田雅晴,崔立欣,郝海生,鄒惠影,龐云渭,趙學明,朱化彬,杜衛(wèi)華
(中國農(nóng)業(yè)科學院北京畜牧獸醫(yī)研究所,北京 100193)
在畜牧業(yè)生產(chǎn)中,卵泡的發(fā)育和排卵是影響母畜繁殖力和生產(chǎn)力的重要因素[1]。卵泡中,卵丘細胞包圍卵母細胞,通過縫隙連接與其進行物質(zhì)交換和信息傳遞,如運輸環(huán)狀鳥苷酸、環(huán)狀腺苷酸、乳酸、丙酮酸和磷酸肌酸等作用于卵母細胞[2],而卵母細胞則通過旁分泌分化生長因子9(growth differentia-tion factor 9,GDF9)和骨形態(tài)發(fā)生蛋白15(bone morphogenetic protein 15,BMP15)來調(diào)節(jié)卵丘細胞的增殖和分化[3]。在牛卵丘-卵母細胞復合體(cumulus-oocyte complexes,COCs)的體外成熟過程中,去除卵丘細胞可顯著降低卵母細胞的成熟率和胚胎的發(fā)育潛力[4]。
缺失的、小的、同源異形1(absent, small, or homeotic 1,ASH1)是組蛋白賴氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶,最初在果蠅中被鑒定出來[5]。ASH1含SET(su [var]3-9, enhancer-of-zeste, trithorax)結(jié)構(gòu)域,具有甲基轉(zhuǎn)移酶活性[6]。在哺乳動物中,類ASH1L(ASH1-like)可催化組蛋白H3K4和H3K36的甲基化,從而調(diào)控同源異形盒基因(homeobox gene,HOXgene)的表達[7]。Ash1L基因缺失后,小鼠發(fā)育能力降低,并伴有生殖器官的缺陷[8]。干擾ASH1L基因表達可抑制牛卵丘細胞的增殖,促進細胞凋亡,促凋亡基因BAX和CASPASE-3表達上調(diào)[9]。然而,ASH1L基因調(diào)控卵丘細胞增殖和分化的具體途徑仍不清楚。
作為高通量技術(shù),轉(zhuǎn)錄組測序(RNA-seq)能從基因組水平上研究細胞中的基因表達及其調(diào)控規(guī)律[10]。采用該法鑒定出在牛卵母細胞和卵丘細胞中共同表達的499個配體編碼基因與轉(zhuǎn)錄調(diào)控相關(guān),且富集于跨帶突觸形成的功能條目;另外,大量的差異表達基因富集于卵泡形成過程中的轉(zhuǎn)錄、翻譯、凋亡、轉(zhuǎn)運以及細胞分化等功能,可見卵丘細胞的基因表達與卵母細胞中的生物過程和胚胎的發(fā)育能力息息相關(guān)[11]。COCs經(jīng)玻璃化冷凍后,卵丘細胞中存在大量的差異表達基因,推測其可能與冷凍卵母細胞發(fā)育潛力的降低相關(guān)[12]。本試驗對敲降A(chǔ)SH1L基因的牛卵丘細胞和野生型卵丘細胞進行RNA測序,篩選兩株細胞中的差異表達基因,通過生物信息學方法分析其功能和參與的信號通路,為揭示ASH1L基因在卵丘細胞增殖、卵母細胞成熟和胚胎發(fā)育中的作用機制提供新的研究思路。
本研究所用試劑若無說明均購自西格瑪奧德里奇(上海)貿(mào)易有限公司;DMEM/F12培養(yǎng)基、0.25%胰酶、DPBS液和轉(zhuǎn)染試劑盒(Lipofectamine3000)購自賽默飛世爾科技(中國)有限公司。
屠宰場采集牛卵巢,于含雙抗(100 IU·mL-1青霉素和100 μg·mL-1鏈霉素)的30 ℃生理鹽水中,2 h內(nèi)運回實驗室。用真空泵連接18號針頭,抽取直徑為2~6 mm卵泡中的卵泡液。在體視顯微鏡下挑選狀態(tài)良好,且?guī)в?層及以上卵丘細胞的COCs,洗滌后放入成熟滴中,于38.5 ℃、5% CO2、飽和濕度條件下培養(yǎng)22 h。用0.1%透明質(zhì)酸酶消化COCs,在顯微鏡下移除卵母細胞,將卵丘細胞用DPBS離心(1 000 r·min-1,5 min)洗滌兩次,用含10% FBS和1%雙抗的DMEM/F12培養(yǎng)基重懸細胞,接種在六孔板中,于37 ℃、5% CO2、飽和濕度條件下培養(yǎng)。
根據(jù)Cui等[9]的研究,按照NCBI提供的牛ASH1L基因序列(登錄號:NM_001192743),由上海吉瑪基因股份有限公司合成一對siASH1L及陰性對照siRNA序列(negative control,NC)。
觀察細胞密度達到80%,且狀態(tài)良好時進行轉(zhuǎn)染。將5 μL轉(zhuǎn)染試劑Lipofectamine3000與50 μL Opti-MEM培養(yǎng)基混勻后室溫靜置5 min;將5 μL siRNA或NC序列與50 μL的Opti-MEM培養(yǎng)基混勻;然后將上述兩種Opti-MEM培養(yǎng)基混勻,室溫靜置20 min。移除細胞孔中的培養(yǎng)基,DPBS清洗兩次,加入600 μL Opti-MEM培養(yǎng)液;將含轉(zhuǎn)染試劑和siRNA的混合物加入細胞孔,混勻后于37 ℃培養(yǎng)箱中繼續(xù)培養(yǎng)。4~6 h后更換為含10% FBS和1%雙抗的DMEM/F12培養(yǎng)基,48 h后收集細胞用于后續(xù)試驗。
siRNA或siNC序列轉(zhuǎn)染牛卵丘細胞48 h后,分別收集干擾組和對照組細胞提取RNA,每組3個重復,共6個樣品RNA送至上海歐易生物醫(yī)學科技有限公司,使用Illumian HiSeqTM2500平臺進行測序。使用Trimmomatic軟件對原始數(shù)據(jù)進行質(zhì)量評估后,利用Hisat2將所得clean reads比對到牛參考基因組(版本號:UMD3.1.1)上。利用DESeq軟件對各個樣本基因的counts數(shù)目進行標準化處理(采用basemean值來估算表達量),計算差異倍數(shù),以差異倍數(shù)>1.5及P<0.05來篩選差異表達基因。然后利用GO(gene ontology)和KEGG(Kyoto encyclopedia of genes and genomes)數(shù)據(jù)庫分別對差異表達基因進行富集分析,并用超幾何分布檢驗方法計算代表GO功能集在差異表達蛋白編碼基因/轉(zhuǎn)錄本列表中富集的顯著性,及每個Pathway條目中差異表達基因富集的顯著性。
利用GSEA軟件,選用Hallmark(H)、Curated(C2)、Ontology(C5)數(shù)據(jù)庫對RNA-seq測得的全部表達基因進行富集分析,以錯誤發(fā)現(xiàn)率(FDR)q值<0.25為標準篩選富集的基因集。
使用StringTie軟件對reads進行組裝,采用ASprofile軟件檢測樣本中存在的可變剪切事件。
利用Samtools軟件進行染色體坐標排序、去重等處理,再用Samtools、Bedtools等軟件預測樣本中的SNP位點,然后采用SnpEff等軟件進行功能注釋。使用QUAL(a quality score associated with the inference of the given allele)≥20,且DP(combined depth across samples)≥4對數(shù)據(jù)結(jié)果進行過濾。
將siASH1L(干擾組)和siNC(對照組)分別轉(zhuǎn)染牛卵丘細胞,每組3個重復,轉(zhuǎn)染48 h后收集細胞。參照動物組織/細胞總RNA提取試劑盒(華越洋生物北京科技有限公司)說明書提取RNA,并反轉(zhuǎn)錄為cDNA,利用CFX96TM實時熒光定量PCR儀(BIO-RAD,美國)進行定量檢測。牛GAPDH、ASH1L、緊密連接蛋白6(claudin-6,CLDN6)、冠蛋白1A(coronin 1A,CORO1A)和肌鈣蛋白C1(troponin C 1,TNNC1)基因的引物參考崔立欣[13]的研究設(shè)計,并由華大基因公司合成;BMP4基因(登錄號:NM_001045877.1)引物序列為F:TGGCCCAAGAGAACCCTAAG,R:ATCCGGGTGTTCCTTCATGT;SMAD蛋白6(SMAD family member 6,SMAD6)基因(登錄號:NM_001206145.2)引物序列為F:GCCAACTCCCTCATCACAGC,R:AGGTAGGTCGTAGAAGATGC;頭蛋白(Noggin,NOG)基因(登錄號:XM_002695554.6)引物序列為F:CCAGCACTATCTCCACATCC,R:GGGGTCAAAGATAGGGTCCG。RT-qPCR的反應體系為15 μL:上、下游引物各0.5 μL, cDNA模板2 μL,TB Green Premix Ex Taq II(2×)7.5 μL,RNase free ddH2O 4.5 μL。反應程序:95 ℃預變性30 s;95 ℃ 5 s,60 ℃ 30 s,39個 循環(huán)。每個樣品重復3次, 以牛GAPDH為內(nèi)參基因,采用2-△△Ct法計算基因的相對表達量。
將siASH1L(干擾組)和siNC(對照組)分別轉(zhuǎn)染卵丘細胞48 h后,用0.25%胰酶分別消化、收集干擾組和對照組細胞,加入200 μL含蛋白酶抑制劑的細胞裂解液,充分裂解后12 000 r·min-1離心5 min,吸取上清。將上清、β-巰基乙醇和Buffer混和,100 ℃蛋白變性10 min,取20 μL樣品經(jīng)SDS-PAGE膠電泳分離;再用200 mA電流、300 V電壓將蛋白轉(zhuǎn)移到硝酸纖維素膜上,37 ℃搖床、5%脫脂奶粉中封閉1.5 h。膜于一抗(1∶500)中4 ℃孵育過夜;TBST洗膜3次后,于二抗(1∶5 000)中37 ℃孵育1 h,洗膜后顯影。凝膠成像儀中曝光采集數(shù)據(jù),采用圖像分析軟件(Image-J)進行蛋白定量分析。以β-tubulin作為內(nèi)參,每個樣品至少重復3次。
利用SPSS 26.0軟件對數(shù)據(jù)進行組間單因素方差分析(ANOVA)和鄧肯檢驗(Duncan test),結(jié)果以“平均值(Mean)±標準誤(SEM)”形式表示,P<0.05為統(tǒng)計學差異顯著。本研究中的柱狀圖均使用GraphPad Prism 7.0軟件制作。
分別采用RT-qPCR和Western blotting方法檢測牛卵丘細胞中ASH1L mRNA和蛋白的表達水平(圖1A和1B),結(jié)果顯示:ASH1L mRNA和蛋白在卵丘細胞中均有表達,且均顯著低于內(nèi)參基因的表達水平(P<0.05)。
將前期試驗篩選的靶向ASH1L基因的siRNA序列(干擾組)和siNC序列(對照組)分別轉(zhuǎn)染牛卵丘細胞,檢測ASH1L基因和蛋白表達水平(圖1C和1D)。結(jié)果發(fā)現(xiàn):干擾組細胞中該基因的mRNA和蛋白表達水平顯著低于對照組細胞(P<0.05),siRNA干擾效率達60%~70%。
A.卵丘細胞中ASH1L基因的mRNA表達水平;B.卵丘細胞中ASH1L蛋白的表達水平;C.siRNA干擾后,卵丘細胞中ASH1L基因的mRNA表達水平;D.siRNA干擾后,卵丘細胞中ASH1L蛋白的表達水平。不同字母代表差異顯著(P<0.05)A. Expression level of ASH1L gene in bovine cumulus cells; B. Protein level of ASH1L in bovine cumulus cells; C. Expression level of ASH1L gene in bovine cumulus cells with siRNA interference; D. Protein level of ASH1L in bovine cumulus cells with siRNA interference. Different letters indicate significant difference (P<0.05)圖1 ASH1L在牛卵丘細胞中的表達及siASH1L干擾效果Fig.1 Expression levels of ASH1L in bovine cumulus cells with or without siRNA interference and interference effect of siASH1L
干擾組與對照組細胞的RNA-seq原始數(shù)據(jù)進行質(zhì)量過濾后,獲得有效數(shù)據(jù)量44 G,Q30堿基分布在93%以上,數(shù)據(jù)可靠,可用于后續(xù)的生物信息學分析。兩組細胞共篩選出2 046個差異表達基因,其中上調(diào)基因1 078個,下調(diào)基因968個(圖2)。上調(diào)倍數(shù)較大的基因有鐵調(diào)素調(diào)節(jié)蛋白2(hemojuvelin 2,HFE2)、肌球蛋白輕鏈7(myosin light chain 7,MYL7)和水通道蛋白1(aquaporin 1,AQP1),分別上調(diào)了6.72、5.29和4.31倍;下調(diào)倍數(shù)較大的基因有肌肉骨骼受體酪氨酸激酶(muscle, skeletal, receptor tyrosine kinase,MUSK)、血管非炎性分子1(vanin 1,VNN1)和代謝型谷氨酸受體8(metabotropic glutamate receptor 8,GRM8),分別下調(diào)了6.32、6.01和3.74倍。
為驗證測序結(jié)果的可靠性,選取6個差異表達基因進行RT-qPCR驗證(圖3)。與對照組相比,干擾組細胞中CLDN6、CORO1A和TNNC1基因的表達量顯著上調(diào),而BMP4、SMAD6和NOG基因的表達量顯著下降(P<0.05);可見,以上基因表達水平的變化趨勢與RNA-seq結(jié)果一致。
圖2 ASH1L干擾組和對照組卵丘細胞中差異表達基因火山圖Fig.2 Volcano map of differentially expressed genes in bovine cumulus cells with or without interference of ASH1L
A.RNA-seq中差異表達基因的log2(fold change);B.差異表達基因的RT-qPCR分析A. log2(fold change) of differentially expressed genes; B. RT-qPCR analysis of differentially expressed genes圖3 ASH1L干擾組和對照組卵丘細胞中差異表達基因RT-qPCR驗證Fig.3 RT-qPCR verification of differentially expressed genes in bovine cumulus cells with or without interference of ASH1L
對2 046個差異表達基因進行GO注釋分析,結(jié)果其主要富集到2 802個GO條目。其中,生物學過程類條目包括血小板活化的正調(diào)控、紡錘體檢驗點、細胞遷移的正調(diào)控、細胞分裂等;細胞組分類條目包括白介素6受體復合物、細胞外基質(zhì)蛋白、細胞外空隙、細胞連接等;分子功能類條目包括微衛(wèi)星結(jié)合、細胞外基質(zhì)結(jié)合、鈣離子結(jié)合、胰島素樣生長因子I結(jié)合、組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶活性、H3K36二甲基化等(圖4A)。
KEGG分析發(fā)現(xiàn),兩組細胞的差異表達基因共富集到53條通路,顯著富集的通路主要包括白細胞跨內(nèi)皮遷移、細胞凋亡、Hippo、細胞黏附分子、PI3K-Akt、細胞外基質(zhì)受體相互作用等(圖4B)。參與白細胞跨內(nèi)皮遷移通路的基因中,表達量變化較大的有α-輔肌動蛋白3(α-actinin 3,ACTN3)、CLDN6和VAV鳥嘌呤核苷酸交換因子3(vav guanine nucleotide exchange factor 3,VAV3),分別上調(diào)了1.65、4.86和2.59倍;參與細胞黏附分子通路的基因中,表達量變化較大的有整合素β7亞基(integrin β7 subunit,ITGB7)、CLDN6和選擇素P(selectin P,SELP),分別上調(diào)了2.51、4.86倍和下調(diào)了2.75倍。其中,CLDN6是一種緊密連接蛋白基因,同時參與細胞黏附分子和白細胞跨內(nèi)皮遷移兩個通路。
利用GSEA分析干擾組和對照組卵丘細胞的全部表達基因在GO gene sets和curated gene sets基因集中的富集情況(表1)。結(jié)果,ASH1L基因可能與發(fā)育誘導、細胞周期、胚胎干細胞、H3K4特異性組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶活性、組蛋白去甲基化等生物學過程相關(guān)。
6個樣品的轉(zhuǎn)錄組測序共鑒定出12種可變剪切方式,共117 994個可變剪切事件(表2)。絕大多數(shù)的基因發(fā)生外顯子跳躍類型的可變剪切,其中單外顯子跳躍、可變第一外顯子和模糊邊界單外顯子跳躍3種剪切方式分別占可變剪切事件的37%、32%和11%。
測序數(shù)據(jù)中共檢測到522 205個SNPs位點,其中絕大多數(shù)SNP分布在內(nèi)含子、外顯子和基因下游(表3);堿基轉(zhuǎn)換的發(fā)生頻率顯著高于顛換,其中A-G和T-C轉(zhuǎn)換頻率較高,G-C和C-G顛換頻率較高。
哺乳動物中,卵丘細胞的增殖和凋亡對卵泡的生長、卵母細胞的成熟和早期胚胎的發(fā)育潛力至關(guān)重要[14];而組蛋白甲基化等表觀修飾參與調(diào)控卵丘細胞的增殖和生長[15]。本試驗首先分析了組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶ASH1L在牛卵丘細胞中的表達水平,然后通過RNA干擾技術(shù)敲降A(chǔ)SH1L基因,研究其低表達對牛卵丘細胞基因表達譜的影響。
本研究采用GO富集和GSEA基因集富集兩種方法對敲降A(chǔ)SH1L基因的卵丘細胞和野生型卵丘細胞中的表達基因進行分析,前者是對兩組細胞中的差異表達基因進行富集分析,而后者是利用所有基因的表達信息進行基因集富集分析[16]。GO分析表明,兩組細胞的差異表達基因主要富集在細胞分裂、組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶活性、H3K36二甲基化、細胞連接等GO條目;而GSEA富集分析發(fā)現(xiàn),兩組細胞中表達的基因顯著富集到發(fā)育誘導、H3K4特異性組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶活性、H3K27me3和組蛋白去甲基化等基因集??梢姡珹SH1L基因與組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶的催化功能和卵丘細胞的生長調(diào)控等密切相關(guān);崔立欣等[17]對卵丘細胞中H3K36me1/2/3的熒光免疫染色結(jié)果也說明,干擾ASH1L基因可顯著降低H3K36me1/2/3甲基化水平,以上結(jié)果與ASH1L可特異性甲基化H3K4和H3K36的前期研究一致[12,18]。另外,GSEA富集分析表明,敲降A(chǔ)SH1L基因能夠?qū)е翲3K27me3水平上調(diào),其核心基因包括HOXA3、HOXD8和HOXD4等。H3K4、H3K36、H3K79甲基化與基因激活有關(guān),H3K9、H3K27、H3K20甲基化與基因沉默或異染色質(zhì)形成有關(guān)[19];ASH1L可特異性催化H3K36甲基化,并通過干擾核小體上多梳抑制復合體2(polycomb repressive complex 2,PRC2)的活性而抑制H3K27甲基化,從而調(diào)控HOX基因的表達[20]。
敲降A(chǔ)SH1L基因的卵母細胞和野生型卵丘細胞中的差異表達基因富集到53條通路,而下調(diào)基因顯著富集的通路中包含轉(zhuǎn)化生長因子β(transforming growth factor-β,TGF-β)。TGF-β是機體內(nèi)重要的信號通路之一,可調(diào)節(jié)細胞的增殖與分化、胚胎發(fā)育、器官形成和免疫功能等[21];該通路包含大量不同的多肽類形態(tài)發(fā)生因子,如肌肉生長分化因子GDF8、GDF9和骨形態(tài)生成蛋白4(BMP4)。GDF8也稱肌肉生長抑制素(myostatin,MSTN),是大多數(shù)哺乳動物肌肉生長的調(diào)節(jié)因子,在顆粒細胞中以旁分泌因子的形式表達[22]。GDF8通過調(diào)節(jié)p38 MAPK磷酸化和細胞內(nèi)活性氧自由基水平來調(diào)節(jié)豬卵母細胞的體外成熟和胚胎發(fā)育[23];GDF8還可下調(diào)正五聚蛋白3(pentraxin 3,PTX3)的表達來調(diào)節(jié)卵丘細胞的擴散、排卵和體內(nèi)受精[24],PTX3缺乏會嚴重影響卵丘細胞的擴散[25]。牛卵丘細胞中GDF9的表達量隨卵母細胞成熟進程而呈動態(tài)變化,在成熟培養(yǎng)12 h表達水平達到峰值,啟動細胞的擴展;培養(yǎng)24 h成熟完成時,其又下調(diào)表達,可見其對卵母細胞的成熟具有重要的調(diào)控作用[26]。根據(jù)差異表達基因的生物信息學分析結(jié)果,BMP4參與轉(zhuǎn)錄正調(diào)控、生長因子活性、BMP信號通路等GO條目,以及細胞因子與細胞因子受體的相互作用、TGF-β信號通路、調(diào)節(jié)干細胞多能性等通路。而且,BMP4在胚胎發(fā)育[27]、細胞生長[28]、遷移和分化等方面發(fā)揮著重要作用,其不僅通過抑制卵母細胞凋亡、參與BMPs/SMADS經(jīng)典信號通路來實現(xiàn)對卵泡生長的調(diào)控,降低原始卵泡閉鎖[29];還通過PI3K/PDK-1/AKT信號通路抑制牛顆粒細胞的凋亡[28]。SMAD1、SMAD5和SMAD8是BMP受體下游激活的細胞內(nèi)信號傳導途徑的主要組成部分[30],干擾siASH1L下調(diào)了卵丘細胞中SMAD6基因的mRNA表達水平,可見ASH1L對TGF-β信號通路的重要調(diào)控作用。
差異表達基因的KEGG通路富集分析表明,ASH1L蛋白可能通過細胞黏附分子和白細胞跨內(nèi)皮遷移通路調(diào)節(jié)卵丘細胞的生長,其中CLDN6同時參與這兩個通路。CLDN6是一種緊密連接蛋白,也是早期胚胎發(fā)育過程中的標記物[31];CLDN6異常表達會破壞緊密連接的完整性,導致細胞異常增殖、遷移和侵襲[32]。CLDN6在小鼠胎兒上皮細胞中表達,并在內(nèi)胚層組織中具有重要作用,其表達水平與上皮細胞的去分化及惡性增殖相關(guān),同時也是囊胚形成所必需的[33]。CLDN6基因過表達導致小鼠細胞增殖/凋亡失衡,從而使小鼠發(fā)育遲緩[34];BMP信號通路的抑制劑NOG可拮抗其表達,表明CLDN6可能通過TGF-β/BMP通路調(diào)控囊胚的形成和早期胎兒上皮細胞增殖[35],推測CLDN6可能是ASH1L的下游靶標。類似地,對包裹水牛GV/MII期卵母細胞外周的卵丘細胞進行miRNA測序,結(jié)果篩選的差異表達miRNAs也主要通過細胞連接和細胞增殖等途徑在卵丘細胞中發(fā)揮作用,進而調(diào)控卵母細胞的成熟[36]。
本研究在牛卵丘細胞中檢測到ASH1L mRNA和蛋白的表達,敲低該基因的表達可改變卵丘細胞的表達譜,通過分析基因表達差異、可變剪切和SNP位點,證明ASH1L參與細胞分裂、細胞連接和H3K4特異性組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶活性等過程,且其對細胞黏附分子和白細胞跨內(nèi)皮遷移等通路具有調(diào)控作用,為深入研究ASH1L在卵丘細胞生長和胚胎發(fā)育中的功能提供理論基礎(chǔ)。