贠佳琦,楊潔冰,許慧晶,鄭洪遠,周樹堂
(河南大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,棉花生物學(xué)國家重點實驗室,河南開封 475004)
G蛋白偶聯(lián)受體(G protein-coupled receptor,GPCR)為含有7次跨膜(transmembrane,TM)結(jié)構(gòu)域的受體蛋白家族,通過偶聯(lián)的異源三聚體G蛋白(αβγ亞基)激活第二信使及其級聯(lián)通路,將細胞外配體信號轉(zhuǎn)導(dǎo)入胞內(nèi),從而調(diào)控特定生理進程(Caersetal.,2012;Pietrantonioetal.,2018)。昆蟲中,GPCR介導(dǎo)激素、生物胺、神經(jīng)肽等內(nèi)分泌因子的信號傳遞,在行為、生長、發(fā)育和生殖等多種過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用(Baietal.,2011;Van Wielendaeleetal.,2013a;Audsley and Down,2015)。根據(jù)氨基酸序列構(gòu)成和功能,昆蟲GPCR分為4個亞家族:A類視紫紅質(zhì)樣受體(rhodopsin-like receptor)、B類分泌素樣受體(secretin-like receptor)、C類代謝型谷氨酸受體(metabotropic glutamate receptor)和D類非典型7次跨膜蛋白(atypical 7TM protein)。利用基因組學(xué)分析,多種模式昆蟲的GPCR已得到鑒定,包括黑腹果蠅Drosophilamelanogaster、岡比亞按蚊Anophelesgambiae、家蠶Bombyxmori、赤擬谷盜Triboliumcastaneum和豌豆蚜Acyrthosiphonpisum等(Brody and Cravchik,2000;Hilletal.,2002;Fanetal.,2010;Baietal.,2011;Lietal.,2013)。此外,西方蜜蜂Apismellifera、長紅獵蝽Rhodniusprolixus、褐飛虱Nilaparvatalugens、飛蝗Locustamigratoria和沙漠蝗Schistocercagregaria中的神經(jīng)激素和神經(jīng)肽受體也已報道(Hauseretal.,2006;Badiscoetal.,2011;Van Wielendaeleetal.,2013b;Tanakaetal.,2014;Onsetal.,2016;Lenaertsetal.,2019)。雖然許多昆蟲種類的GPCR已得到鑒定,但其在昆蟲生殖中的功能還有待進一步研究。
脂肪體是昆蟲體內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)儲存的關(guān)鍵組織,為變態(tài)、生殖、飛行和免疫等耗能事件提供基本的能量供應(yīng)(Law and Wells,1989;Smykal and Raikhel,2015)。昆蟲的大部分中間代謝過程都發(fā)生在脂肪體中(Arrese and Soulages,2010)。為了滿足不同生理進程中不斷變化的物質(zhì)需求,脂肪體需要整合來自多個器官的信號以發(fā)揮多種代謝功能,其中許多功能受到內(nèi)分泌激素的調(diào)控(G?de,2004)。卵黃發(fā)生是昆蟲產(chǎn)卵繁殖的前提。此過程中脂肪體整合多重內(nèi)分泌調(diào)控信號大量合成卵黃原蛋白(vitellogenin,Vg),從而促進發(fā)育中的卵母細胞成熟,為后期的胚胎發(fā)育提供營養(yǎng)儲備。生物胺、神經(jīng)肽等小分子是昆蟲生殖調(diào)控的重要內(nèi)分泌因子(Simonetetal.,2004;Gruntenko and Rauschenbach,2008;Van Wielendaeleetal.,2013a;Smykal and Raikhel,2015)。這些小分子配體的信號由GPCR介導(dǎo),或直接作用于生殖組織而調(diào)控卵的發(fā)育,或通過調(diào)控其他激素的分泌而間接影響卵的發(fā)育和卵巢生長。然而,參與調(diào)控昆蟲卵發(fā)育調(diào)控的具體GPCR還有待鑒定。
飛蝗是昆蟲神經(jīng)生理和內(nèi)分泌研究的重要模式生物,并且生殖力強大,單次產(chǎn)卵60~80粒,單次卵量總重可達500 mg,一生產(chǎn)卵5~6次。飛蝗的卵黃發(fā)生主要由保幼激素(juvenile hormone,JH)調(diào)控(Lietal.,2019;Song and Zhou,2020)。JH通過其核受體復(fù)合體Met/Tai(Methoprene-tolerant/Taiman)、早期響應(yīng)因子Kr-h1以及細胞周期相關(guān)基因Mcm4,Mcm7,Cdc6,Cdk6和E2f1誘導(dǎo)脂肪體大量合成Vg,從而促進卵母細胞快速成熟(Guoetal.,2014;Songetal.,2014;Wuetal.,2016;Wangetal.,2017)。JH還通過PKCα介導(dǎo)的膜信號誘導(dǎo)Kr-h1磷酸化進而募集CREB結(jié)合蛋白(CREB-binding protein)最終增強核糖體蛋白L36(ribosomal protein L36)和Vg的合成(Wuetal.,2021)。此外,JH誘激亮氨酸羧基甲基轉(zhuǎn)移酶1(leucine carboxyl methyltransferase 1)-PP2A信號通路進而誘導(dǎo)FoxO去磷酸化最終促進Vg大量合成。本研究通過轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析,從飛蝗雌成蟲脂肪體中共鑒定43個GPCR基因,其中29個為首次報道;qRT-PCR分析顯示,29個基因在腦、胸腹神經(jīng)節(jié)、脂肪體、卵巢和中腸中具有多樣的表達模式;通過RNAi篩選,發(fā)現(xiàn)5個GPCR基因在飛蝗卵發(fā)育和卵巢生長過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。本研究為深入探究GPCR在JH依賴的卵黃發(fā)生和卵發(fā)育中的分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)提供了新的依據(jù)。
本研究所用飛蝗為實驗室連續(xù)多代穩(wěn)定繁殖種群。每日新鮮麥苗和麥麩混勻飼喂。飛蝗飼養(yǎng)于長×寬×高=35 cm×35 cm×35 cm的金屬籠內(nèi),飼養(yǎng)密度為200頭/籠左右,飼養(yǎng)籠定期清理保持整潔。環(huán)境溫度為30±2℃,光周期為14L∶10D。
前期研究已經(jīng)獲得第1個促性腺周期內(nèi)飛蝗雌成蟲脂肪體轉(zhuǎn)錄組測序數(shù)據(jù),共獲得72 643個unigenes (Zhengetal.,2021)。根據(jù)黑腹果蠅、岡比亞按蚊、家蠶、赤擬谷盜等昆蟲中已鑒定的GPCR蛋白序列,在飛蝗雌成蟲脂肪體轉(zhuǎn)錄組中進行TBLASTN比對篩選GPCR基因。利用ClustalW對同源序列進行成對比對和多重序列比對,并使用MEGA 6基于鄰接法進行聚類分析。自NCBI GenBank數(shù)據(jù)庫(https:∥www.ncbi.nlm.nih.gov)獲得昆蟲同源GPCR蛋白序列。
分別取羽化后6 d(卵黃發(fā)生期)飛蝗雌成蟲的腦、胸腹神經(jīng)節(jié)、脂肪體、卵巢以及中腸,使用TRNzol法提取各個組織總RNA。使用FastKing cDNA第1鏈合成試劑盒(天根)進行反轉(zhuǎn)錄獲得cDNA,按SuperReal Premix Plus試劑盒(天根)步驟,配制PCR反應(yīng)體系,以Light Cycler 96 (Roche)進行qRT-PCR檢測。PCR反應(yīng)程序:95℃預(yù)變性15 min;95℃變性15 s,60℃退火15 s,72℃延伸20 s,40個循環(huán)。根據(jù)溶解曲線分析引物擴增的特異性。利用2-ΔΔCt法,以核糖體蛋白基因rp49為內(nèi)參基因,計算目的基因的相對表達水平;每個組織包括8~10個生物學(xué)重復(fù),每生物學(xué)重復(fù)取自1~2頭試蟲。qRT-PCR所用引物見表1。
為了研究GPCR在飛蝗卵發(fā)育和卵巢生長中的功能,利用RNAi技術(shù)對本研究新鑒定的29個GPCR基因分別進行表達干擾,并在卵黃發(fā)生末期觀察卵母細胞發(fā)育和卵巢生長表型。以1.3節(jié)所得cDNA為模板,利用PCR擴增新鑒定的29個GPCR基因和GFP片段,并將其重組入pGEM-T載體,通過測序驗證擴增片段的正確性。以測序驗證正確的pGEM-T重組載體為模板,PCR擴增獲得含有T7位點的DNA模板。dsRNA的合成采用T7 RiboMAX Express System試劑盒(Promega)。根據(jù)此前報道的方法(Wuetal.,2018),在雌成蟲羽化當天注射dsRNA,并在羽化后第5天加強注射。注射劑量為每頭雌成蟲每次15 μg。以注射等量dsGFP的雌成蟲作為對照。于羽化后第8天取樣,使用佳能EOS550D相機拍攝卵巢。初級卵母細胞解剖后置于載玻片上,以M205A體式顯微鏡(Leica)拍照并測量,觀察測定飛蝗初級卵母細胞以及卵巢發(fā)育狀況,并通過qRT-PCR檢測目的基因在脂肪體和卵巢中的表達水平(方法同1.3節(jié))。RNAi所用引物見表1。
表1 引物信息Table 1 Primer information
續(xù)表1 Table 1 continued
利用STATISTICA 12.0軟件對所得數(shù)據(jù)進行T檢驗或方差分析。利用GraphPad Prism 8.0計算平均值和標準誤,并制作圖片。
利用BLAST比對和聚類分析在飛蝗雌成蟲脂肪體轉(zhuǎn)錄組中共鑒定得到43個GPCR基因,其中14個GPCR基因(GenBank登錄號:ON807135-ON807148)在前期研究中已有報道(Zhengetal.,2021),29個GPCR基因為本研究首次鑒定,分別編碼13個A類受體(視紫紅質(zhì)樣受體)、13個B類受體(分泌素樣受體)、2個C類受體(代謝型谷氨酸受體)和1個D類受體(非典型7次跨膜蛋白)。其中,A類受體包括5個神經(jīng)肽受體,分別為心動加速肽受體(cardioacceleratory peptide receptor,CCAPR)、黑化誘導(dǎo)肽受體(corazonin receptor,CrzR)、Moody2、抑肌肽受體(myosuppressin receptor,MSR)和短神經(jīng)肽F受體(short neuropeptide F receptor,sNPFR) (圖1:A);2個生物胺類受體,分別為章魚胺受體β1R受體(octopamine receptor beta 1R,Octβ1R)和酪胺受體(tyramine receptor,TyrR)(圖1:B);6個孤兒受體,分別為GPR119L(GPCR119L),LGR1(leucine-rich repeats-containing GPCR 1),LGR2,OR-A3(orphan receptor-A3),OR-A4和OR-A5 (圖1:C)。13個B類受體包括7個Mth/Mthl(Mthl4,Mthl6,Mthl7,Mthl8,Mthl9,Mthll0和Mthl15)(圖2:A)、3個甲狀旁腺激素/甲狀旁腺相關(guān)多肽受體(parathyroid hormone/parathyroid hormone-related peptide receptor,PTH/PTHrPR)、2個ADGR (adhesion GPCR)和1個利尿激素受體(diuretic hormone receptor,DHR) (圖2:B)。C類GPCR為代謝型GABA-B受體(metabotropic γ-aminobutyric acid receptor,GABABR)和代謝型谷氨酸受體(metabotropic glutamate receptor,mGluR) (圖2:C)。1個D類GPCR為Fz2 (圖2:D)。
圖1 基于氨基酸序列的飛蝗雌成蟲脂肪體和其他昆蟲中A類GPCRs聚類分析Fig.1 Cluater analysis of class A GPCRs identified in the fat body of female adults of Locusta migratoria and other insects based on amino acid sequenceA:神經(jīng)肽受體Neuropeptide receptor;B:生物胺受體Bioammine receptor;C:孤兒受體Orphan receptor.本研究中新鑒定GPCR以灰色背景標記。GPCRs newly identified in the current study are marked by gray background.
圖2 基于氨基酸序列的飛蝗雌成蟲脂肪體和其他昆蟲中B (A,B),C (C)和D (D)類GPCRs聚類分析Fig.2 Cluster analysis of Class B (A,B),C (C) and D (D) GPCRs identified in the fat body of female adults of Locusta migratoria and other insects based on amino acid sequenceA:Mth/Mthl蛋白Mth/Mthl protein;B:PTH/PTHrPR,DHR和ADGR蛋白PTH/PTHrPR,DHR and ADGR proteins;C:代謝型GABA-B受體和谷氨酸受體Metabotropic GABA-B receptor and glutamate receptor;D:Fz蛋白Fz protein.本研究中新鑒定GPCR以灰色背景標記。GPCRs newly identified in the current study are marked by gray background.
利用qRT-PCR檢測GPCR基因的組織表達模式,結(jié)果如圖3所示,羽化后6 d(卵黃發(fā)生期)飛蝗雌成蟲除脂肪體外,29個GPCR基因在胸腹神經(jīng)節(jié)中也均有表達,其中PTH/PTHrPR1和MSR分別在脂肪體和胸腹神經(jīng)節(jié)中顯著高表達。腦中Octβ1R,CrzR,CCAPR,LGR2,mGluR和GABABR的表達水平顯著高于其他組織中的(P<0.05);GPR119L,Mthl6和Mthl4在中腸中的表達水平最高。此外,腦中未檢測到Mthl4表達,卵巢中未檢測到Octβ1R表達,中腸中未檢測到PTH/PTHrPR1表達(圖3)。
圖3 本研究新鑒定的29個GPCR基因在飛蝗卵黃發(fā)生期雌成蟲不同組織中的表達模式Fig.3 Tissue expression patterns of 29 GPCR genes newly identified in this study in the vitellogenic female adults of Locusta migratoriaBr:腦Brain;Ov:卵巢Ovary;FB:脂肪體Fat body;Mg:中腸Midgut;Ga:胸腹神經(jīng)節(jié)Thoracic and abdominal ganglia.×:未檢測到目的基因的表達 Expression of target genes was undetectable.顏色深度表示基因相對表達水平的標準化值;星號表示基因在該組織中的表達量顯著高于其他組織中的(P<0.05,單因素方差分析)。Shades of color indicate the normalized values of relative gene expression level.The asterisk means significantly higher expression level in this tissue than in the other tissues (P<0.05,ANOVA).n=8-10.
結(jié)果表明,RNA干擾CCAPR,PTH/PTHrPR1,ADGRL3,Mthl15和DHR5個GPCR基因的表達會抑制初級卵母細胞發(fā)育和卵巢生長。CCAPR屬于神經(jīng)肽受體,其心動加速多肽配體的主要功能為介導(dǎo)CAPA信號調(diào)控心率以及馬氏管水分和離子穩(wěn)態(tài)(Leeetal.,2013;Nagata,2016)。注射 dsCCAPR的雌成蟲脂肪體和卵巢中,CCAPR表達水平相對于注射dsGFP的對照組分別顯著降低55.5%和71.4%(P<0.05)(圖4:A)。dsCCAPR處理后的雌成蟲卵巢和初級卵母細胞明顯小于對照組(圖4:B);對照組雌成蟲初級卵母細胞的平均長×寬為8.0 mm×8.0 mm,而注射dsCCAPR處理組的為6.8 mm×6.8 mm,二者差異顯著(P<0.05)(圖4:C)。
圖4 CCAPR被RNAi后CCAPR的相對表達水平(A)及飛蝗卵巢生長(B)和初級卵母細胞發(fā)育(C)Fig.4 Relative expression level of CCAPR (A) and the ovarian growth (B) and primary oocyte development (C) in Locusta migratoria after RNAi of CCAPRdsRNA注射后8 d(成蟲羽化后8 d)檢測脂肪體和卵巢中目的基因的相對表達水平以及卵巢生長和初級卵母細胞發(fā)育。圖中數(shù)據(jù)為平均值±標準誤(n=8-29);柱上星號表示兩組間差異顯著 (*P<0.05;**P<0.01)(T檢驗)。The relative expression levels of target genes in the fat body and ovary and the ovarian growth and primary oocyte development were determined at 8 d post dsRNA injection (8 d post adult eclosion).Data in the figure are mean±SE (n=8-29).Asterisks above bars represent significant difference between two groups (*P<0.05;**P<0.01)(T-test).The same for the following figures.Ov:卵巢Ovary;Ol:卵小管Ovariole;Po:初級卵母細胞Primary oocyte.圖5-8同。The same for Figs.5-8.
脊椎動物中PTH/PTHR通路已經(jīng)有大量研究,其主要功能為調(diào)控骨骼重塑和鈣離子代謝(Lanskeetal.,1996;Whiteetal.,2019),但昆蟲中PTH/PTHR的研究報道較少。注射dsPTH/PTHrPR1的飛蝗雌成蟲脂肪體和卵巢中PTH/PTHrPR1表達水平相比注射dsGFP的對照組分別顯著下降92.4%和88.9%(P<0.01)(圖5:A)。卵巢生長和初級卵母細胞發(fā)育受到明顯抑制(圖5:B),初級卵母細胞平均長×寬為5.6 mm×5.6 mm,顯著小于對照組的(P<0.01)(圖5:C)。
圖5 PTH/PTHrPR1被RNAi后PTH/PTHrPR1的相對表達水平(A)及飛蝗卵巢生長(B)和初級卵母細胞發(fā)育(C)Fig.5 Relative expression level of PTH/PTHrPR1 (A) and the ovarian growth (B) and primary oocyte development (C) in Locusta migratoria after RNAi of PTH/PTHrPR1
注射dsADGRL3的雌成蟲脂肪體中和卵巢中ADGRL3表達水平相比注射dsGFP的對照組分別顯著降低69.3%(P<0.01)和64.5%(P<0.05) (圖6:A)。卵巢和初級卵母細胞明顯小于對照組的(圖6:B),初級卵母細胞長×寬為1.8 mm×1.8 mm,較對照組的顯著降低了78.1%(P<0.01)(圖6:C)。
圖6 ADGRL3被RNAi后ADGRL3的相對表達水平(A)及飛蝗卵巢生長(B)和初級卵母細胞發(fā)育(C)Fig.6 Relative expression level of ADGRL3 (A) and the ovarian growth (B) and primary oocyte development (C) in Locusta migratoria after RNAi of ADGRL3
與注射dsGFP的對照組相比,Mthl15的RNAi在雌成蟲脂肪體和卵巢中分別引起78.1%(P<0.01)和72.4%(P<0.05)的表達水平下調(diào)(圖7:A),明顯阻礙了卵巢生長和初級卵母細胞發(fā)育(圖7:B),初級卵母細胞長×寬為4.2 mm×4.2 mm,與對照組的相比顯著降低了47.5%(P<0.01)(圖7:C)。
圖7 Mthl15被RNAi后Mthl15的相對表達水平(A)及飛蝗卵巢生長(B)和初級卵母細胞發(fā)育(C)Fig.7 Relative expression level of Mthl5 (A) and the ovarian growth (B) and primary oocyte development (C) of Locusta migratoria after RNAi of Mthl5
與注射dsGFP的對照組相比,注射dsDHR的雌成蟲脂肪體和卵巢中DHR表達水平分別顯著降低了75.7%和68.4%(P<0.01) (圖8:A),dsDHR處理組卵巢生長和初級卵母細胞發(fā)育受到明顯抑制(圖8:B),初級卵母細胞長×寬=4.6 mm×4.6 mm,較對照組的顯著下降了43.3%(P<0.01)(圖8:C),說明DHR可能通過參與調(diào)控機體的滲透穩(wěn)態(tài)而在飛蝗卵黃發(fā)生中發(fā)揮重要作用。
圖8 DHR被RNAi后DHR的相對表達水平(A)及對飛蝗卵巢生長(B)和初級卵母細胞發(fā)育(C)Fig.8 Relative expression level of DHR (A) and the ovarian growth (B) and primary oocyte development (C) in Locusta migratoria after RNAi of DHR
本研究利用序列比對和聚類分析,在飛蝗雌成蟲脂肪體中新鑒定得到29個編碼GPCR的基因。在此基礎(chǔ)上,對新鑒定基因進行組織表達分析和RNA干擾,明確在卵母細胞成熟和卵巢生長中具有重要功能的GPCR基因。RNAi篩選顯示CCAPR,PTH/PTHrPR1,ADGRL3,Mthl15和DHR在飛蝗卵黃發(fā)生期卵巢生長和卵母細胞成熟中具有關(guān)鍵作用。吸血蝽Rhodniusprolixus中,CCAPR在雌性生殖系統(tǒng)中高表達,CCAPR表達受干擾后心跳速率下降31%(Leeetal.,2013)。果蠅中,CCAPR參與調(diào)控馬氏管內(nèi)的液體分泌,從而促進體內(nèi)的水分平衡和離子穩(wěn)態(tài)(Daviesetal.,2013)。本研究中,CCAPR的RNAi顯著抑制卵巢和初級卵母細胞生長(圖4:B,C),可能由血淋巴循環(huán)減弱和內(nèi)穩(wěn)態(tài)紊亂導(dǎo)致。最新研究表明,赤擬谷盜中的PTHR表達被RNA干擾后產(chǎn)卵量顯著減少,后代卵孵化率也顯著降低(Xieetal.,2020)。本研究中PTH/PTHrPR1的RNAi引起的卵巢生長和初級卵母細胞生長受阻(圖5:B,C)與赤擬谷盜的研究結(jié)果相符,然而該基因在生殖過程中的作用機制尚不清楚。ADGR蛋白具有多個功能性結(jié)構(gòu)域,如激素結(jié)合結(jié)構(gòu)域、表皮生長因子-鈣離子結(jié)合結(jié)構(gòu)域等,哺乳動物ADGR在胰島素分泌、脂肪生成、能量穩(wěn)態(tài)等內(nèi)分泌和代謝調(diào)控過程中具有核心作用,但昆蟲中該類蛋白的功能和調(diào)控機制研究較少(Paavola and Hall,2012;Olaniru and Persaud,2019)。ADGRL3表達被RNA干擾的飛蝗雌成蟲卵巢和初級卵母細胞生長受到嚴重抑制(圖6:B,C),說明該受體對于飛蝗卵黃發(fā)生期的生理調(diào)控至關(guān)重要,然而其作用機理還有待進一步研究。Mth/Mthl蛋白為后生動物中古老的受體亞家族(Pateletal.,2012)。Mth突變的果蠅個體壽命延長35%,并且抵御饑餓、高溫和氧化自由基等脅迫的能力也顯著增強(Linetal.,1998)。赤擬谷盜中,Mthl1和Mthl2表達被RNA干擾的雌成蟲產(chǎn)卵量顯著降低,而Mthl1和Mthl4的RNAi嚴重抑制胚胎發(fā)育(Lietal.,2014)。本研究中Mthl15表達被RNA干擾的雌成蟲初級卵母細胞生長受到顯著抑制(圖7:B,C)。因此Mth/Mthl蛋白表達降低引起的壽命延長和抗脅迫能力增強可能與生殖發(fā)育產(chǎn)生拮抗。昆蟲利尿激素(diuretic hormone,DH)調(diào)控馬氏管內(nèi)的鹽分和水分運輸,并具有促進前腸、中腸以及背血管收縮的功能從而在取食相關(guān)的生理事件中發(fā)揮作用(Zandawala,2012;N?ssel and Zandawala,2019)。本研究中DHR的RNAi顯著阻礙雌成蟲初級卵母細胞的發(fā)育(圖8:B,C),說明DHR可能通過調(diào)節(jié)機體滲透平衡和個體取食進而參與飛蝗卵黃發(fā)生過程中的生理機能調(diào)控。
綜上所述,盡管利用基因組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)的方法在許多昆蟲物種中鑒定到大量GPCR,但對于昆蟲生殖生理調(diào)控相關(guān)GPCR的功能和作用機制研究仍然有限。飛蝗為不完全變態(tài)昆蟲的典型代表,也是研究昆蟲卵黃發(fā)生過程中JH調(diào)控機理的理想模型。本研究通過轉(zhuǎn)錄組分析和RNAi,鑒定了5個候選GPCR基因,其在飛蝗卵黃發(fā)生期的卵發(fā)育和卵巢生長中發(fā)揮重要作用,為更深入地厘清JH依賴的卵黃發(fā)生基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)提供進一步參考。對候選GPCR信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的研究也將有助于揭示其參與調(diào)節(jié)昆蟲生殖發(fā)育的分子機制。