宋宇航,白 旭,馮嘉偉,尹延萍,肖 陽,楊婉瑩,鐘仰進
(1 華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 動物科學(xué)學(xué)院/廣東省農(nóng)業(yè)動物基因組學(xué)與分子育種重點實驗室,廣東 廣州 510642;2 廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 蠶業(yè)與農(nóng)產(chǎn)品加工研究所,廣東 廣州 510640)
昆蟲滯育(Diapause)是指昆蟲在感受到環(huán)境的不良信號后,生長發(fā)育進入停滯的狀態(tài)。滯育不僅能幫助昆蟲躲避不良環(huán)境,還能使其發(fā)育整齊,增加繁殖幾率,保證種群繁衍[1]。不同昆蟲滯育發(fā)生的階段不同,可分為卵滯育、幼蟲滯育、蛹滯育以及成蟲滯育[2]。
二化性家蠶Bombyx mori是典型的卵滯育昆蟲,由滯育激素 (Diapause hormone,DH)調(diào)控。DH 由蛹至成蟲發(fā)育過程中咽下神經(jīng)節(jié)(Suboesophageal ganglion,SG)的 12 個神經(jīng)細胞表達合成。成熟的DH 只有 24 個氨基酸,這個小分子多肽由心側(cè)體至咽側(cè)體釋放到血淋巴[3-5],繼而被血淋巴轉(zhuǎn)運到雌性蠶蛹的卵巢,與卵巢上的 DH 受體(Diapause hormone receptor,DHR)結(jié)合,使第二信使鳥苷酸環(huán)化酶(cAMP)活性下降[6],導(dǎo)致血淋巴中大量海藻糖被分解成葡萄糖,形成糖原。糖原被分解后合成山梨醇、甘油等有機物。家蠶產(chǎn)卵,并以蠶卵狀態(tài)進入滯育期[7-9]。
親代經(jīng)歷的熱應(yīng)激反應(yīng)可以通過表觀遺傳效應(yīng)跨代遺傳給下一代[18]。表觀遺傳是指在基因DNA 序列沒有改變的情況下,基因功能發(fā)生了可遺傳的變化,這種變化在細胞分裂甚至隔代遺傳中保持穩(wěn)定。已知的表觀遺傳現(xiàn)象有DNA 甲基化、組蛋白修飾、基因組印記、非RNA編碼等和母體效應(yīng)等[19]。家蠶滯育誘導(dǎo)受母體效應(yīng)機制調(diào)控,為了探討表觀遺傳修飾在家蠶滯育誘導(dǎo)發(fā)生中的作用機制,我們篩選了受溫度調(diào)控滯育發(fā)生的二化性家蠶品種,將蠶卵分別放置在25和15 ℃催青,收集不同積溫點的蠶卵,抽提蛋白,進行甲基化、磷酸化、乙?;瓤贵w的Western blot檢測。研究蛋白質(zhì)修飾在家蠶滯育誘導(dǎo)中的作用,研究結(jié)果將為家蠶的滯育分子機理提供參考。
供試家蠶二化性品種:P50由中國科學(xué)院蠶業(yè)研究所徐安英研究員提供,大造(Dazao)由廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蠶業(yè)與農(nóng)產(chǎn)品加工研究所提供。將其蠶卵分別放在25和15℃催青孵化后,幼蟲期置于26~28℃、相對濕度 60%±5%、12 h日夜交替的環(huán)境下用新鮮桑葉飼喂至上蔟。出蛾交配6 h后產(chǎn)卵。然后將這些蠶卵置于25℃氣候箱,10 d后觀察蠶卵滯育狀況,統(tǒng)計滯育卵、混合卵和非滯育卵的卵圈數(shù)量。
甲基化賴氨酸泛抗體、乙?;嚢彼岱嚎贵w、磷酸化賴氨酸泛抗體、泛素化泛抗體、丙二酰化賴氨酸泛抗體和琥珀?;嚢彼岱嚎贵w購自杭州景杰生物科技有限公司;SDS、BSA、Tris、二乙醇胺、尿素等購自廣州翔博生物科技有限公司;BCA法蛋白定量試劑盒購自上海碧云天生物技術(shù)有限公司;蛋白酶抑制劑、磷酸酶抑制劑、PR-619、TSA和NAM購自上海藍木化工有限公司。
將二化性家蠶品種P50的蠶卵放在25 ℃氣候箱中催青,飼喂1代后產(chǎn)下滯育卵。將滯育卵在產(chǎn)卵 20 h 后進行浸酸處理,在 1.075 g/L (46.1 ℃)的鹽酸溶液中浸泡4.5 min,隨即放在流動的水中浸泡30 min,沖洗干凈后放置在25 ℃晾干。隨后將解除滯育的蠶卵分成2組,一組置于25 ℃氣候箱中明催青(高溫滯育誘導(dǎo)組),另一組置于15 ℃氣候箱中暗催青(低溫非滯育誘導(dǎo)組)。高溫滯育誘導(dǎo)組分別在25 ℃催青后的第4、5、6和8天(點青期)取樣;低溫非滯育誘導(dǎo)組分別在與滯育誘導(dǎo)組相同積溫處取樣。將蠶卵樣品放于-80 ℃冰箱儲存?zhèn)溆谩?/p>
將“1.3”中取樣的蠶卵樣品,各組稱取同等質(zhì)量放至液氮預(yù)冷的研缽中,加液氮充分研磨成粉末。各組樣品分別加入4倍體積的酚抽提緩沖液[含質(zhì)量分數(shù)為1%的蛋白酶抑制劑和1%的磷酸酶抑制劑、50 μmol/L PR-619、3 μmol/L 曲古柳菌素 (TSA)和 50 mmol/L 煙酰胺 (NAM)],超聲裂解。加入等體積的 Tris平衡酚,4 ℃、6 000 r/min離心 10 min,取適量上清液,加入 5 倍體積含 0.1 mol/L乙酸銨的甲醇溶液沉淀過夜。蛋白沉淀分別用甲醇和丙酮進行洗滌,最后沉淀用8 mol/L尿素復(fù)溶。
取蠶卵蛋白,使用 BCA 試劑盒測定蛋白質(zhì)濃度,方法如下:將 0、5、10、15、20 μL 標準品加到酶標條的樣品孔中,加樣品稀釋液補足至 20 μL,各檢測 3 個復(fù)孔;同時將 5 μL 待測蛋白樣品加到酶標條的樣品孔中,加樣品稀釋液補足至 20 μL,各檢測 3個復(fù)孔;在孔里加入 200 μL BCA 工作液,37 ℃ 條件下靜置反應(yīng) 30 min。用酶標儀測定D570nm。根據(jù)標準曲線和使用的樣品體積計算出樣品的蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度。
蛋白膠由質(zhì)量分數(shù)為12%的蛋白分離膠和5%的蛋白濃縮膠組成。根據(jù)蛋白質(zhì)濃度測定結(jié)果,每個樣品取等量蛋白到離心管中,加入5 μL 4×Loading buffer,再加入質(zhì)量分數(shù)為 2% 的 SDS 溶液使終體積為20 μL;依次在蛋白膠膠孔上樣1 μL預(yù)染蛋白Marker 和20 μL蛋白樣品。濃縮膠在15 mA電流下電泳15 min,將蛋白濃縮為1條線。分離膠 35 mA 電流下電泳至 Loading buffer到膠底部。膠取出后放在考馬斯亮藍R-250 染液中室溫染色2 h,然后加入脫色液,脫色至背景無色、條帶清晰。
取 30 μg 蛋白質(zhì)樣品,加入 4×Sample buffer,調(diào)至 1×,樣品配制質(zhì)量濃度控制在 2 g/L,95 ℃ 加熱10 min。依次在蛋白膠膠孔上樣1 μL預(yù)染蛋白 Marker 和 20 μg 蛋白樣品,進行 SDS-PAGE 電泳檢測,先 80 V 恒壓 30 min,再 120 V 恒壓電泳至溴酚藍剛跑出分離膠。將膠平鋪于經(jīng)轉(zhuǎn)膜液浸泡的NC膜上,隨后將轉(zhuǎn)印夾按正確電極方向放入電轉(zhuǎn)槽。4 ℃、80 V 恒壓電轉(zhuǎn) 2 h。再用含 5%(ω)脫脂奶粉的TBST溶液進行封閉,室溫封閉1 h。封閉結(jié)束,使用TBST溶液漂洗3次,每次10 min。再使用含5%(ω)脫脂奶粉的TBST溶液稀釋抗體,加入抗體后置于4 ℃冰箱,溫和搖晃孵育過夜。一抗孵育結(jié)束后,使用TBST溶液漂洗3次,每次10 min。加入二抗,室溫孵育 1 h。二抗孵育結(jié)束,用TBST溶液 漂洗3次,每次10 min。加入熒光底物孵育5 min,用自封袋覆蓋在膜上,放入暗盒曝光。
(一)加強基層黨組織建設(shè)。為了充分發(fā)揮黨組織的核心作用和基層黨組織戰(zhàn)斗堡壘作用,市農(nóng)場管理局黨組印發(fā)了《關(guān)于認真抓好“支部主題黨日”活動的通知》,明確了“五個堅持”(即堅持領(lǐng)導(dǎo)帶頭、堅持“全覆蓋”、堅持依規(guī)管理、堅持問題導(dǎo)向、堅持分類指導(dǎo)),為推動農(nóng)墾改革,保證和監(jiān)督各項政策的貫徹落實提供堅強的組織保障。
為了篩選穩(wěn)定的受溫度調(diào)控的二化性家蠶品種進行滯育研究,我們分別統(tǒng)計了大造和P50蠶卵在25和15 ℃催青孵化后的子代滯育情況,統(tǒng)計結(jié)果如圖1所示。25 ℃催青孵化的大造產(chǎn)下的滯育卵圈占42.9%,混合卵圈占7.1%,非滯育卵圈占50.0%;15 ℃催青孵化的大造產(chǎn)下的滯育卵圈占32.1%,混合卵圈占7.1%,非滯育卵圈占60.8%,說明大造的滯育不完全受溫度調(diào)控。25 ℃催青孵化的P50可以產(chǎn)下100.0%滯育卵,15 ℃催青孵化時產(chǎn)下100.0%非滯育卵。后續(xù)分別在夏秋季繼續(xù)養(yǎng)蠶重復(fù)該試驗,二化性家蠶P50的卵滯育表型可以穩(wěn)定地受溫度調(diào)控,因此后續(xù)試驗選擇使用P50進行。滯育的3種類型如圖2所示。
圖1 不同品種家蠶高、低溫催青后代滯育型統(tǒng)計Fig.1 The statistics of diapause type of offspring of different Bombyx mori varieties incubated at high or low temperature
圖2 3種家蠶蠶卵類型圖片F(xiàn)ig.2 Pictures of three types of Bombyx mori eggs
Sato等[20]通過溫度交換試驗確定了二化性家蠶Kosetsu在25 ℃催青的敏感期為第3.5~5.5 天,昆蟲的滯育誘導(dǎo)是在敏感期完成的,15 ℃催青的敏感期在第12~20 天。我們在前期飼養(yǎng)過程中發(fā)現(xiàn)P50在15 ℃催青時發(fā)育比Kosetsu略快,因此選取了25 ℃催青4、5、6和8 d點青期的蠶卵蛋白作為樣品進行檢測,計算出這4個取樣點的積溫分別為 66.8、82.0、100.2、133.6 ℃。15 ℃ 催青組分別按相同積溫進行取樣。抽提蛋白后,取5 μL蛋白樣品,通過BCA 試劑盒測定蛋白濃度。根據(jù)標準曲線,計算獲得每個樣品的蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度和蛋白質(zhì)質(zhì)量,結(jié)果如表1所示。
表1 高、低溫催青家蠶蠶卵的蛋白含量Table 1 Protein content of Bombyx mori eggs incubated at high or low temperature
通過SDS-PAGE電泳后,進行考馬斯亮藍染色、脫色檢測抽提蛋白質(zhì)量,結(jié)果如圖3所示。從圖中可以看出抽提的蛋白電泳條帶清晰、均一,蛋白無降解,組內(nèi)各泳道平行性好,可以用于后續(xù)的蛋白質(zhì)修飾檢測試驗。同時電泳結(jié)果也顯示,在胚胎發(fā)育前期,積溫分別為66.8和82.0 ℃時,25和15 ℃催青組的蠶卵蛋白電泳條帶相似;積溫在100.2 ℃時,高、低溫處理組出現(xiàn)差異條帶。在蠶卵孵化前的點青期,蛋白條帶與發(fā)育前期明顯不同,說明這個時期的胚胎發(fā)生了急劇的生理生化改變,蛋白質(zhì)代謝加速。
圖3 高、低溫催青的不同積溫蠶卵蛋白的 SDS-PAGE 電泳檢測Fig.3 SDS-PAGE detection of protein in Bombyx mori eggs with different accumulated temperature incubated at high or low temperature
將上述高、低溫催青孵化的蠶卵蛋白定量,取20 μg蛋白進行SDS-PAGE電泳,分別用甲基化、乙?;⒘姿峄?、泛素化、丙二?;顽牾;贵w進行Western blot雜交,相同曝光時長下檢測高、低溫催青蠶卵蛋白質(zhì)的蛋白修飾差異,同時對各種蛋白質(zhì)修飾水平進行掃描定量。
家蠶胚胎期蛋白質(zhì)的甲基化修飾水平在發(fā)育前期 4、5、6 d (積溫分別為 66.8、82.0、100.2 ℃)時非常低,到8 d點青期(積溫為133.6 ℃)時突然增高,對條帶進行灰度掃描比較發(fā)現(xiàn),25 ℃高溫組的甲基化修飾水平一直高于相同積溫下的15 ℃低溫組,但只有在點青期時,2組處理之間有顯著差異(圖4A、5A)。
圖4 高、低溫催青的不同積溫家蠶蠶卵的蛋白修飾檢測Fig.4 Detection of protein modification of Bombyx mori eggs with different accumulated temperature incubated at high or low temperature
對蛋白質(zhì)乙?;揎椦芯孔疃嗟氖菍M蛋白的修飾,我們的檢測發(fā)現(xiàn)25 ℃催青組蠶卵的乙?;揎椝皆诜e溫為66.8 ℃時低于15 ℃催青組蠶卵,積溫為 82.0、100.2 ℃時稍高于15 ℃催青組,而在點青期(積溫為133.6 ℃)又顯著低于15 ℃催青組蠶卵,在整個發(fā)育時期2組處理之間都存在顯著差異 (圖 4B、5B)。
泛素化修飾主要參與蛋白質(zhì)降解,其修飾水平在蠶卵整個催青發(fā)育過程中表現(xiàn)穩(wěn)定,且25 ℃催青組蠶卵蛋白的泛素化修飾水平在積溫為66.8和100.2 ℃時極顯著低于15 ℃催青的蠶卵,在積溫為82.0 ℃時顯著低于15 ℃催青的蠶卵,在點青期(積溫為133.6 ℃)雖然低于15 ℃催青組,但不存在顯著性差異。分析原因可能是為應(yīng)對15 ℃低溫逆境,家蠶胚胎細胞通過降解細胞器和蛋白質(zhì)以維持基本的生存,因此泛素化修飾水平高,家蠶胚胎生長發(fā)育遲緩(圖4C、5C)。
從圖4D、5D中可以看出磷酸化修飾水平在整個胚胎發(fā)育期都非常高,說明磷酸化修飾作為一種基本修飾形式參與到生長發(fā)育的生理生化反應(yīng)中。在25 ℃催青組積溫為66.8、82.0和100.2℃時,磷酸化高于15 ℃催青組,在點青期(積溫為133.6 ℃)低于15 ℃催青組,但比較發(fā)現(xiàn)2種處理之間不存在顯著性差異。
丙二?;揎椝皆谛Q卵胚胎期較高,但高、低溫處理組間沒有明顯差異(圖4E、5E);琥珀?;揎椩谛Q卵胚胎期發(fā)生水平較低,但在積溫為100.2 ℃時,15 ℃催青處理組蠶卵蛋白在相對分子質(zhì)量為70 000的琥珀酰化修飾明顯增多,使這一積溫處總體的琥珀?;揎楋@著增高。點青期(積溫為133.6 ℃)時,2組處理之間帶型差異明顯,15 ℃催青組的蠶卵蛋白在相對分子質(zhì)量為35 000處有明顯修飾(圖4F、5F),說明琥珀?;揎椏赡馨l(fā)生在一些特異功能蛋白上。
圖5 高、低溫催青的不同積溫家蠶蠶卵的蛋白修飾灰度掃描圖Fig.5 Gray-scale scanning image of protein modification of Bombyx mori eggs with different accumulated temperature incubated at high or low temperature
家蠶滯育誘導(dǎo)是自身在胚胎期感受到外界環(huán)境信號,經(jīng)中樞神經(jīng)系統(tǒng)接收整合并調(diào)節(jié)自身內(nèi)分泌系統(tǒng),導(dǎo)致體內(nèi)各種生理生化特性發(fā)生變化,并決定下一代是否滯育[16,21]。這種調(diào)控屬于跨代效應(yīng),往往通過蛋白質(zhì)修飾來實現(xiàn)[22-23]。我們通過Western blot檢測了25和15 ℃催青后蠶卵蛋白質(zhì)的甲基化、乙?;⒘姿峄?、泛素化、丙二?;顽牾;揎椝?,其中,甲基化、乙?;⒎核鼗?、琥珀?;揎椝讲町惷黠@,而磷酸化和丙二?;揎椝讲町惒幻黠@。
甲基化修飾是一種常見的蛋白質(zhì)和DNA修飾形式。DNA甲基化不僅調(diào)控生物的生長發(fā)育,而且參與了生物對逆境脅迫的應(yīng)答[23-24]。近年來的研究表明DNA甲基化和組蛋白的甲基化參與昆蟲滯育誘導(dǎo)的調(diào)控。如RNA 干擾麗蠅蛹集金小蜂Nasonia vitripennis的DNA甲基轉(zhuǎn)移酶1a(Dnmt1a)和DNA甲基轉(zhuǎn)移酶3(Dnmt3)會破壞其由光周期誘導(dǎo)的滯育反應(yīng)[19]。在果蠅Drosophila3 齡幼蟲前 3 d干擾其Dpy-30基因,會導(dǎo)致組蛋白 H3(H3K4)甲基化活性下降,且組蛋白去甲基化酶基因LSD1、Su(var)3-9的表達量顯著上調(diào),隨后的生長發(fā)育中會出現(xiàn)滯育表型[25]。Egi等[26]用DNA甲基轉(zhuǎn)移酶抑制劑5-氮雜胞苷處理家蠶幼蟲和柞蠶Antherea pernyi滯育蛹,發(fā)現(xiàn)藥物處理對短日滯育維持和長日羽化無顯著影響,說明DNA甲基化在家蠶光周期引起的滯育中不起作用,暗示DNA甲基化并沒有參與家蠶滯育誘導(dǎo)的調(diào)控。但在我們對蛋白質(zhì)的甲基化修飾篩查發(fā)現(xiàn),25 ℃催青處理下的4個關(guān)鍵時間點中,蠶卵蛋白的甲基化水平始終高于15 ℃催青組,到孵化前的點青期則是顯著更高,說明蛋白質(zhì)甲基化可能參與了滯育誘導(dǎo)的調(diào)控,至于是否是通過對組蛋白的甲基化修飾誘導(dǎo)滯育發(fā)生則需要進一步通過蛋白質(zhì)修飾組學(xué)進行研究。
蛋白質(zhì)乙?;侵傅鞍踪|(zhì)在乙?;D(zhuǎn)移酶的催化下把乙?;鶊F共價結(jié)合到底物蛋白質(zhì)的氨基酸殘基上,與蛋白質(zhì)去乙?;纬煽赡嫘孕揎椷^程。組蛋白修飾具有調(diào)控基因表達、維持基因組和染色體的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性的作用,其中組蛋白乙?;揎棇θ旧w結(jié)構(gòu)的影響及轉(zhuǎn)錄調(diào)控是研究最為深入的領(lǐng)域[27]。近年來的研究發(fā)現(xiàn),昆蟲常通過改變體內(nèi)組蛋白修飾基因表達量的方式間接參與滯育誘導(dǎo)的調(diào)控。如地蟋蟀Allonemobius socius的組蛋白乙?;騬eptin在不同發(fā)育階段始終處于動態(tài)變化水平,Reynolds等[28]發(fā)現(xiàn)在滯育誘導(dǎo)期reptin基因的轉(zhuǎn)錄表達顯著上調(diào),滯育后則急劇下調(diào)。我們的結(jié)果表明在家蠶胚胎發(fā)育期蛋白質(zhì)乙酰化修飾水平總體上較高,在25 ℃和15 ℃催青組的不同發(fā)育階段處于動態(tài)變化中。在蠶卵孵化前的點青期,25 ℃催青組蠶卵蛋白的乙?;揎椝斤@著低于15 ℃催青組,猜測蛋白質(zhì)乙?;揎椏赡軐φ{(diào)節(jié)自身發(fā)育起著重要作用。接下來我們將通過蛋白質(zhì)質(zhì)譜技術(shù)進一步篩查發(fā)生乙酰化修飾差異的蛋白質(zhì),分析其與家蠶滯育誘導(dǎo)的關(guān)系。
蛋白質(zhì)的泛素化修飾是通過泛素-蛋白酶系統(tǒng)(Ubiquitin-proteasome system,UPS) 介導(dǎo)參與的一種調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)降解過程[29]。泛素化修飾主要發(fā)生在賴氨酸(Lysine,Lys)殘基上,對細胞分化、調(diào)控、生物合成、細胞凋亡和免疫應(yīng)激反應(yīng)等生理過程起著重要作用[30]。在本試驗中25 ℃催青組的泛素化水平始終低于15 ℃催青組,說明低溫處理對蠶卵是一種不良環(huán)境刺激,泛素化修飾始終參與了這個應(yīng)激反應(yīng)過程。蛋白質(zhì)的磷酸化修飾是研究最為廣泛的一種修飾方式,廣泛參與到生命活動的各種生理過程,如細胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、細胞增殖、發(fā)育與分化等[31]。在催青的前期,25 ℃處理組的磷酸化修飾水平高于15 ℃處理組,說明25 ℃催青時細胞內(nèi)生命活動較15 ℃催青組的頻繁,低溫組的細胞分裂、增殖和分化等活動變緩。
丙二酰化和琥珀?;揎椬鳛樾卤话l(fā)現(xiàn)的蛋白質(zhì)修飾類型,它們的修飾都發(fā)生在Lys殘基上,通過在Lys上添加丙二?;鶊F或者琥珀基團改變蛋白質(zhì)的電荷數(shù)和構(gòu)象,從而影響其功能[32-33]。本試驗中,高、低溫處理組之間丙二?;揎棽町惒⒉幻黠@,說明丙二?;揎椩跍T導(dǎo)過程中并沒起到關(guān)鍵作用。琥珀酰化已被證實參與脂肪酸合成和氧化、線粒體呼吸和糖酵解等多種代謝途徑[34]。本試驗中,在6 d(積溫為 100.2℃)時,25℃ 處理組的琥珀?;揎椝斤@著低于15 ℃處理組,而在點青期又顯著高于低溫組,說明代謝途徑可能參與了滯育誘導(dǎo)的調(diào)控。
本研究通過比較高、低溫催青家蠶蠶卵的不同蛋白修飾種類,發(fā)現(xiàn)高溫 25 ℃催青蠶卵相比低溫15 ℃催青的蠶卵,其乙酰化和泛素化修飾水平在整個時期都存在顯著性差異,而甲基化修飾水平卻始終高于低溫 15 ℃催青的蠶卵,且點青期差異極顯著,這與跨代熱可塑性結(jié)果類似,猜測組蛋白甲基化、泛素化和乙?;赡茉谄渲衅鸬搅俗饔?。未來計劃通過蛋白質(zhì)質(zhì)譜技術(shù)進一步檢測這2種蛋白質(zhì)修飾的關(guān)鍵蛋白,為家蠶滯育誘導(dǎo)的分子機理解析提供參考。