王建清,郝志云,沈繼源,王繼卿,羅玉柱,胡 江,劉 秀,李少斌
(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院/甘肅省草食動(dòng)物生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/甘肅省牛羊基因改良工程實(shí)驗(yàn)室,甘肅蘭州 730070)
【研究意義】胰島素受體底物(insulin receptorsubstrates,IRSs)是細(xì)胞質(zhì)蛋白,在下游信號(hào)傳遞中起著重要的級(jí)聯(lián)作用?!厩叭搜芯窟M(jìn)展】目前在IRSs 家族中共發(fā)現(xiàn)6 名成員,分別是IRS1、IRS2、IRS3、IRS4、IRS5 和IRS6。這些蛋白質(zhì)在N 末端具有較高的同源性,有2 個(gè)極其保守的結(jié)構(gòu)域,即血小板-白細(xì)胞C激酶底物結(jié)構(gòu)域(pleckstrin homology,PH)和磷酸化酪氨酸結(jié)合結(jié)構(gòu)域(phosphotyrosine binding,PTB),前者負(fù)責(zé)蛋白質(zhì)相互作用及蛋白質(zhì)與磷脂相互作用,后者負(fù)責(zé)與活化受體中的NPXY 基序相互作用[1-2]。胰島素受體底物1(Insulin receptor substrate 1,IRS1)是細(xì)胞胰島素反應(yīng)的主要配體和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)適配蛋白,在胰島素(insulin,INS)和胰島素樣生長(zhǎng)因子受體1(insulin-like growth factor receptor-1,IGFR-1)向細(xì)胞內(nèi)PI3K/AKT(Phosphoinositide 3-kinase/protein kinase B)和MAPK(mitogen-activated protein kinase)通路傳遞信號(hào)方面起著關(guān)鍵作用[3]。IRS1作為調(diào)節(jié)β細(xì)胞功能的重要信號(hào)分子,主要調(diào)節(jié)胰島素分泌。例如,IRS1抑制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上鈣離子ATP 酶,使細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度升高,從而激活蛋白激酶C,刺激了胰島素釋放[4]。IRS1 在生物代謝和生長(zhǎng)促進(jìn)中都發(fā)揮著重要的功能,缺乏IRS1 的小鼠表現(xiàn)出輕微的糖尿病表型和明顯的生長(zhǎng)障礙,即小鼠心臟、肝臟和腓腸肌的重量明顯減少[5]。馬向輝等[6]研究發(fā)現(xiàn)IRS1基因?qū)η卮ㄅsw尺及部分肉質(zhì)性狀有顯著的影響。此外,Porter 等[7]分析了人乳腺癌標(biāo)組織中IRS1的表達(dá),發(fā)現(xiàn)IRS1在導(dǎo)管原位癌(DCIS)中高度表達(dá)。Jiao 等[8]研究發(fā)現(xiàn)miR-221 通過靶向PI3KAkt/mTOR 信號(hào)通路中的關(guān)鍵基因IRS1,抑制了奶牛乳腺上皮細(xì)胞的增殖。由此表明IRS1基因在乳腺發(fā)育中也具有重要的生物學(xué)功能?!颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】目前在GenBank中已有綿羊IRS1基因的預(yù)測(cè)序列,但尚未經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證實(shí)。同時(shí)也尚未見到綿羊該基因的序列特征和mRNA 組織表達(dá)研究?!緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究以泌乳高峰期和空懷期的小尾寒羊?yàn)檠芯繉?duì)象,利用克隆測(cè)序技術(shù)獲得了綿羊IRS1基因的CDS序列,通過生物信息學(xué)分析了其編碼的氨基酸序列,利用RT-qPCR 檢測(cè)了在不同乳腺發(fā)育時(shí)期,IRS1基因在乳腺、肝臟、心臟、背最長(zhǎng)肌、脾臟、肺臟、卵巢和腎臟中的表達(dá)模式,以期為闡明IRS1基因的生物學(xué)功能提供理論基礎(chǔ)。
在甘肅省天祝縣松山鎮(zhèn)金子河綿羊繁育場(chǎng),選擇處于泌乳高峰期(產(chǎn)后第3周)的小尾寒羊和空懷期的小尾寒羊各3 只,所有羊只均為健康無病的3 歲母羊。現(xiàn)場(chǎng)屠宰后分別采集其乳腺、心臟、肝臟、背最長(zhǎng)肌、脾臟、肺臟、卵巢和腎臟組織,用DEPC 水沖洗干凈后裝入2 mL凍存管,然后迅速置于液氮中,帶回實(shí)驗(yàn)室,于-80 ℃冰箱中保存,備用。
按照Trizol Reagent(Invitrogen,CA,USA)試劑盒說明,分別提取小尾寒羊各組織中的總RNA,用20 g/L的瓊脂糖凝膠電泳和超微量分光光度計(jì)(NanoDrop?One)檢測(cè)所提RNA 的質(zhì)量和濃度。檢測(cè)合格的RNA 按照天根反轉(zhuǎn)錄試劑盒(FastKing RT kit with gDNase)的要求進(jìn)行反轉(zhuǎn)錄得到cDNA,置于-20 ℃冰箱中保存?zhèn)溆谩?/p>
利用人IRS1基因的mRNA 序列(GenBank 登錄號(hào)為NM_005544.2),在NCBI 中BLAST 搜索綿羊基因組4.0(Ovine Genome Assembly Oar_v4.0),獲得與人IRS1mRNA高度相似的綿羊序列。用Primer 5.0設(shè)計(jì)3 對(duì)引物P1、P2 和P3,其中P1 和P2 引物用于克隆擴(kuò)增綿羊IRS1基因的CDS 全長(zhǎng)序列,引物P3 用于RTqPCR 分析,β-actin作為RT-qPCR 的內(nèi)參基因,這些引物由楊凌天潤(rùn)奧科生物科技有限公司合成,引物具體序列見表1。以一只空懷期小尾寒羊的背最長(zhǎng)肌中獲得的cDNA 為模板,采用25μL 反應(yīng)體系進(jìn)行PCR 擴(kuò)增:cDNA(約100 ng/μL)1μL、2×F8 FastLong PCR MasterMix 12.5μL、上、下游引物(0.25μmol/L)各0.5μL,加ddH2O 至25μL;PCR 擴(kuò)增條件為:94 ℃預(yù)變性5 min,94 ℃變性15 s,59 ℃退火15 s,72 ℃延伸50 s,共37個(gè)循環(huán),72 ℃延伸5 min,4 ℃保存。
表1 綿羊IRS1基因的引物序列Tab.1 Primer sequence for sheep IRS1 gene
PCR 擴(kuò)增產(chǎn)物用10 g/L 的瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè),用天根瓊脂糖凝膠DNA 回收試劑盒純化回收目的片段,將回收的目的片段連接至pMD19-T 載體上,連接反應(yīng)體系為:0.5μL pMD19-T 載體(約50 ng)、2 μL 目的片段DNA(約150 ng)、5 μL solutionⅠ快速連接液、最后用滅菌去離子水補(bǔ)足到10 μL,16 ℃連接30 min。將連接產(chǎn)物加到100μL DH5α感受態(tài)細(xì)胞中混勻冰浴30 min,42 ℃水浴90 s,取出后立即冰浴5 min,然后向其中加入500μL、37 ℃預(yù)熱的LB(不含抗生素)培養(yǎng)基,200 r/min、37 ℃培養(yǎng)45 min,吸取200 μL 菌液加到含Amp 抗生素的LB 固體瓊脂培養(yǎng)基上,用無菌的彎頭玻棒輕輕的將菌液均勻涂開。待平板表面干燥后,倒置平板于37 ℃培養(yǎng)14 h。然后挑取白色單菌落加入1 mL 含Amp 抗生素的LB 培養(yǎng)基中,在220 r/min、37 ℃下培養(yǎng)10 h,用引物P1和P2分別進(jìn)行菌液PCR擴(kuò)增(擴(kuò)增體系及條件參考1.3),對(duì)PCR 產(chǎn)物進(jìn)行瓊脂糖凝膠電泳,對(duì)于檢測(cè)到目的條帶的PCR 產(chǎn)物所對(duì)應(yīng)的菌液,送至上海生工生物科技有限公司測(cè)序。
通過在線軟件(http://hollywood.mit.edu/GENSCAN.html)預(yù)測(cè)綿羊IRS1基因的CDS 及其編碼的氨基酸序列,并在NCBI 中進(jìn)行Blast 驗(yàn)證;用MEGA 5.0 構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹;用在線軟件(https://web.expasy.org/protparam)分析綿羊IRS1的氨基酸序列特征;用在線軟件(https://npsa-prabi.ibcp.fr/cgi-bin/npsa_automat.pl?page=npsa_sopma.html)分析其蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu);用NetPhos 3.1預(yù)測(cè)氨基酸序列中潛在的磷酸化位點(diǎn);利用在線軟件(https://string-db.org/cgi/input.pl)分析IRS1的蛋白網(wǎng)絡(luò)互作關(guān)系;利用KEGG和GO分析其生物學(xué)功能和參與的代謝通路。
用SYBR Green I 嵌合熒光法,在Applied Biosystems QuantStudio?6 Flex qPCR 儀(Thermo Fisher,USA)中進(jìn)行qPCR 反應(yīng),用于檢測(cè)IRS1基因的組織表達(dá)量,然后用2-△△Ct法進(jìn)行相對(duì)定量分析。qPCR 采用20μL 反應(yīng)體系,包括2×ChamQ Universal SYBR qPCR Master Mix 10μL、上、下游引物(0.25μmol/L)各0.4μL、cDNA(約50 ng/μL)2μL,加ddH2O 至20μL;反應(yīng)條件為:95 ℃預(yù)變性3 min,95 ℃變性10 s,60 ℃退火30 s,72 ℃延伸30 s,共40個(gè)循環(huán),然后進(jìn)行融解曲線分析:95 ℃變性15 s,60 ℃退火60 s,95 ℃變性15 s。綿羊IRS1基因表達(dá)量檢測(cè)所用的cDNA 分別來自泌乳高峰期小尾寒羊和空懷期小尾寒羊的8 個(gè)組織,每個(gè)組織3個(gè)生物學(xué)重復(fù)。
以小尾寒羊背最長(zhǎng)肌中獲得的cDNA 為模板,用引物P1 和P2 進(jìn)行PCR 擴(kuò)增,擴(kuò)增產(chǎn)物經(jīng)10 g/L 的瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè),發(fā)現(xiàn)2 條目的條帶均接近2 000 bp,與預(yù)期結(jié)果一致(圖1)。
圖1 綿羊IRS1基因PCR擴(kuò)增產(chǎn)物檢測(cè)結(jié)果Fig.1 Electrophoresis results of sheep IRS1 gene PCR product
通過測(cè)序發(fā)現(xiàn),引物P1 和P2 擴(kuò)增的核苷酸片段大小分別為1 840 bp和1 935 bp,將這2段核苷酸序列拼接后,獲得了綿羊IRS1基因的CDS及其編碼的氨基酸序列。結(jié)果表明,該基因的CDS全長(zhǎng)3 708 bp,編碼1 235個(gè)氨基酸,這與NCBI中預(yù)測(cè)的結(jié)果一致。利用BLAST分析發(fā)現(xiàn),該氨基酸序列與山羊IRS1 序列和黃牛IRS1 序列同源性分別高達(dá)99.19%和98.22%。在GenBank 中獲得山羊(XP_017914353.1)、野牦牛(XP_005890195.1)、黃牛(XP_003585821.1)、馬(XP_023498214.1)、豬(XP_020930260.1)、大鼠(NP_037101.1)、小鼠(NP_034700.2)和人類(NP_005535.1)IRS1 的氨基酸序列,結(jié)合本研究獲得的序列,構(gòu)建了系統(tǒng)發(fā)育樹。結(jié)果顯示,本研究獲得的綿羊序列與山羊IRS1序列的親緣關(guān)系最近,其次是野牦牛和黃牛,與豬、馬和人的親緣關(guān)系較遠(yuǎn),與小鼠和大鼠的親緣關(guān)系最遠(yuǎn)(圖2)。以上研究結(jié)果表明,本研究獲得的核苷酸序列為綿羊的IRS1序列。
綿羊IRS1的分子式為C5615H8814N1706O1800S45,分子量為130 462.80,等電點(diǎn)為8.99,包括507個(gè)非極性氨基酸(41.1%)和728 個(gè)極性氨基酸(58.9%),其中極性氨基酸由124 個(gè)帶正電荷的氨基酸(Arg+Lys)(10.0%)、108個(gè)帶負(fù)電荷的氨基酸(Asp+Glu)(8.7%)和496個(gè)不帶電荷的氨基酸(40.2%)組成。在其氨基酸組成中,絲氨酸(Ser)含量最高,占比為14.6%;其次是脯氨酸(Pro)和甘氨酸(Gly),分別占10.7%和10.6%。綿羊IRS1 在哺乳動(dòng)物網(wǎng)織紅細(xì)胞內(nèi)的半衰期為30 h,脂溶指數(shù)為56.06,平均親水性為-0.649,不穩(wěn)定指數(shù)為73.55。說明該蛋白為不穩(wěn)定的、堿性親水性蛋白。
圖2 基于IRS1的氨基酸序列構(gòu)建的系統(tǒng)進(jìn)化樹Fig.2 Phylogenetic tree based on amino acid sequence of IRS1
綿羊IRS1的二級(jí)結(jié)構(gòu)中包含14.01%的α螺旋、4.05%的β 轉(zhuǎn)角、67.53%的無規(guī)卷曲和14.41%的延伸鏈。磷酸化位點(diǎn)預(yù)測(cè)結(jié)果顯示,綿羊IRS1 包含了150 個(gè)絲氨酸(Ser)、36個(gè)蘇氨酸(Thr)和18個(gè)酪氨酸(Tyr)磷酸化位點(diǎn)。GO 功能注釋顯示,IRS1基因主要參與了蛋白激酶結(jié)合及蛋白激酶C 結(jié)合等生物學(xué)過程。KEGG 分析發(fā)現(xiàn),IRS1基因主要參與了PI3K/AKT和MAPK信號(hào)通路。String分析顯示,綿羊IRS1同IGFR1、磷酸肌醇-3-激酶調(diào)節(jié)亞基1(Phosphoinositide-3-Kinase Regulatory Subunit 1,PIK3R1)、絲裂原活化蛋白激酶8(Mitogen-Activated Protein Kinase 8,MAPK8)、絲裂原活化蛋白激酶10(Mitogen-Activated Protein Kinase 8,MAPK10)和生長(zhǎng)因子受體結(jié)合蛋白2(growth factor receptor bound protein 2,GRB2)存在直接的相互作用(圖3)。
圖3 綿羊IRS1蛋白網(wǎng)絡(luò)互作圖Fig.3 The protein interaction network of sheep IRS1
RT-qPCR 檢測(cè)結(jié)果分析發(fā)現(xiàn),綿羊IRS1基因在小尾寒羊各組織中均表達(dá),并且表現(xiàn)出明顯的組織特異性。無論是泌乳高峰期還是空懷期的小尾寒羊中,IRS1基因在背最長(zhǎng)肌中的表達(dá)量最高,其次是肝臟和心臟,在肺臟、腎臟、卵巢和乳腺組織中表達(dá)量較低,在脾臟中弱表達(dá)。
同時(shí),綿羊IRS1基因表達(dá)也表現(xiàn)出明顯的時(shí)序性。在泌乳高峰期的小尾寒羊中,IRS1基因在乳腺組織中的表達(dá)量是空懷期乳腺組織中的表達(dá)量的2.77倍(P<0.05),但在除乳腺和脾臟以外的其他6個(gè)組織中,該基因在空懷期中的表達(dá)量均顯著高于泌乳高峰期中的表達(dá)量(P<0.05)。同時(shí)發(fā)現(xiàn),雖然在泌乳高峰期中,IRS1基因的表達(dá)量在卵巢和乳腺組織間無顯著差異(P>0.05);但是在空懷期中,該基因在卵巢中的表達(dá)量是乳腺組織中的5.49倍(P<0.01)(圖4)。
圖4 IRS1基因在泌乳高峰期和空懷期小尾寒羊各組織中的相對(duì)表達(dá)量Fig.4 Relative expression of IRS1 gene in different tissues of small-tailed han sheep during the peak-lactation and non-lactation periods
本研究利用克隆測(cè)序等實(shí)驗(yàn)方法,首次獲得了綿羊IRS1基因完整的CDS序列。該序列全長(zhǎng)3 708 bp,編碼1235 個(gè)氨基酸。綿羊IRS1 的氨基酸序列與山羊和黃牛IRS1 序列的同源性分別高達(dá)99.19%和98.22%。綿羊IRS1 的氨基酸組成中,絲氨酸(Ser)含量最高(占14.6%),這與小鼠中的研究結(jié)果一致[2]。綿羊IRS1 的平均親水性為-0.649,屬于親水性蛋白。Sun 等[9]也發(fā)現(xiàn)大鼠IRS1 是相對(duì)分子質(zhì)量為131 000 的親水性蛋白質(zhì)。綿羊IRS1 的不穩(wěn)定指數(shù)為73.55,為不穩(wěn)定蛋白,但其半衰期較長(zhǎng)(30 h),這與“蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性與其半衰期呈正相關(guān)”[10]的研究結(jié)果有一定出入。綿羊IRS1為不穩(wěn)定蛋白,有2 個(gè)方面的原因。一是綿羊IRS1 的氨基酸序列中含有204 個(gè)潛在的磷酸化位點(diǎn)。Sprang 等[11]研究發(fā)現(xiàn)磷酸化會(huì)降低蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性。二是綿羊IRS1的不穩(wěn)定性與其二級(jí)結(jié)構(gòu)中含有較少的α螺旋有關(guān)。研究表明,二級(jí)結(jié)構(gòu)中的α螺旋可以增加蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性[12-13]。在綿羊IRS1的氨基酸構(gòu)成中含有高比例的脯氨酸(10.7%)和甘氨酸(10.6%),這影響了α 螺旋的形成。研究表明,不同的氨基酸序列形成α 螺旋結(jié)構(gòu)的概率不同。蛋氨酸、丙氨酸、亮氨酸、谷氨酸和賴氨酸都有特別高的α 螺旋形成概率,而脯氨酸和甘氨酸的α螺旋形成概率很低[14],因?yàn)楦彼峥梢酝ㄟ^兩種途徑破壞和扭曲α螺旋,一是不能提供酰胺氫鍵,另一方面是它對(duì)α螺旋的主干進(jìn)行空間干涉,迫使α螺旋軸彎曲約30°[15]。
KEGG 分析發(fā)現(xiàn),IRS1基因主要參與了PI3K/AKT 和MAPK 信號(hào)通路,這2個(gè)信號(hào)通路都與哺乳動(dòng)物的乳腺發(fā)育和泌乳密切相關(guān)。其中PI3K/AKT 是由胰島素樣生長(zhǎng)因子1(IGF1)介導(dǎo)的、調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)合成的信號(hào)通路[16],IGF1 與IGFR1 結(jié)合后使得IRS1 發(fā)生磷酸化,磷酸化后的IRS1 與PI3K 結(jié)合生成PIP3,PIP3 可以吸引并激活A(yù)KT 激酶[17-18],然后在mTOR 通路上促進(jìn)乳蛋白的合成[19]。MAPK 激酶是一種絲氨酸/蘇氨酸特異性蛋白激酶,MAPK 信號(hào)通路主要調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖、分化、存活和凋亡,以及有絲分裂[20]。研究[5]表明,在IRS1缺失的小鼠中,PI3K/AKT 和MAPK 通路的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)受到影響,并且受影響程度是組織特異性的。因此綿羊IRS1可以通過這2個(gè)信號(hào)通路調(diào)節(jié)綿羊乳腺和其它組織的發(fā)育。
蛋白互作分析發(fā)現(xiàn)綿羊IRS1 同IGFR1、PIK3R1、MAPK8、MAPK10 和GRB2 存在直接的相互作用。其中IGFR1 是PI3K/AKT 信號(hào)通路的關(guān)鍵蛋白[21],PIK3R1 和催化亞基(p110a、p110b 和p110d)共同構(gòu)成了PI3K[22],IGFR1 可以通過PI3K/AKT 信號(hào)通路發(fā)揮一系列作用[17]。MAPK8(也稱為JNK1)和MAPK10(也稱為JNK3)是MAPK 激酶的JNK(c-Jun N-terminal kinases)家族成員[23],JNK 可以與IRS1 結(jié)合,從而使IRS1 在Ser307 位點(diǎn)處發(fā)生磷酸化,最終抑制了INS 刺激的IRS1 酪氨酸磷酸化,促進(jìn)了MAPK 的激活,增強(qiáng)了MAPK 通路的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)[24]。在INS 刺激過程中,GRB2 與IRS1 磷酸化的Y895VNI 基序結(jié)合,形成IRS1-GRB2復(fù)合物,可以增強(qiáng)INS對(duì)MAPK的刺激作用[25]。
RT-qPCR 檢測(cè)結(jié)果分析發(fā)現(xiàn),綿羊IRS1基因在小尾寒羊各組織中均表達(dá),并且表現(xiàn)出明顯的組織特異性。無論是在泌乳高峰期還是在空懷期,IRS1基因在背最長(zhǎng)肌中的表達(dá)量最高,其次是肝臟和心臟,在肺臟、腎臟、卵巢和乳腺組織中表達(dá)量較低,在脾臟中弱表達(dá)。這與人類上的研究結(jié)果一致,張垚等[26]發(fā)現(xiàn)IRS1在全身各組織細(xì)胞中均表達(dá),并且在骨骼肌中表達(dá)量最高。目前IRS1基因的組織表達(dá)研究集中在人類腫瘤組織中[27],尚未有該基因在家畜組織中的研究報(bào)道。
綿羊IRS1基因也表現(xiàn)出明顯的時(shí)序表達(dá)性,在肝臟、心臟、背最長(zhǎng)肌、肺臟、卵巢和腎臟組織中,該基因在空懷期中的表達(dá)量均顯著高于泌乳高峰期中的表達(dá)量(P<0.05),這可能與綿羊在2個(gè)時(shí)期的雌二醇分泌量差異有關(guān)。華蕊等[28]在海南黑山羊中研究發(fā)現(xiàn),與空懷期相比,泌乳期的雌二醇分泌量顯著下降,而雌二醇可以增加IRS1mRNA的表達(dá)[29]。
同時(shí)發(fā)現(xiàn),IRS1基因在泌乳高峰期乳腺組織中的表達(dá)量是空懷期中的2.77倍(P<0.05),這表明IRS1基因在促進(jìn)綿羊乳腺發(fā)育和泌乳中發(fā)揮著重要作用。研究表明在牛乳腺上皮細(xì)胞和小鼠乳腺中,INS具有促進(jìn)細(xì)胞增殖和乳蛋白基因表達(dá)的作用[30-32],而IRS1可以抑制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上鈣離子ATP 酶,使細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度升高,從而激活蛋白激酶C,刺激INS 釋放[4]。因此,IRS1 可以通過INS 的間接作用促進(jìn)乳腺上皮細(xì)胞增殖。此外,Chen 等[33]研究發(fā)現(xiàn)IRS1 可以通過磷酸化激活STAT5,從而參與JAK/STAT 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路,調(diào)控乳蛋白合成和乳腺上皮細(xì)胞分化,維持乳腺上皮細(xì)胞的存活[34-35]。
本研究首次成功克隆得到綿羊IRS1基因完整的CDS 序列,它全長(zhǎng)3 708 bp,編碼1 235 個(gè)氨基酸。IRS1在小尾寒羊各組織中廣泛表達(dá),并且表達(dá)出明顯的組織特異性和時(shí)序特異性。