張紅燕,朱文旭,趙 誠,張宏葉,王 濤,陳樹橋,尹紹武,賈永義
(1.南京師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,海洋科學(xué)與工程學(xué)院,南京 210023;2.浙江省淡水水產(chǎn)研究所,農(nóng)業(yè)部淡水漁業(yè)健康養(yǎng)殖重點實驗室,浙江省淡水水產(chǎn)遺傳育種重點實驗室,浙江湖州 313001;3.南京市水產(chǎn)科學(xué)研究所,南京 210036)
魚類的性別決定機制具有多樣性、易變性和原始性等特點[1],可分為單性(unisexuality)、雌雄同體(hermaphroditism)和雌雄異體(gonochorism)[2]。絕大多數(shù)魚類為雌雄異體,少數(shù)魚類雌雄同體[3]。硬骨魚的性別決定一般取決于遺傳和環(huán)境兩大因素,而且這種作用具有可塑性[3]。多種環(huán)境因素如外源激素、溫度、pH、水質(zhì)以及鹽度等都可能影響性別決定,但是決定性別的基礎(chǔ)是遺傳基因。隨著分子生物學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展[4],魚類性別決定相關(guān)基因如 DMY基因[5]、芳香化酶基因[6]、Sox基因家族[7]和 DMRT基因家族[15-20]等都被廣泛研究報道。
DMRT(double-sex and mab-3 related transcription factor)基因家族的成員與性別決定和分化相關(guān),其中DMRT1基因在演化過程中具有高度的保守性[8]。DMRT1基因位于級聯(lián)反應(yīng)的上游,作為轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子,對雄性性腺的形成和功能的維持、多種組織和器官的分化和形成具有重要意義[9]。在無脊椎動物果蠅(Drosophila melanogaster)和線蟲(Caenorhabditis elegans)的性別決定基因中發(fā)現(xiàn)了共有的DM結(jié)構(gòu)域[10];在脊椎動物的兩棲類如黑斑蛙(Pelophylax nigromaculatus)中DMRT1基因在雄性性腺中特異性表達(dá)[11];鳥類DMRT1蛋白的表達(dá)量減少會導(dǎo)致胚胎中雄性(ZZ)性腺的雌性化[12];小鼠(Musmusculus)的DMRT1基因調(diào)控精原細(xì)胞的發(fā)育及分化[13];人類若發(fā)生DMRT1基因的片段缺失會阻礙精巢的發(fā)育[14]。DMRT1基因在魚類中廣泛存在,目前在斑馬魚(Danio rerio)[15]、青鳉(Oryzias latipes)[16]、尼羅羅非魚(Oreochromis niloticus)[7]、奧 里 亞 羅 非 魚 (Oreochromisco aureus)[2]、非洲胡子鯰(Clarias gariepinus)[17]、烏鱧(Channa argu)[18]、西 伯 利 亞 鱘 (Acipenser baerii)[19]等魚類中已進(jìn)行過廣泛的報道研究,DMRT1可作為斑馬魚幼苗時期性別決定的指示基因[15],能夠調(diào)節(jié)青鳉精原細(xì)胞的分化[16]。此外,該基因被認(rèn)為是尼羅羅非魚精巢分化的分子標(biāo)記[7],由此可見,DMRT1基因參與了脊椎和無脊椎動物的性別決定和分化過程[20]。
河川沙塘鱧(Odontobutis potamophila),又名虎頭鯊、塘蒲、土布魚、虎頭呆子等,分布于長江、閩江、錢塘江等水域,是一種小型淡水底棲的肉食性魚類。其肉質(zhì)鮮美、細(xì)嫩可口,深受人們歡迎,具有廣闊的市場開發(fā)前景[21]。目前在江浙滬等地區(qū),雖然廣泛開展河川沙塘鱧的混養(yǎng)和套養(yǎng)[22],但產(chǎn)量仍不能滿足日益增大的消費需求。河川沙塘鱧在生長速度方面顯示出明顯的性別二態(tài)性,表現(xiàn)為雄性河川沙塘鱧比同期雌性生長速度快30%以上[23],因此養(yǎng)殖雄性個體比雌性個體有著更大的經(jīng)濟(jì)效益。然而,目前關(guān)于河川沙塘鱧性別決定機制方面的研究非常有限,這很大程度上阻礙了河川沙塘鱧的遺傳育種研究。DMRT1基因作為一個保守的性別決定基因,其研究對于開展河川沙塘鱧單性育種技術(shù)具有重要意義。因此,本文首次克隆河川沙塘鱧的DMRT1的全長基因,并采用qRT-PCR技術(shù)研究DMRT1基因在其不同組織、不同發(fā)育階段的性腺以及不同時期的胚胎中的表達(dá)情況,旨在為河川沙塘鱧性別決定分子機制的解析提供基礎(chǔ)資料,也為今后河川沙塘鱧開展全雄育種打下堅實基礎(chǔ)。
河川沙塘鱧取自江蘇省南京市水產(chǎn)科學(xué)研究所周崗基地。暫養(yǎng)于循環(huán)缸內(nèi)7 d,確定無病后開始取樣。在胚胎發(fā)育期間,在8個不同的發(fā)育階段(受精卵期、桑椹胚期、原腸胚期、神經(jīng)胚期、體節(jié)期、口裂期、出膜后1 d、出膜后3 d)取樣,每個胚胎時期各取30粒卵,孵化后1 d、3 d各取10尾仔魚;此外,隨機取3尾成魚[雌雄均為1齡生,體質(zhì)量為(30.0±1.5)g]的 8種組織:鰓、腸、心、肌肉、腦、肝、脾、性腺以及4個不同發(fā)育時期的性腺(河川沙塘鱧的性腺分期的標(biāo)準(zhǔn)均參考中華烏塘鱧 Bostrichthys sinensis)[24],取樣后迅速置于液氮中冷凍10 min,然后存放于-80℃冰箱中備用。PCR引物購自上海生物工程有限公司;高純總RNA快速抽提試劑盒(離心柱型)購自諾唯贊公司,美國;SMARTerTMRACE cDNA AmplificationKit購自Clontech公司,美國;熒光定量試劑盒Faststart Universal SYBR Green Master購自羅氏公司,瑞士;反轉(zhuǎn)錄試劑盒HiScript TM QRT SuperMix for qPCR(+gDNA wiper)購自諾唯贊公司,美國。
將凍存于-80℃的組織根據(jù)高純度總RNA快速抽提試劑盒的說明按步驟抽提總RNA。每個樣品的RNA濃度及純度用RNA濃度測定儀(Thermo,NANO DROP 2000C,北京)測定(OD260/OD280=1.95~2.05),用 1%瓊脂糖凝膠電泳檢測其完整性。
以河川沙塘鱧總 RNA為模板,按照HiScriptTM1 ST Strand cDNA Synthesis Kit的說明進(jìn)行操作,反轉(zhuǎn)錄得到cDNA第一條鏈。根據(jù)在河川沙塘鱧轉(zhuǎn)錄組測序所得的cDNA文庫進(jìn)行篩選,得到DMRT1基因的cDNA中間EST序列,長度約為894 bp,根據(jù)其設(shè)計 5′RACE和 3′RACE序列擴增引物,分別按照的5′RACE System for Rapid Amplification of cDNA Ends Version 2.0試劑盒和Clontech公司的SMARTerTMRACE cDNA Amplification Kit試劑盒的方法進(jìn)行操作。擴增基因所需的引物見表1。
表1 DMRT1基因擴增所用引物Tab.1 Primers used for DMRT1 genes amplification
將DMRT1保守區(qū)片段、3′端序列及5′端序列進(jìn)行拼接,得到DMRT1序列的總長,其結(jié)果用DNAStar軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析。使用BLAST程序(http://blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi)進(jìn)行檢索,得到與河川沙塘鱧開放閱讀框(ORF)高度同源的核苷酸和氨基酸序列。使用軟件DNAman進(jìn)行多序列比對;開放閱讀框氨基酸序列及氨基酸序列的理論分子量(MW)、等電點(pI)等用蛋白質(zhì)分析專家系統(tǒng)(Expert Protein Analysis System,ExPASy,http://www.expasy.org/tools/protparam.html)進(jìn)行預(yù)測。使用 SMART(http://smart.embl-heidelberg.de/)軟件對預(yù)測到的序列進(jìn)行分析,包括所組成的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)特點、結(jié)構(gòu)域等。使用 SignalP 4.1(http://www.cbs.dtu.dk/services/SignalP/)進(jìn)行信號肽的預(yù)測。使用同源建模網(wǎng)站 Swiss-model(http://swissmodel.expasy.org/)預(yù)測蛋白質(zhì)的高級結(jié)構(gòu)。根據(jù)GenBank中已有物種的DMRT1氨基酸序列,用MEGA 5.0軟件構(gòu)建 N-J系統(tǒng)發(fā)育樹[25]。
對河川沙塘鱧不同組織、胚胎不同時期和性腺不同發(fā)育階段的材料,分別提取總RNA后反轉(zhuǎn)錄得到cDNA。根據(jù)目前已獲得的cDNA的全長序列分別設(shè)計特異性引物DMRT1-F、DMRT1-R,以及作為內(nèi)參基因的β-actin基因特異性上下游引物 β-actin-F、β-actin-R(表 1),已有研究證明β-actin基因可作為河川沙塘鱧性腺的內(nèi)參基因[26]。分別以8種組織和8個胚胎發(fā)育時期和4個雌雄性腺發(fā)育時期的cDNA為模板,進(jìn)行熒光定量PCR擴增,來檢測DMRT1基因的mRNA在河川沙塘鱧不同組織及胚胎不同時期和性腺不同發(fā)育時期的表達(dá)情況。
熒光定量 PCR反應(yīng)體系 20μL:Faststart Universal SYBR Green Master 10μL,正反向引物各3μL,cDNA模板4μL。擴增程序為:95℃10 min;95℃ 10 s,55℃ 30 s,共40個循環(huán),于4℃冰箱中進(jìn)行保存[27]。所有樣品檢測實驗重復(fù)3次。其中,每條引物配置成的工作液濃度為2 μmol·μL-1,cDNA模板的濃度為5 ng·μL-1。
實驗數(shù)據(jù)采用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(Means±SD)表示。目的基因的相對表達(dá)量采用2-ΔΔCt法進(jìn)行計算,實驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析、差異顯著性檢驗分析用SPSS 19軟件進(jìn)行處理,用One-Way ANOVA計算P值,當(dāng) P<0.05時為差異顯著。使用Origin 8.6軟件制圖。
通過 RACE技術(shù)克隆得到:河川沙塘鱧DMRT1基因cDNA的全長序列為2 025 bp,包括編碼297個氨基酸的開放閱讀框(ORF)894 bp、73 bp的5′非編碼區(qū)和1 058 bp的3′非編碼區(qū)。其中,3′非編碼區(qū)具有脊椎動物典型的加尾信號AATAAA和25 bp的PolyA尾巴,表明獲得的該cDNA全長序列的完整性(圖1)。
圖1 河川沙塘鱧DMRT1 cDNA序列及推導(dǎo)的氨基酸序列Fig.1 Nucleotide and translated am ino acid sequences of DMRT1 cDNA in O.potamophila
通過ExPASy軟件預(yù)測所得的氨基酸分子量為170 519.30,理論等電點為4.91。DMRT1基因的編碼區(qū)經(jīng)SignalP軟件分析發(fā)現(xiàn),其不存在信號肽序列,不屬于分泌蛋白。通過SMART軟件對DMRT1基因的ORF區(qū)域的氨基酸序列進(jìn)行分析,結(jié)果表明,共包含有2個結(jié)構(gòu)域,分別是DM結(jié)構(gòu)域(18 aa)、Pfam蛋白結(jié)構(gòu)(23 aa)。
將河川沙塘鱧DMRT1基因輸入GenBank進(jìn)行注冊(登錄號:MG585938)。使用 DNAman軟件將河川沙塘鱧與其它7種已知物種的DMRT1基因的氨基酸序列進(jìn)行多序列對比,以檢測同源性。結(jié)果顯示,河川沙塘鱧的DMRT1基因的氨基酸序列與另外7種已知物種氨基酸序列同源性在11.6~80%之間,其中與硬骨魚類的相似度均大于50%,與其它類別的脊椎動物的相似度則小于 50%。其中,與同為鱸形目軍曹魚(Rachycentron canadum)和歐洲鱸魚(Dicentrarchus labrax)的同源性最高,分別為80%和77%,與鳉形目花斑劍尾魚(Xiphophorus maculatus)、鲀形目的紅鰭東方鲀(Takifugu rubripes)以及鯉形目的斑馬魚的同源性次之,分別為 74%、64.33%、53.49%,與哺乳綱的家鼠(Musmusculus)以及鳥綱的原雞(Gallusgallus)的同源性最低,分別為32.62%和16.11%(圖2)。
圖2 河川沙塘鱧與其它物種DMRT1氨基酸序列對比Fig.2 Comparison of translated am ino acid sequences of DMRT1 gene in O.potamophila w ith other species
為研究河川沙塘鱧DMRT1基因與其它物種之間的同源性,采用MEGA 5.0以N-J法構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹(圖3)。結(jié)果表明,在進(jìn)化樹的兩大分支中,所有的魚類聚為一支,而與魚類親緣關(guān)系較遠(yuǎn)的爬行類、鳥類和哺乳類的動物聚為另外一支,這與傳統(tǒng)的分類情況是一致的,基本符合從低等無脊椎動物向高等脊椎動物乃至人類的進(jìn)化過程,物種之間進(jìn)化地位的差異推測與DMRT1基因DM保守區(qū)域氨基酸序列的變異情況有關(guān)。此外,由進(jìn)化樹可以得知,河川沙塘鱧與同為鱸形目的軍曹魚以及金錢魚(Scatophagus argus)同源性較高,表明其親緣關(guān)系較近。
應(yīng)用同源建模網(wǎng)站 Swiss-model,以人類DMRT1基因的三維結(jié)構(gòu)為模板(4yj0.1),推測出河川沙塘鱧DMRT1基因的三維結(jié)構(gòu)(圖4),該三維結(jié)構(gòu)與人類性別決定基因的DM結(jié)構(gòu)域有相同構(gòu)型,序列相似度達(dá) 60%,序列同源性達(dá)90.32%,都具有與DNA結(jié)合的鋅指結(jié)構(gòu)蛋白。
通過qRT-PCR技術(shù)對河川沙塘鱧雌雄個體的各個組織的表達(dá)情況檢測分析,由圖5可知,河川沙塘鱧DMRT1基因在精巢中大量表達(dá),在卵巢、肌肉、心臟、肝4種組織中表達(dá)較少,而在鰓、腸、腦、脾4種組織中幾乎不表達(dá)。
圖4 河川沙塘鱧DMRT1基因的三維結(jié)構(gòu)Fig.4 Three-dimension structure of O.potamophila DMRT1
圖5 DMRT1在河川沙塘鱧不同組織中的表達(dá)Fig.5 DMRT1 gene expressions in various tissues of O.potamophila
通過qRT-PCR技術(shù)對河川沙塘鱧的胚胎和仔魚在不同發(fā)育時期表達(dá)情況進(jìn)行分析。由圖6可知,在胚胎各個時期到仔魚發(fā)育初期,都可以檢測到DMRT1基因的表達(dá),具有廣泛表達(dá)的特點,其表達(dá)量隨著河川沙塘鱧的不斷發(fā)育呈先上升后下降的趨勢,在原腸胚時期達(dá)到最高值,顯著地高于其它發(fā)育階段(P<0.05),之后才逐漸降低。
圖6 DMRT1在河川沙塘鱧胚胎期和仔魚發(fā)育早期表達(dá)Fig.6 DMRT1 gene expressions during the embryonic and early larval development of O.potamophila
通過qRT-PCR技術(shù)對河川沙塘鱧DMRT1基因在性腺不同時期的表達(dá)情況進(jìn)行分析。由圖7可知,在河川沙塘鱧精巢發(fā)育的各個時期都有所表達(dá),但不同時期表達(dá)強度存在差異,其在精巢發(fā)育的各個時期呈先下降后上升的趨勢,在精子成熟期(IV期)達(dá)到最大值,而DMRT1基因在卵巢發(fā)育的各個時期表達(dá)量較少且表達(dá)強度差異不明顯。
DMRT1基因是目前發(fā)現(xiàn)的唯一一個同時存在于無脊椎動物和脊椎動物中的性別相關(guān)基因[28],廣泛參與物種的性別決定、分化過程以及器官的功能維持[29]。然而,物種間進(jìn)化地位和性別決定機制的差異使其在性別發(fā)育過程中作用及表達(dá)特性也存在較大的差異[2]。
圖7 DMRT1在河川沙塘鱧性腺不同時期的表達(dá)Fig.7 DMRT1 gene expressions in different gonadal development stages of O.potamophila
本研究對其表達(dá)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)預(yù)測表明河川沙塘鱧DMRT1基因共包含有2個結(jié)構(gòu)域,分別是DM結(jié)構(gòu)域和Pfam蛋白結(jié)構(gòu),其中DM結(jié)構(gòu)域是一段包含用以鋅離子螯合的鋅指結(jié)構(gòu)(C2H2C4)的保守區(qū),而此保守區(qū)的鋅指蛋白可結(jié)合受控基因的啟動子以調(diào)節(jié)下游目的基因的表達(dá)[28],最終影響精巢的發(fā)育。
通過河川沙塘鱧DMRT1基因cDNA全長序列分析發(fā)現(xiàn),該基因在分子進(jìn)化過程中具有高度的保守性,尤其是DM結(jié)構(gòu)域。經(jīng)過表達(dá)氨基酸序列同源性比對,河川沙塘鱧與同為鱸形目的軍曹魚和歐洲鱸魚的同源性最高,與其它目硬骨魚氨基酸序列相比也表現(xiàn)出了高度的同源性,雖然與哺乳類、鳥類氨基酸序列的同源性較低,但序列比對結(jié)果表明,其結(jié)構(gòu)域特定部位的氨基酸序列是高度保守的,推測這些序列的組成對于維持DMRT1基因的結(jié)構(gòu)和功能可能是必需的。利用DMRT1基因編碼的氨基酸序列構(gòu)建了進(jìn)化系統(tǒng)樹,在進(jìn)化樹的兩大分支中,河川沙塘鱧與所有的硬骨魚類聚為一簇,如鱸形目的軍曹魚、金錢魚等,而爬行類、鳥類和哺乳類的動物聚為另外一支,聚類分析各參考物種與其組成的進(jìn)化樹的分類地位基本吻合[28],由此可以推測河川沙塘鱧在系統(tǒng)進(jìn)化過程中的分類地位,這也表明DMRT1基因在不同進(jìn)化地位的物種間具有一定差異,這種差異與親緣關(guān)系的聯(lián)系十分密切。此外,空間結(jié)構(gòu)預(yù)測表明,河川沙塘鱧DMRT1基因的三維結(jié)構(gòu)與人類性別決定基因的DM結(jié)構(gòu)域有著相同構(gòu)型,序列相似度達(dá)60%,同源性更是高達(dá)90.32%。由此可見,DMRT1在物種進(jìn)化過程中具有高度的保守性。
DMRT1基因在一些魚類中早已被成功克隆且對其在性腺組織中的表達(dá)情況進(jìn)行了研究。KOBAYASHI等[16]對青鳉研究發(fā)現(xiàn),DMRT1在其發(fā)育不同階段的多種組織中均有表達(dá)。而在斑馬魚[30]、稀有鮈鯽(Gobiocypris rarus)[31]、牙鲆(Paralichthys olivaceus)[32]、 黑 鯛 (Sparus macrocephlus)[33]、非 洲 胡 子 鲇[17]、紅 鰭 東 方鲀[34]、異育銀鯽(Carassius auratus gibelio)[35]、半滑舌鰨(Cynoglossus semilaevis Gunther)[36]和尼羅羅非魚[7]等魚類的研究中發(fā)現(xiàn),DMRT1基因的表達(dá)具有性別二態(tài)性,即在雄性成體精巢中具有特異性的表達(dá)或在精巢中的表達(dá)量遠(yuǎn)高于卵巢中表達(dá)量[37]。DMRT1基因在兩性中差異性表達(dá)的特點也與本研究的結(jié)果一致,表現(xiàn)為河川沙塘鱧DMRT1基因在精巢中的表達(dá)量遠(yuǎn)大于卵巢中表達(dá)量,這說明DMRT1基因僅在精巢的發(fā)育過程中起到了重要的作用。此外,周楠[18]對烏鱧的研究結(jié)果表明,DMRT1在卵巢中的表達(dá)量約為精巢的1/6,在肌肉、肝、心、鰓等組織中的表達(dá)量較少且無明顯的雌雄差異。而在本實驗中DMRT1基因在精巢中大量表達(dá),在卵巢、心臟、肌肉、肝中少量表達(dá),在腸、腦、鰓、脾中幾乎不表達(dá),這與烏鱧的研究結(jié)果基本一致,因此推測DMRT1基因在精巢的發(fā)生和功能維持上發(fā)揮作用[18]。
DMRT1基因在不同魚類胚胎發(fā)育的不同時期廣泛表達(dá)。如DMRT1基因在青鳉胚胎發(fā)育早期持續(xù)表達(dá)[38];李林等[39]在黃顙魚(Pelteobagrus fulvidraco)胚胎發(fā)育的各個階段都能檢測到DMRT1基 因 的 表 達(dá);王 金 華[40]對 香 魚(Plecoglossus altivelis)研究發(fā)現(xiàn),香魚從受精卵到孵化出膜的胚胎發(fā)育的各個階段中都能檢測到DMRT1基因的表達(dá)。在本研究中,河川沙塘鱧DMRT1基因在胚胎發(fā)育的各個時期都有表達(dá),這種廣泛表達(dá)的特性與先前的研究結(jié)果一致,推測該基因在河川沙塘鱧胚胎發(fā)育過程中也扮演著重要角色。在硬骨魚中,原始生殖細(xì)胞(PGCs)最早發(fā)現(xiàn)于原腸胚時期[41]。河川沙塘鱧DMRT1基因的表達(dá)量在胚胎發(fā)育的不同時期呈先上升后下降的趨勢,在原腸胚時期達(dá)到最高,該表達(dá)模式與黃顙魚[39]、香魚[40]類似。因此推測,DMRT1基因在胚胎發(fā)育過程中的高表達(dá)可能與原始生殖細(xì)胞的產(chǎn)生有關(guān)。
DMRT1基因在性腺不同時期的表達(dá)量存在明顯的時空差異性,如在銀漢魚(Odontesthes bonariensis)中,DMRT1于精子再次發(fā)生時表達(dá)量會增高[42];虹鱒DMRT1在精子發(fā)生期的各個階段均能穩(wěn)定表達(dá),而在精子成熟后表達(dá)量減少[43];黃顙魚DMRT1基因在IV期精巢中的表達(dá)量最高,在V期(精子成熟期)及VI期(精子退化期)的表達(dá)量減少[39]。此外,DMRT1基因在胡子鲇[28]、黑鯛[33]的精巢Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ期均能夠穩(wěn)定表達(dá),而在精原細(xì)胞和精母細(xì)胞大量存在時表達(dá)量顯著增強。以上研究說明,DMRT1基因在不同魚類性腺的不同時期其表達(dá)量存在差異。本實驗發(fā)現(xiàn)DMRT1基因在河川沙塘鱧精巢發(fā)育的各個時期表達(dá)量也存在差異且呈先下降后上升的趨勢,在精子成熟期(Ⅳ期)達(dá)到最大值,這與鱘魚DMRT1基因的表達(dá)趨勢類似[19],推測DMRT1基因可能在精巢的發(fā)育和功能維持過程中起重要作用。至于DMRT1基因通過何種途徑發(fā)揮相關(guān)作用,有待今后更進(jìn)一步研究。
河川沙塘鱧DMRT1基因具有保守的DM結(jié)構(gòu)域,該基因在精巢的發(fā)育過程中持續(xù)表達(dá)并在Ⅳ期精巢表達(dá)量最高,推測其可能與精巢的發(fā)育和功能維持密切相關(guān)。本實驗為河川沙塘鱧DMRT1基因功能的研究提供了理論依據(jù),為其性別決定機制的研究奠定了基礎(chǔ),也為探究河川沙塘鱧的全雄育種打下了基礎(chǔ)。