張冬杰,汪 亮,馬 紅,李忠秋,王文濤,劉 娣
(黑龍江省農業(yè)科學院畜牧研究所,哈爾濱 150086)
低溫寒潮是自然界中最常見的一種自然災害,對動物、植物、微生物等都會造成破壞性影響。家養(yǎng)畜禽雖有人為保護,能將這種傷害程度減輕,但目前的規(guī)?;B(yǎng)殖模式,以及引入品種為主的生產方式,都使得畜禽對環(huán)境溫度的敏感性提高。豬是我國重要的家養(yǎng)畜種之一,與牛、羊等其他大型家養(yǎng)牲畜相比,其對環(huán)境溫度的變化更為敏感。1998年Lossec等界定了不同生長階段豬的臨界溫度,其中斷奶仔豬為26~28 ℃,體重60 kg育肥豬為18~20 ℃,低于這些溫度區(qū)間,均被視為低溫環(huán)境。低溫環(huán)境是導致新生仔豬死亡和發(fā)病的主要原因,會造成圍產期母豬死亡率上升、肉品質下降。因此,豬與環(huán)境溫度之間的關系依舊是養(yǎng)殖業(yè)不容忽視的問題之一。
在過去的20年里,測序技術的飛速進步使得人們能夠研究各種內部和外部刺激下基因表達變化的全基因組模式,人們發(fā)現(xiàn)低溫脅迫對每個物種的轉錄組均產生了廣泛的影響。在對一種南極細菌的深度測序中發(fā)現(xiàn),與初級代謝相關的基因在低溫下受到抑制,而與轉錄調控蛋白和信號轉導蛋白相關的基因受到促進,乙醇氧化途徑對細菌在低溫下生長起著重要作用。對葡萄柚低溫耐受性的全基因組分析顯示,光合作用、防御、細胞壁和次級代謝相關轉錄本下調,而膜蛋白、脂質代謝、植物激素和冷響應轉錄因子上調。短期冷暴露(3 d,4 ℃)改變了小鼠腹股溝部白色脂肪(iWAT)中參與脂肪酸伸長、三?;视汀⑶手透视腿ズ铣傻幕虮磉_與生物學通路,此外,與代謝綜合征、神經退行性疾病和衰老相關的基因及表達途徑均發(fā)生了改善性變化。遭受重度低溫的大鼠髂腰肌中有91種mRNAs 的表達量是正常、輕度以及中度低溫組的2倍 以上,這些mRNAs參與了一系列的生物學過程,包括對應激和脂質的反應以及細胞對缺氧的反應,發(fā)現(xiàn)、、41和4是重度低溫下特異表達的基因。對冷馴化下人的股外側肌進行轉錄組測序發(fā)現(xiàn),冷馴化改變了756個基因的表達量,表達量變化最高的基因參與了神經細胞和肌肉細胞之間的收縮和信號轉導,這些上調基因與運動訓練造成的基因上調存在顯著重疊,尤其是與細胞外基質重塑相關的基因和通路。
民豬是生活在我國東北地區(qū)的一個古老的地方豬種,受環(huán)境氣候影響,它具有顯著的耐寒特性,能夠在-30~30 ℃的廣泛溫度區(qū)間內保持正常的生理反應。本研究的目的是篩選和鑒定民豬骨骼肌內參與低溫脅迫應答的基因及調控因子。為此,對經歷了58 d低溫脅迫的民豬骨骼肌組織進行了RNA-Seq分析。
本試驗在黑龍江省農業(yè)科學院畜牧研究所民豬養(yǎng)殖場進行。2020年11月9日,將6頭6月齡體重相近的雌性民豬隨機分成2組,每組3頭個體。試驗開始前,6頭個體全部在室內有供暖的豬舍內飼養(yǎng),溫度控制在(18±2) ℃,試驗開始后,一組置于室外的半敞篷舍內飼養(yǎng),溫度隨外界環(huán)境溫度變化而變化,第1天的環(huán)境溫度為5 ℃/-5 ℃(最高溫度/最低溫度),飼養(yǎng)至2021年1月6日結束,此時的環(huán)境溫度為-15 ℃/-24 ℃(圖1),相同時間內,另一組始終留在溫暖的舍內飼養(yǎng)。兩組均保證自由采食和飲水,共處理58 d。試驗結束后,屠宰全部個體,取背最長肌置于液氮中保存?zhèn)溆谩?/p>
圖1 試驗期間環(huán)境溫度變化情況Fig.1 Environment temperature changes during the experiment
采用常規(guī)的酚-氯仿法提取總RNA,使用NanoDrop 2000&8000 微量分光光度計對所提取的RNA進行純度檢測,要求OD/ OD≥ 1.8,使用安捷倫的2100 Bioanalyzer進行濃度與完整性檢測,要求濃度不低于100 ng·μL,28 S / 18 S ≥ 1.5。
每個樣品取1 μg總RNA作為起始量構建lncRNA 文庫。首先使用Ribo-off rRNA Depletion試劑盒去除rRNA,然后向反應體系中加入碎片緩沖液(fragmentation buffer)使RNA片斷化成為短片段,再以片斷后的RNA為模板,利用隨機引物進行逆轉錄,實現(xiàn)cDNA第一鏈合成;隨后加入第二鏈標記緩沖液(2nd Strand Marking Buffer)、第二鏈/末端修復混合酶(2nd strand/end repair enzyme mix) 合成cDNA第二鏈,經末端修復、加堿基A、加測序接頭后,通過磁珠篩選回收目的片段,加UNG酶消化cDNA二鏈,并進行PCR擴增,最后通過磁珠純化回收目的片段,從而完成整個文庫制備工作。使用NovaSeq 6000 S4對構建好的文庫進行雙末端測序。
測序得到的原始下機序列含有測序接頭序列以及低質量序列,需要對這些序列進行過濾,包括去除接頭污染的Reads,低質量的Reads,含N比例大于5%的Reads,以及與rRNA匹配的Reads,得到高質量的Clean Reads后再進行后續(xù)分析。
首先對轉錄本進行篩選,保留那些長度≥200 bp,外顯子個數(shù)≥2且reads覆蓋度≥5的轉錄本;然后利用在線軟件gffcompare同豬的注釋文件進行比較,去掉與mRNA及其他非編碼RNA(rRNA、tRNA、 snoRNA、snRNA等)相匹配的轉錄本;根據(jù)比較結果中的class_code信息(“u”、“i”、“x”)篩選潛在的lincRNA、 intronic lncRNA和anti-sense lncRNA; 最后利用CNCI、CPC、PFAM和CPAT這4個分析軟件對篩選出的lncRNA是否具有編碼潛能進行預測,利用這4個軟件均判別為非編碼(non-coding)的轉錄本定義為最終的lncRNA數(shù)據(jù)集。
使用FPKM定量估計基因表達值(附文獻),采用DEseq2進行試驗組和對照組間差異表達基因分析,滿足|logfold change|≥1和q<0.05的差異基因被認為達到顯著水平。根據(jù)兩組間上、下調基因情況繪制差異表達基因的火山圖。
GO富集分析:針對GO數(shù)據(jù)庫中的二級條目,計算每個條目的基因數(shù)目,應用超幾何檢驗找出與整個基因組背景相比,差異表達基因顯著富集的GO條目。通路富集分析:對KEGG中每個通路應用超幾何檢驗進行富集分析,找出差異表達基因顯著性富集的通路。
尋找差異表達lncRNA的靶基因,進而通過靶基因間接預測其生物學功能。目前已知lncRNA和靶基因間主要通過順式()和反式()兩種方式進行調控,通過lncRNA的功能與其在基因組座位上臨近的蛋白編碼基因的相關性進行調控靶基因的預測,將lncRNA相鄰位置(上、下游50 kb)的蛋白編碼基因篩選出來作為靶基因。通過lncRNA 的功能不依賴于和編碼基因的位置關系,而是與共表達基因的相關性進行靶基因的預測。根據(jù)lncRNA同mRNA表達量的相關性系數(shù)(斯皮爾曼相關系數(shù),corr ≥0.9)進行篩選。篩選后獲得的靶基因開展功能注釋、GO富集和通路富集分析。
利用Roche實時熒光定量PCR儀LightCycler480Ⅱ對試驗組顯著高表達的9個基因和2個lncRNAs進行SYBR Green實時定量檢測,引物信息見表1。反應體系為:cDNA樣品0.5 μL,2×SYBR Green PCR Mixture 10 μL,特異性引物上、下游各0.5 μL,滅菌水補至20 μL。反應程序為:95 ℃ 10 min;95 ℃ 15 s,60 ℃ 30 s,72 ℃ 30 s,40個 循環(huán)。檢測結果根據(jù)2法計算各模板中目的基因相對于內參基因-的表達量。
表1 qRT-PCR檢測用引物信息
原始下機數(shù)據(jù)經過濾處理后,每頭個體平均獲得98 M的clean reads,與基因組的比對效率為96.12%,其中,38.94%的序列比對到外顯子區(qū)域,30.50%的序列比對到內含子區(qū)域,30.56%的序列比對到基因間區(qū),篩選出的lncRNA經CNCI、CPC、PFAM蛋白結構域和CPAT分析后,取四者間的交集,共獲得10 220個lncRNAs。
民豬在經歷58 d的低溫脅迫后,背最長肌中共有102個基因發(fā)生了顯著變化,其中86個基因發(fā)生了顯著上調,16個基因發(fā)生了顯著下調(|logfoldchange|≥1,q<0.05)。186個lncRNAs發(fā)生了顯著變化,其中112個lncRNAs發(fā)生了顯著上調,74個 lncRNAs發(fā)生了顯著下調(圖2)。由于豬的lncRNA數(shù)據(jù)庫還不完善,因此這186個lncRNAs均顯示為novel lncRNA。發(fā)生顯著變化的、且有注釋的蛋白編碼基因共計86個。其中8個基因的變化倍數(shù)在3倍以上,27個基因的變化倍數(shù)在2~3倍之間,51個基因的變化倍數(shù)在1~2倍之間。上調變化倍數(shù)最大的是神經降壓素受體2(neurotensin receptor 2,2)基因,上調了7.18倍;下調變化倍數(shù)最大的是RAS樣蛋白家族11A(RAS like family 11 member A,11A)基因,下調倍數(shù)為2.75倍(表2)。
圖2 低溫脅迫下民豬背最長肌內差異表達基因的火山圖Fig.2 Volcanic plot of differentially expressed genes in the longissimus dorsi of Min pigs under low temperature stress
表2 低溫脅迫下民豬背最長肌內發(fā)生顯著變化的基因
對低溫環(huán)境下民豬背最長肌中差異表達基因進行GO富集分析,發(fā)現(xiàn)94個差異基因顯著富集到94個生物過程條目、12個分子功能條目和2個細胞組分條目(圖3,僅列出前10個條目)。在生物過程(biological process, BP)這個本體中,富集程度最高的是骨骼肌細胞分化過程(skeletal muscle cell differentiation)、學習記憶(learning of memory)和MAPKKK活性的激活(activation of MAPKKK activity);在分子功能(molecular function, MF)這個本體中,富集程度最高的是RNA聚合酶II近端啟動子序列特異性DNA結合(RNA polymerase II proximal promoter sequence-specific DNA binding)、近端啟動子序列特異性DNA結合(proximal promoter sequence-specific DNA binding)和RNA聚合酶II調節(jié)區(qū)DNA結合(RNA polymerase II regulatory region DNA binding);在細胞組分(cellular component, CC)這個本體中,僅有2個條目被顯著富集,分別是CHOP-ATF3復合體(CHOP-ATF3 complex)和CHOP-C/EBP復合體(CHOP-C/EBP complex)。
圖3 差異表達基因的GO富集分析Fig.3 Go enrichment analysis of differentially expressed genes
對差異表達基因進行通路富集分析,發(fā)現(xiàn)僅3條通路被顯著富集,分別是細胞凋亡通路(apoptosis, q=0.001 98)、直腸癌通路(colorectal cancer, q=0.001 98) 和癌癥中的轉錄誤調節(jié)通路(transcriptional misregulation in cancer, q=0.036 44)。在細胞凋亡通路中,7個基因、、45B、45G、45A、3、2L11發(fā)生了顯著上調。
lncRNA不編碼蛋白,主要通過或方式作用于編碼蛋白基因。本研究發(fā)現(xiàn),民豬在經歷58 d的低溫環(huán)境后,背最長肌內186個差異表達的lncRNAs順式調控251個靶基因,反式調控1 377個靶基因。通過對lncRNA與mRNA之間的互作分析發(fā)現(xiàn)兩者間的調控關系錯綜復雜。比如MSTRG.13828同時調控67個基因,其中3個為調控,64個為調控,它所調控的基因215在兩組間達到了顯著差異;基因2AIP1則同時受到14個lncRNAs的反式調控。表3列出了變化水平前10位的上調表達lncRNAs的靶基因情況及調控方式。
表3 低溫脅迫下民豬背最長肌內變化倍數(shù)前10位的lncRNAs和其靶基因情況
對差異表達lncRNA的靶基因進行GO功能注釋,發(fā)現(xiàn)在生物過程本體中,有81個條目被顯著富集,其中富集程度最高的是核酸代謝過程(nucleic acid metabolic process),在分子功能本體中有28個條目被顯著富集,其中核酸結合(nucleic acid binding)富集程度最高;在細胞組分本體中,有19個條目被顯著富集,其中富集程度最高的在細胞內部分(intracellular part),每個本體中富集程度前10的條目情況見圖4。
A. 生物過程顯著富集的前10個條目結果; B.分子功能顯著富集的前10個條目結果; C.細胞組分顯著富集的前10個條目結果。橫坐標表示富集程度,縱坐標表示GO條目。每個點表示該GO條目的富集程度,顏色越趨近于紅色表示富集程度越高。每個點的大小表示富集到該GO條目的基因的個數(shù),點越大表示富集到該GO條目的基因越多,反之則越少。Rich ratio的計算公式為:(該通路的差異基因/所有的差異基因)/(注釋到該通路的基因/所有能被注釋到的基因)A. Results of the top 10 terms with significant enrichment in biological processes; B. Results of the top 10 terms with significant enrichment in molecular function; C. Results of the top 10 terms with significant enrichment in cellular components. The abscissa represents the degree of enrichment and the ordinate represents the GO term. Each point indicates the enrichment degree of the GO term, the closer the color to red, the higher the enrichment degree. The size of each point indicates the number of genes enriched into the GO term, the larger the point, the more genes enriched into the GO term, and vice versa. Rich ratio: (differential genes in this pathway / all differential genes) / (genes annotated to this pathway / all genes that can be annotated)圖4 GO條目FDR值富集圖Fig.4 FDR value enrichment map of GO terms
對差異表達lncRNA的靶基因進行通路富集分析,發(fā)現(xiàn)單純皰疹病毒1感染通路(herpes simplex virus 1 infection)、MAPK信號通路(MAPK signaling pathway)和范可尼貧血通路(fanconi anemia pathway)被顯著富集。
為了驗證RNA測序結果的準確性,選擇了8個 顯著上調表達的基因、、5、1、1、1、1、1和6個顯著上調表達的lncRNAs,2個顯著下調表達的基因146和3以及1個顯著下調表達的lncRNA73004進行了qRT-PCR試驗驗證。結果顯示,qPCR定量檢測值與測序值相比,變化趨勢基本一致(圖5),表明測序結果可信。
圖5 qRT-PCR驗證結果Fig.5 qRT-PCR validation results
自然界的動植物都會受到來自環(huán)境的低溫脅迫影響,植物對低溫脅迫的響應包括膜脂類型和去飽和水平的變化。動物因其生理結構和遺傳基礎比植物復雜的多,因此其低溫耐受機理還未完全解析清楚。目前研究主要集中在兩個方面,一個是低溫環(huán)境下白色脂肪的褐色化機理,另一個是低溫環(huán)境下骨骼肌的產熱機理。骨骼肌是哺乳動物成年個體機體內最豐富的組織,產熱速率的微小變化就會引起全身產熱的重大變化。在對小鼠、魚類和鳥類的研究中發(fā)現(xiàn),肌漿網(wǎng)Ca循環(huán)是一種不會干擾ATP合成的產熱機制。骨骼肌內還存在豐富的神經組織,能夠對循環(huán)的腎上腺素能因子作出反應;富含線粒體,具有較高的脂質氧化能力。缺乏褐色脂肪組織的動物(鳥類和豬)或褐色脂肪含量較少的動物(成人和大型哺乳動物),都以骨骼肌內依賴于肌質蛋白的非戰(zhàn)栗性產熱為主。
本研究以經歷58 d低溫脅迫的民豬骨骼肌為試驗材料,采用RNA-seq技術對其進行差異表達基因的篩選與分析,發(fā)現(xiàn)4個與神經系統(tǒng)相關的基因發(fā)生了顯著上調,如上調倍數(shù)最高的2基因,它表達水平的增加可使小鼠對熱痛覺和化學痛覺產生抵抗力。緊隨其后的基因,是一種神經元基因,對于哺乳動物大腦中持久的信息儲存至關重要,并且與各種神經系統(tǒng)疾病有關。1作為一種轉錄因子,在神經元細胞損傷以及腦損傷中發(fā)揮作用,它的高表達會抑制AMPK信號通路的活性,進而抑制神經元細胞活性、促進炎癥發(fā)生、加速細胞凋亡。1是一種內源性鈣調磷酸酶抑制劑,在唐氏綜合征(人類神經系統(tǒng)的最常見染色體疾病)中的表達增加了3倍,它通過抑制神經生長因子受體的內吞作用損害交感神經元的營養(yǎng)支持。
本研究中,溶質轉運蛋白超家族(solute carrier,SLC)的7個基因受到低溫誘導,發(fā)生了顯著上調,包括2A4、2A5、4A10、19A2、20A1、28A1和38A2。該家族介導細胞與外界或細胞內部各類溶質的跨膜運輸,調節(jié)基本化學物質(包括水分、營養(yǎng)素、激素和許多藥物)的跨膜運輸,維持細胞內穩(wěn)態(tài),保持細胞膜的完整性,以保護細胞的代謝活動和遺傳信息免受環(huán)境影響。SLC轉運蛋白包含52個基因家族和近400個不同的轉運蛋白基因。不同家族的SLC負責轉運不同的基質,比如SLC2家族主要負責轉運葡萄糖,SLC4家族主要負責堿基的轉運,SLC19家族主要介導葉酸和硫銨兩個重要水溶性維生素的運輸,SLC20負責轉運鈉依賴性磷酸鹽,以維持體內的磷酸鹽平衡,SLC28家族專門負責核苷酸轉運,SLC38家族的轉運體存在于身體的所有細胞類型中,介導依賴Na的小中性氨基酸的凈攝取和流出。由此可見,長時間的低溫脅迫使機體內多種物質的轉運發(fā)生了顯著變化。
多個與炎癥和自身免疫反應相關的基因也發(fā)生了顯著上調,如基因,它是表皮生長因子受體(EGFR)的配體,炎癥脂質、細胞因子和激素等可刺激它的表達與釋放,表達的慢性升高與不同病理條件相關,主要是炎癥和腫瘤。基因屬于細胞因子信號轉導抑制因子(SOCS)家族,會抑制IL-15介導的JAK-STAT信號傳導,它的上調表達會使先天免疫力下降。1具有免疫調節(jié)功能,在炎癥狀態(tài)下上調表達,特異性抑制IRF3的K63型多泛素化修飾,最終緩解體內過強的炎癥反應、降低人體發(fā)生自身免疫性疾病的風險。1可促進腫瘤細胞增殖,抑制凋亡,還可以通過影響炎癥因子的分泌來調節(jié)急慢性炎癥。此外,上調倍數(shù)在4倍以上的33、都是與免疫相關的基因。由此可知,低溫脅迫導致骨骼肌出現(xiàn)炎癥反應,同時還影響了機體的免疫力。
此外,低溫脅迫還可誘發(fā)組織的氧化應激反應,氧化應激被認為會促進肌肉萎縮。本研究發(fā)現(xiàn),與氧化應激反應相關的基因也受到了誘導,如1、1、3、和等。
民豬在遭受低溫脅迫后,肌肉組織內發(fā)生顯著下調的基因共計16個,在數(shù)量上遠遠少于發(fā)生顯著上調的基因。在功能上則較為分散,有抑制細胞增殖的11A基因,參與細胞膜結構組成的跨膜蛋白139(139)基因,具有調節(jié)TGF-β生物活性功能的潛在轉化生長因子結合蛋白2(2)基因,參與糖代謝和神經節(jié)苷脂分解代謝的唾液酸酶(3)基因以及與晝夜節(jié)律相關的芳香烴受體核轉運體樣蛋白1()基因等。Dopico等在對16 000多人的血液和脂肪樣本分析中發(fā)現(xiàn),人類基因中有將近1/4的基因活性(5 136/22 822)會隨著季節(jié)的變化而不同,一些基因在冬季更活躍,而另一些則在夏季更活躍。本研究發(fā)現(xiàn),顯著下調的基因表現(xiàn)出夏季活躍,而冬季不活躍的現(xiàn)象。
本研究中對差異基因的GO富集分析發(fā)現(xiàn),骨骼肌細胞分化過程的富集程度最高,該生物過程中的5個基因發(fā)生了顯著上調,分別為轉錄激活因子3(3)、MAF bZIP轉錄因子F()、Kelch家族成員40(40)、心肌錨蛋白重復域1(1)基因和生肌因子6(6)。低溫環(huán)境會抑制豬只生長,增加機體能量代謝。Shima和Matsuda研究發(fā)現(xiàn),小鼠和人類的成肌細胞在低溫(30 ℃)下培養(yǎng)時不能表達肌生成素,肌細胞分化受到抑制。而且,來源于不同部位的肌細胞對低溫環(huán)境的應答反應也存在差異。但本課題組在前期研究中發(fā)現(xiàn),民豬在低溫環(huán)境下并未出現(xiàn)明顯的生長抑制現(xiàn)象,推測可能與該生物過程的活化相關。
對差異基因的通路富集分析發(fā)現(xiàn),僅有3條通路被顯著富集,分別為細胞凋亡、直腸癌、癌癥中的轉錄誤調節(jié)通路。癌癥的本質是細胞分化和增殖異常、生長失去控制,除了2條富集到癌癥相關通路上,還有1條是富集到細胞凋亡通路,這說明低溫脅迫影響了骨骼肌細胞的正常生長。細胞凋亡通路中有3個45基因被富集,GADD45蛋白可參與DNA修復、細胞周期調控、衰老和基因毒性應激等多種細胞功能的調控,它們的上調代表著機體啟動了對細胞的保護和修復功能。
在對差異表達lncRNA的分析發(fā)現(xiàn),由于豬的lncRNA數(shù)據(jù)庫還不完善,所以無法對它們進行功能注釋,但在本研究中發(fā)現(xiàn),lncRNA對靶基因的調控多以反式調控為主,且與靶基因間存在復雜的調控關系。對這些lncRNA預測的靶基因進行功能注釋時發(fā)現(xiàn),這些靶基因顯著富集在3條生物學通路,其中的MAPK通路是信號從細胞表面?zhèn)鲗У郊毎藘炔康闹匾獋鬟f者,包括MKKK、MKK和MAPK三種激酶,這三種激酶能夠依次激活,共同調節(jié)著細胞的生長、分化、對環(huán)境的應激適應、炎癥反應等多種重要的細胞生理/病理過程。本研究中有36個基因富集到該通路上,其中24個基因上調,12個基因下調,發(fā)生變化的基因主要集中在MAPK通路的JNK和p38/MAPK分支路線上,其中p38/MAPK是促進骨骼肌運動代謝適應的信號通路之一。據(jù)此推測,低溫脅迫下骨骼肌內的MAPK通路受到lncRNA的轉錄調控。
低溫脅迫對民豬的神經系統(tǒng)和免疫系統(tǒng)造成了影響,使細胞內的物質轉運發(fā)生了變化,細胞的生長、分化也受到了影響,大量的lncRNA參與了骨骼肌的低溫脅迫應答反應。但發(fā)生顯著變化的基因差異倍數(shù)多集中在1~2倍之間,而且只有細胞凋亡通路、直腸癌通路和癌癥中的轉錄誤調節(jié)通路受到影響,推測低溫脅迫并未對民豬的骨骼肌造成嚴重損傷。