胆石斑鱼的 全长转录本 序列进行近缘种的序列搜索和比对,获取其序列相似度最高的父本鞍带石斑鱼 基因序列,另获得母本棕点石斑鱼和近缘种云纹石斑鱼()的 和 基因序列,共计 条序列用于开放阅读框预测和氨基酸序列比对。根据 工具搜索和分析、基因包含的开放阅读框(),
9、设置最小开放阅读框序列长度为,采用以 为起始密码子的标准遗传编码。最终保存最长开放阅读框的氨基酸序列用于后续基于蛋白质水平的分析。、的转录因子及靶基因预测通过动物转录因子数据库 对、的氨基酸序列进行转录因子预测分析。由于转录因子结合位点()是转录因子蛋白质结合到靶基因调控转录表达的特异性序列。本研究以 记录的人类和斑马鱼数据库为背景进行、转录因子的 预测,并以 形式展示其特异性序列。基于 数据库中的人类和小鼠转录因子的靶基因数据,对、转录因子进行靶基因预测。、蛋白的理化性质和结构分析利用 软件对所预测的、氨基酸序列,进行蛋白质的相对分子量、分子化学式、等电点(酸碱性)、不稳定系数、疏水指数、脂
10、溶系数等理化性质分析。使用 软件对、的氨基 期苗奔奔,等:石斑鱼转录因子 和 在冷胁迫中的调控作用 酸序列进行比对,将其完全一致的序列以相同的颜色标记,视为具有潜在的保守序列,以利于查找共有结构域。基于 蛋白质数据库和 蛋白质保守功能结构域()数据库鉴定、的保守功能结构域,以获得两种分析结果具有一致性的保守功能结构域,确定结构域类型并判断转录因子的家族特性和潜在的调控能力。基于 程 序预 测、的蛋白质二级结构,设置构象状态数为,即包括 螺旋、折叠、转角、无规则卷曲等 种主要结构,滑动窗口宽度为默认值,相似性阈值为。采用 数据库搜索获得、的蛋白质三级结构,以更加直观地了解其功能结构域的外形三维特
11、点。、的蛋白质功能分析运用 对、进行蛋白质磷酸化位点预测分析,包含所有丝氨酸、苏氨酸、酪氨酸的残基修饰位点。通过 程序预测、蛋白质在亚细胞内的位置,根据 在线程序预测其细胞核定位序列,设置 为预测阈值。采用 程序对两种蛋白质进行跨膜结构域预测,以判断其是否为细胞膜成分或存在多次跨膜。通过 程序进行两种蛋白质的信号肽预测分析,以确认其是否作为分泌蛋白在细胞外起作用。跨膜分析和信号肽分析均作为亚细胞定位的佐证分析。将、的氨基酸序列提交到 数据库的在线多序列分析服务,以斑马鱼为参考物种进行蛋白质互作分析,置信度设置为(),并根据分析需要逐步增加新的蛋白质节点,最终获得高置信度的蛋白质互作(,)网络。
12、通过 数据库的在线分析功能搜索和筛选两种蛋白质可能共同参与的通路,并与蛋白质互作网络中的蛋白质参与通路进行整合。结果与分析 基因在各组中的表达趋势经 定量检测发现,基因在珍珠龙胆石斑鱼、等 个温度梯度实验组中,呈现出先升后降的表达趋势,该趋势与转录组测序基于 标准化后的变化趋势相一致(图)。当温度从 (组)逐渐下降到 (组)过程中,鱼体可以维持正常的生命活动。因此,的上调表达有利于其在复杂的生物学过程中实现功能作用,即有利于珍珠龙胆石斑鱼应对温度降低带来的能量流失和细胞损伤。而在最后 持续胁迫 (组)的过程中,会发生实验鱼死亡的现象。即实验鱼在长时间极端低温胁迫下肌体会受到不可恢复的严重损伤,
13、导致生化过程发生变化、基因表达大幅度下降。这种表达趋势表明 基因的上调表达可能通过参与某些具体的生物学过程以利于珍珠龙胆石斑鱼应对持续的低温胁迫。图 基因在珍珠龙胆石斑鱼 个温度梯度实验组中的表达趋势 近缘种、基因序列获得和开放阅读框预测珍珠龙胆石斑鱼 基因的 序列长度为 ,通过 比对到序列相似度由高 到 低 的 物 种 依 次 为 鞍 带 石 斑 鱼(相 似 性,号为,下 应 用 海 洋 学 学 报 卷同)、黄 尾 鰤(,相 似 性 ,)、圆鳍鱼(,相似性,)等,表明珍珠龙胆石斑鱼与其父本鞍带石斑鱼的对应基因序列相似性最高。同时,通过 搜索获得棕点 石 斑 鱼 和 云 纹 石 斑 鱼 的 (
14、、)和 (、)基因的转录本 序列,也用于与珍珠龙胆石斑鱼 基因进行生物信息学比较分析。基于、基因的 序列分别对其蛋白质编码的开放阅读框进行预测。其中,预测到 个开放阅读框,最长开放阅读框位于序列 ,其长度为 、编码 个氨基酸;预测到 个开放阅读框,最长开放阅读框位于序列 ,其长度为 、编码 个氨基酸。可见,两个基因的开放阅读框数量相同,且最长开放阅读框编码的氨基酸序列长度相近。和 转录因子及其靶基因预测 的 转 录 因 子 预 测 结 果 显 示、的氨基酸序列均属于 转录因子家族,基于全序列和最佳结构域的预测期望值二者分别均为、,表明、确实为动物的转录因子。序列预测显示,、分别对应于 数据库中
15、 (相似度:;:)、(相似度:;:),二者预测的 序列有些差异,分别为、,该结果得到 分析数据的支持。由于 数 据 库 中 没 有、作为转录因子的靶基因记录。因此,本研究根据 数据库中记录的人类和小鼠转录因子的靶基因数据进行预测,结果显示 的靶基因包含、和,而 的靶基因仅有 (表)。表 、转录因子的靶基因预测 转录因子靶基因参考文献()()(,)()()、的蛋白质理化特性、的蛋白质理化特性(表)表明两种蛋白质均为不稳定蛋白质、亲水性蛋白。正常状态下两种蛋白质分别呈弱碱性、弱酸性。氨基酸分析表明,、带负电的残基()总数分别为、,带正电荷的残基()总数分别为、。表 、的蛋白质理化特性 蛋白质氨基酸
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