(GILT)基因的克隆鉴定与表达分析] 陈 姗1,2Symbol`@ @,张芳芳1,2,黄 贝1,2,黄文树1,2,3* (1.集美大学水产学院,2.鳗鲡现代产业技术教育部工程研究中心(集美大学),3.福建省海洋生物资源开发利用协同创新中心,福建 厦门 361021)
(1.Fishery College,Jimei University,2.Engineering Research Center of the Modern Technology for Eel Industry,Ministry of Education,Jimei University,3.Fujian Collaborative Innovation Center for Exploitation and Utilization of Marine Biological Resources,Xiamen 361021,China)
Anguilla japonica; interferon-γ; interferon-ducible lysosomal thiol reductase; gene expression
DOI: 10.6043/j.issn.0438-0479.201803031
备注
在日本鳗鲡(Anguilla japonica)中克隆获得2个γ-干扰素诱导的溶酶体巯基还原酶(GILT)基因AjGILT-1和AjGILT-2,并对其序列进行生物信息学分析,进而利用实时荧光定量PCR分别检测2个基因在不同组织器官中的表达水平,及其在脂多糖(LPS)、聚肌胞苷酸(PolyI:C)刺激和迟缓爱德华氏菌(Edwardsiella tarda)感染后的表达变化.结果显示:2个基因编码的蛋白序列中均含有GILT家族的特征序列CQHGX2ECX2NX4C、活性位点CXXC、2个糖基化位点和11个保守的半胱氨酸残基,基因组序列均含7个外显子和6个内含子.2个基因启动子中都存在多个转录因子结合位点,如γ-干扰素活化位点以及特化蛋白1结合位点; 不同的是AjGILT-1启动子区存在多个核因子-1、激活蛋白-1结合位点及干扰素刺激反应元件,而在AjGILT-2启动子区未发现.AjGILT-1在鳃和肠中表达量最高,而AjGILT-2在性腺、头肾和脾脏中表达量最高; 除肠道外,同一组织中AjGILT-2的表达量均高于AjGILT-1.LPS、PolyI:C刺激和E. tarda感染后,AjGILT-1与AjGILT-2的表达在鳃中仅有少数变化,而在头肾和中肾中则变化较明显.综上所述,AjGILT-1和AjGILT-2基因可能参与了日本鳗鲡受病毒和细菌感染后的免疫应答.
Two interferon-γ-inducible lysosomal thiol reductase(GILT)genes named AjGILT-1 and AjGILT-2 were cloned and identified from Anguilla japonica.The deduced AjGILT-1 and AjGILT-2 coding sequences contained the major characteristic features of the GILT protein family:the GILT signature sequence CQHGX2ECX2NX4C,the active site CXXC,two potential N-linked glycosylation sites and eleven conserved cysteines.The AjGILT-1 and AjGILT-2 contained seven exons separated by six introns.Moreover,AjGILT-1 and AjGILT-2 shared many transcription factor binding sites in the promoter region,such as interferon-γ activation site and serum response factor binding sites.The difference between them is that AjGILT-1 has nuclear factor-1,activator protein-1 binding sites and interferon stimulation reaction element,while AjGILT-2 does not.Quantitative real-time PCR analysis revealed that the expression level of AjGILT-1 was highest in gill and intestine,while the expression level of AjGILT-2 was highest in sex gonad,head kidney and spleen.The expression level of AjGILT-2 was higher than that of AjGILT-1 in most tissues,except for the intestine.After the stimulation with lipopolysaccharide(LPS),polyinosin-polycytidylic acid(PolyI:C)or infection with Edwardsiella tarda,there were only a few expression changes of AjGILT-1 and AjGILT-2 in the gills,while the expression changes in the head and middle kidneys were more obvious.In summary,AjGILT-1 and AjGILT-2 may be involved in immune responses to infection of viral and bacterial pathogens.
引言
γ-干扰素诱导的溶酶体巯基还原酶(interferon-γ-inducible lysosomal thiol reductase,GILT)最初在人的单核细胞系U937中被发现[1],它首先被合成为一个35 ku的蛋白前体,然后通过甘露糖-6-磷酸受体(mannose 6-phosphate receptor)运输到胞吞通路中[2-4],被溶酶体中的蛋白酶将其N端和C端前肽切除,形成一个30 ku的成熟肽[5-6].GILT的前体和成熟肽都具有还原二硫键的作用,且在pH 4.5~5.5的酸性条件下可发挥最佳效果[2-3,7].脊椎动物GILT蛋白的典型特征包括1个CQHGX2ECX2NX4C特征序列、1个CXXC活化位点、1个以上天冬氨酸残基连接的糖基化位点(Asn-linked glycosylation site)和10~11个保守的半胱氨酸残基[8-10].
GILT在大多数的抗原递呈细胞(如单核/巨噬细胞、B细胞、骨髓树突状细胞)中呈组成型表达,而在其他细胞(如成纤维细胞、表皮细胞、角化细胞)中可被γ-干扰素诱导[1-3,8,10].除了与抗原递呈有关,GILT也与负调控T细胞活化、中和胞外病原和清除细菌感染所造成的细胞碎片有关[11-12].此外,还有研究发现除了γ-干扰素,在PMA(phorbol-12-myristate-13-acetate)和脂多糖(LPS)的诱导作用下可促使THP-1细胞分泌促炎症细胞因子和趋化因子,其中包括GILT[12-13].
目前GILT基因在无脊椎动物和脊椎动物中均有报道.有研究显示,在鱼类中GILT基因主要在脾脏和肾脏中表达量最高,且经LPS或细菌刺激后其mRNA表达水平上调,这表明GILT可能在对细菌感染后宿主的免疫应答中有重要作用[14-15].日本鳗鲡(Anguilla japonica)是世界性的经济养殖鱼类,但在其养殖过程中,细菌、寄生虫、真菌和病毒性疾病的发生会给鳗鲡养殖业带来巨大的损失[16].GILT是与免疫相关的基因,但鳗鲡中对其特征和功能却未有报道.本研究克隆了日本鳗鲡GILT基因(AjGILT)的基因组和启动子序列,并通过生物信息学方法分析了其编码蛋白的序列特征; 在此基础上,进一步研究了其在日本鳗鲡不同组织中的表达情况,以及LPS、聚肌胞苷酸(PolyI:C)刺激和迟缓爱德华氏菌(Edwardsiella tarda)感染不同时间后在不同组织中的表达变化,以期为了解AjGILT的功能奠定基础.
1 材料与方法
1.1 材 料日本鳗鲡,体质量为(200±53)g,来源于福建省厦门市集美大学水产养殖基地; 迟缓爱德华菌为集美大学水产学院实验室保存菌种.
1.2 AjGILT基因的cDNA序列克隆用Trizol RNA提取试剂提取总RNA,经无RNase的DNaseⅠ处理后,用反转录试剂盒GoScriptTM Reverse Transcription System(Promega,美国)制备cDNA模板,用SMART RACE试剂盒(Clontech,美国)制备5'-和3'-cDNA末端快速克隆(RACE)模板.设计RACE PCR引物(表1),分别扩增AjGILT-1和AjGILT-2的5'-和3'-端序列.PCR扩增条件为:第一轮94 ℃预变性3 min; 94 ℃变性30 s,60 ℃退火30 s,72 ℃延伸1 min,35个循环; 72 ℃延伸10 min.第二轮94 ℃预变性3 min; 94 ℃变性30 s,64 ℃退火30 s,72 ℃延伸1 min,38个循环; 72 ℃延伸10 min.用引物AjGILT-1fl-F、AjGILT-1fl-R和AjGILT-2fl-F、AjGILT-2fl-R(表1)进行PCR扩增,分别验证AjGILT-1和 AjGILT-2的开放阅读框(open reading frame,ORF)序列.PCR扩增条件为:94 ℃预变性3 min; 然后94 ℃变性30 s,62 ℃退火30 s,72 ℃延伸1 min,38个循环; 最后72 ℃延伸10 min.扩增所得的PCR产物经1.2%(质量分数)琼脂糖凝胶电泳检测,E.Z.N.A凝胶回收试剂盒(Omega,美国)回收目的条带,然后连接到pMD19-T载体(TaKaRa,日本)上,并通过热激转化到大肠杆菌(Escherich coli)DH5α感受态细胞中,最后筛选阳性克隆并通过测序验证.
1.3 AjGILT的基因组和启动子序列克隆取日本鳗鲡肌肉组织100 mg,经酚/三氯甲烷/异戊醇法提取基因组DNA.以基因组DNA为模板,用引物AjGILT-1fl-F、AjGILT-1fl-R和AjGILT-2fl-F、AjGILT-2fl-R(表1)分别扩增AjGILT-1和AjGILT-2的基因组序列.PCR扩增条件为:94 ℃预变性1 min; 98 ℃变性10 s,62 ℃退火10 min,30个循环; 72 ℃延伸10 min.
以日本鳗鲡基因组DNA为模板,用引物AjGILT-1pF、AjGILT-1pR和AjGILT-2pF、AjGILT-2pR(表1)分别扩增AjGILT-1和AjGILT-2的启动子序列.PCR扩增条件为:94 ℃预变性3 min; 94 ℃变性30 s,60/58 ℃退火30 s,72 ℃延伸2 min,38个循环; 72 ℃延伸10 min.
1.4 AjGILT基因的表达分析样品采集[17]:日本鳗鲡经丁香酚及冰水麻醉后,断尾取血于加有肝素钠的离心管中,混匀,800 g离心20 min,收集下层细胞,-80 ℃保存备用; 然后解剖采集肝脏、脾脏、肠、皮肤、胃、头肾、中肾、鳔和鳃等组织/器官,分别于液氮冷冻后-80 ℃保存.
诱导表达实验:分别设置磷酸盐缓冲液(PBS)对照组、LPS(Sigma,美国)刺激组(剂量为1 mg/100 g)、Poly I:C(Sigma,美国)刺激组(剂量为1 mg/100 g)、迟缓爱德华氏菌感染组(剂量为107 cfu/100 g,cfu表示菌落形成单位),腹腔注射.注射8,16,24和72 h后采样,每组每个时间点各采集6尾.
实时荧光定量PCR(qRT-PCR):根据已获得的AjGILT-1和AjGILT-2的cDNA序列和基因组序列比对结果,设计跨内含子区域的AjGILT-1和AjGILT-2扩增引物,分别为qAjGILT-1F、qAjGILT-1R和qAjGILT-2F、qAjGILT-2R(表1); 同时以β-actin(GenBank:GU001950.1)为内参基因,设计引物Actin178F2和Actin178R2(表1).以日本鳗鲡cDNA 为模板,PCR扩增AjGILT-1、AjGILT-2以及β-actin基因片段,回收目的片段进行连接、转化和克隆鉴定后测序;
再将测序正确的菌液扩大培养提取质粒,测定质粒浓度并以其为原液用灭菌水进行10倍稀释,用LightCycler480 SYBR Green试剂盒(Roche,德国)扩增,绘制标准曲线; 然后在每块96孔板中加入4~5个已知拷贝数的质粒样品,剩余孔加入未知样品.PCR程序为:95 ℃ 10 min; 95 ℃ 20 s,62 ℃ 20 s,72 ℃ 25 s,共40个循环.AjGILT-1和AjGILT-2的采集点温度分别为83和81 ℃.反应结束后计算未知样品的拷贝数.
1.5 序列分析和数据统计分析在NCBI网站(http:∥blast.ncbi.nlm.nih.gov/)进行序列比对分析; 用ExPASy工具(http:∥web.expasy.org/)翻译氨基酸序列和分析蛋白质功能域; 用SignalP 4.1 Server(http:∥www.cbs.dtu.dk/services/SignalP)分析信号肽序列; 用NetNGlyc 1.0 Server(http:∥www.cbs.dtu.dk/services/NetNGlyc)分析糖基化位点; 用NNPP工具(http:∥www.fruitfly.org/seq/tools/promoter.html)预测基因调控区域; 用Promoter 2.0(http:∥www.cbs.dtu.dk/services/Promoter/)预测转录起始位点; 用调控元件结合位点分析网站(http:∥www.gene-regulation.com/pub/programs/alibaba2/index.html)分析基因启动子序列中潜在的转录因子结合位点; 用ClustalW 1.83和MEGA 5.0软件比较氨基酸序列同源性和构建系统进化树.数据用Excel 2010进行计算,用单因素方差分析法(one-way ANOVA)进行统计分析,并用Dunnett t-检验(双尾)进行多重比较.所有数据均用平均值±标准差的方式表示,p<0.05表示差异显著,p<0.01表示差异极显著.用GraphPad Prism v5.0软件作图.
虚线表示预测的信号肽序列,椭圆框表示活性位点CXXC,阴影表示保守的半胱氨酸残基,方框表示糖基化位点,
单下划线表示特征序列CQHGX2ECX2NX4C,双下划线表示终止信号(AATAAA).
2 结果与分析
2.1 AjGILT基因的鉴定及特征分析如图1所示:AjGILT-1和AjGILT-2的cDNA序列全长分别为840 bp和1 110 bp,编码蛋白分别含260和255个氨基酸残基,预测其分子质量大小分别为29.11和28.15 ku,等电点分别为5.56和6.31.其中AjGILT-2含有保守的终止信号(AATAAA)和polyA序列.氨基酸序列分析结果显示AjGILT-1和AjGILT-2均含有特征序列CQHGX2ECX2NX4C,分别位于124~139位和117~132位氨基酸残基; 活性位点CXXC,分别位于79~82和72~75位氨基酸残基; 2个糖基化位点,分别为N58、N68和N51、N135; 11个保守的半胱氨酸残基,预测可形成5个二硫键; N端分别含有21和22个氨基酸残基组成的信号肽.
克隆获得AjGILT-1和AjGILT-2的基因组序列全长分别为4 657 bp和4 452 bp.与AjGILT-1和AjGILT-2的cDNA序列进行比对,发现AjGILT-1和AjGILT-2基因组序列均含有7个外显子和6个内含子(图2),与其他脊椎动物(人、鼠、斑马鱼、大黄鱼等)的GILT基因结构[18]相似.
线条表示内含子,方框表示外显子,数字表示各外显子起止碱基的位置.
2.2 AjGILT氨基酸序列比对和系统进化树分析将AjGILT-1和AjGILT-2与其他物种GILTs的氨基酸序列进行多重比对,结果表明它们在蛋白特征结构上高度保守(附录图S1,http:∥jxmu. xmu.edu.cn/upload/html/20180408.html). AjGILT-1与所比对的其他物种GILTs的氨基酸序列相似性为31%~63%,其中与大西洋鲑(Salmo salar)的相似性最高; 而AjGILT-2与所比对的其他物种GILTs的氨基酸序列相似性为29%~62%,其中与虹鳟(Oncorhynchus mykiss)的相似性最高.系统进化树分析显示:所选的GILT家族蛋白被分为脊椎动物和无脊椎动物两大类,且在进化过程中来源于一个共同的祖先; 其中AjGILT-1与AjGILT-2聚为一支,两者又与大西洋鲑和虹鳟的GILTs聚为一支,表明亲缘关系较近(图3).
2.3 AjGILT启动子序列分析AjGILT-1与AjGILT-2启动子分析结果表明两者均存在多个转录因子结合位点,包括γ-干扰素活化序列(γ-interferon activation site,GAS)、特化蛋白1(specificity protein 1,Sp1)、转录因子CCAAT增强子结合蛋白(CCAAT enhancer binding protein,C/EBP)等.不同的是AjGILT-1启动子区存在多个核因子-1(nuclear factor-1,NF-1)、激活蛋白-1(activator protein-1,AP-1)结合位点及干扰素刺激反应元件(interferon stimulation reaction element,ISRE),而在AjGILT-2启动子区未发现(图4).
2.4 AjGILT基因在不同组织/器官中的表达利用qRT-PCR检测AjGILT-1和AjGILT-2在健康日本鳗鲡的肝脏、脾脏、胃、血液、头肾、中肾、鳃、肠、心脏、尾鳍、性腺、鳔、肌肉和皮肤共14个组织/器官中的表达情况,结果显示(图5):AjGILT-1和AjGILT-2在所检测的组织/器官中均有表达; AjGILT-1在鳃和肠中表达量最高,其次为头肾、中肾、鳔、皮肤、血液、性腺及肌肉,在肝脏、尾鳍和胃中的表达量极低; 而AjGILT-2在性腺、头肾和脾脏中表达量最高,其次为鳃、中肾、肌肉和心脏,在尾鳍和胃中表达量最低; 此外,在性腺、脾脏、鳃、中肾、肝脏和胃中AjGILT-2的表达量都显著高于AjGILT-1.
2.5 LPS、PolyI:C刺激及E.tarda感染后AjGILT基因的表达变化通过qRT-PCR检测LPS、PolyI:C刺激以及E. tarda感染8,16,24和72 h后,AjGILT-1和AjGILT-2在日本鳗鲡的鳃、头肾和中肾中的表达情况,结果如图6所示.
AjGILT-1和AjGILT-2用▲标记,物种名后为各GILT对应的GenBank登录号.
图3 采用邻接法构建的AjGILT-1、AjGILT-2与其他物种GILTs的系统进化树
Fig.3 Phylogenetic tree of AjGILT-1,AjGILT-2 and other GILTs using neighbor joining method图4 AjGILT-1(a)和AjGILT-2(b)的启动子序列分析
Fig.4 Analysis of promoter sequences of AjGILT-1(a)and AjGILT-2(b)图5 AjGILT-1和AjGILT-2在日本鳗鲡不同组织/器官中的表达谱
Fig.5 Expression profile of AjGILT-1 and AjGILT-2 in different tissues/organs of A. japonica在PolyI:C刺激后,鳃中AjGILT-1的表达量仅在刺激24 h后显著下调,而AjGILT-2的表达量仅在刺激16 h后显著上调.头肾中AjGILT-1的表达量在刺激24 h后显著下调,但在72 h后又有一定程度上调; 而AjGILT-2表达量在刺激16 h后有一定程度上调,但在72 h后显著下调.中肾中AjGILT-1和AjGILT-2的表达量均在刺激24 h后显著下调,之后恢复.
在E. tarda感染后,鳃中AjGILT-1的表达量在感染8 h后有一定程度下调,16 h后有一定程度上调,之后恢复,但均无显著性差异; 而AjGILT-2的表达量仅在感染16 h后显著上调.头肾中AjGILT-1的表达量在感染24 h后显著下调,之后维持在较低水平; 而AjGILT-2的表达量在感染16 h后有一定程度上调,但在72 h后又显著下调.中肾中AjGILT-1的表达量在感染16 h后显著下调,AjGILT-2的表达量在感染24 h后显著下调,之后均维持在较低水平.
3 讨论与结论
本研究在日本鳗鲡中克隆获得AjGILT-1和AjGILT-2基因,cDNA序列全长分别为840 bp 和1 110 bp,编码蛋白均含有GILT家族的特征序列CQHGX2ECX2NX4C、活性位点CXXC、2个糖基化位点及11个保守的半胱氨酸残基.其中活性位点CXXC是使巯基还原酶有活性和维持GILT结构和功能所必需的,且CXXC中任何一个半胱氨酸残基的突变均可使GILT的巯基还原酶失活[2].AjGILT的2个N-连接糖基化位点可能由甘露糖-6-磷酸衍生而来,其在酸性条件下对GILT前体转运到溶酶体中是必需的[19].此外,保守的半胱氨酸残基可形成二硫键,Collins等[6]提出在含有高浓度半胱氨酸的条件下,可最大程度催化溶酶体中二硫化物的还原.因此,AjGILT的功能可能涉及高浓度半胱氨酸的二硫键还原,进而在调节抗原递呈和表位选择中发挥作用[5].
γ-干扰素发挥作用是在JAK-STAT信号通路中形成STAT1磷酸化同源二聚体,然后进入细胞核并通过结合目的基因启动子区的GAS来激活目的基因的转录[9].目前研究表明人类黑素瘤中γ-干扰素诱导的GILT基因表达取决于STAT1的活化,活化的STAT1通过结合GILT启动子中的GAS进而调节GILT基因表达[20].在斑节对虾GILT基因的研究中,发现其通过JAK-STAT信号通路参与调节病毒感染后的一部分免疫应答[21].本研究结果显示AjGILT-1和AjGILT-2启动子区均含有GAS,因此推测AjGILT-1和AjGILT-2在病毒感染后的免疫应答中也可能通过JAK-STAT信号通路发挥作用.
图6 LPS、PolyI:C刺激及E.tarda感染后鳃、头肾和中肾中AjGILT-1(a)和AjGILT-2(b)的表达变化
Fig.6 The expression changes of AjGILT-1(a)and AjGILT-2(b)after LPS,PolyI:C stimulation and E. tarda infection in gill,head kidney and middle kidney本研究结果显示:LPS刺激后,鳃中AjGILT-1的表达量无显著变化,而AjGILT-2在刺激72 h后显著下调; 头肾和中肾中AjGILT-1和AjGILT-2的表达量均显著下调.PolyI:C刺激后,鳃中AjGILT-1和AjGILT-2表达量在刺激16 h后有一定程度上调; 头肾中AjGILT-1的表达量在刺激24 h后显著下调,AjGILT-2的表达量在刺激72 h后显著下调; 中肾中AjGILT-1和AjGILT-2的表达量均在刺激24 h后显著下调.E. tarda感染后,鳃中AjGILT-1和AjGILT-2的表达量在16 h后上调; 头肾中AjGILT-1的表达量在24 h后显著下调,AjGILT-2的表达量在72 h后显著下调; 中肾中AjGILT-1的表达量在16 h后显著下调,AjGILT-2的表达量在24 h后显著下调.从结果来看,整体上AjGILT-1和AjGILT-2在鳃中表达仅有少数变化,而在头肾和中肾中整体表达变化更明显.这可能是因为肾脏是先天性和适应性免疫的主要反应位点,也是淋巴细胞和巨噬细胞存在的主要组织,活化的淋巴细胞和直接刺激的巨噬细胞可诱导γ-干扰素,从而引起GILT基因表达的上调; 而鳃是非淋巴组织,虽然巨噬细胞在鳃中也可以被γ-干扰素刺激,但GILT表达在鳃中变化不明显,暗示巨噬细胞在非淋巴组织中可能是参与先天性免疫而非适应性免疫[9].
综上,本研究克隆了AjGILT-1和AjGILT-2两个基因及其启动子序列,对其进行了序列和结构分析.qRT-PCR结果表明AjGILT-1在鳃和肠中表达量最高,而AjGILT-2在性腺、头肾和脾脏中表达量最高.此外,AjGILT-1和AjGILT-2在病毒和细菌感染后的免疫应答中可能有重要作用,这为日本鳗鲡的病害防治提供了一定的理论基础.
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