猪MYL2基因多态性及其在肌肉组织中的

叶幼荣,张 健,赵舜旺,等.猪MYL2基因多态性及其在肌肉组织中的差异表达[J].江苏农业科学,2022,50(24):131-135.
doi:10.15889/j.issn.1002-1302.2022.24.019
猪MYL2基因多态性及其在肌肉组织中的差异表达
叶幼荣1,2,3,张 健1,2,3,赵舜旺1,2,徐士军1,2,刘振东1,2,强巴央宗1,2,3,商 鹏1
,2,3
(1.西藏农牧学院,西藏林芝860000;2.西藏特农牧资源研发省部共建协同创新中心,西藏林芝860000;
3.西藏自治区林芝藏猪农业科技园区,西藏林芝860000)
  摘要:肌球蛋白轻链-2(myosinlightchain2,MYL2)是哺乳动物横纹肌中的一种主要肌小节蛋白,对动物正常生长发育起重要调控作用,为探究猪MYL2基因的多态性及其在横纹肌中mRNA表达规律,以藏猪(TP)和大约克猪(YY)作为试验动物,采用Sang
er测序法对MYL2基因5′非翻译区(5′UTR)进行单核苷酸多态性(SNP)的筛选与基因分型,并预测分析MYL2基因SNPs位点突变前后转录因子功能特性;同时,采用RT-qPCR技术检测MYL2基因在30、90、180日龄时TP和YY的心肌和背最长肌组织中的mRNA相对表达量。结果显示,MYL2基因启动子区域存在2个SNPs且2个品种间基因频率差异极显著(P<0.01),产生4个新增转录因子结合位点,这些位点调控横纹肌的收缩、肌纤维类型的维持、肌肉细胞的增殖分化等过程;MYL2基因的mRNA水平随日龄增长而升高,且3个日龄TP心肌和背最长肌组织中的表达量均极显著高于YY(P<0.01)。综上表明,猪MYL2基因SNPs位点与心肌和背最长肌mRNA的差异表达相关,研究结果可为研究藏猪生长发育的分子调控机制提供一定的理论依据。  关键词:MYL2基因;SNP;藏猪;转录因子;相对表达量
  中图分类号:S828.2  文献标志码:A  文章编号:1002-1302(2022)24-0131-06
收稿日期:2022-02-09
基金项目:西藏自治区重大科技专项项目(编号:XZ202101ZD0005N);林芝市巴宜区重点研发计划(编号:2021-GX-SY-01);四川省区域创新合作项目(编号:
2020YFQ0029)。作者简介:叶幼荣(1989—),女,河南信阳人,硕士,讲师,主
要从事动物遗传育种与繁殖学研究。E-mail:yeyourong@xza.edu.cn。通信作者:商 鹏,博士,副教授,主要从事动物功能基因组研究。E-mail:nemoshpmh@126.com。
  肌球蛋白轻链-2(MYL2)是哺乳动物横纹肌中的一种肌小节蛋白,约19ku,属钙结合蛋白超家族、肌球蛋白轻链家族成员,主要调节肌钙蛋白和
肌球蛋白亚基[1-2]
。早期针对MYL2的研究主要集
中在心肌上,MYL2基因突变后可导致心肌增生且
引起肥厚性和扩张型心肌病[3-4]
,且MYL2基因在
严重心脏病患者心肌中的表达量最低,其次为慢性心脏病患者,在正常人心脏中的表达量最高,且呈
显著差异[5]。据了解,MYL2是调控Ⅱ型肌球蛋白
稳定性和细胞完整性所必需的,在成肌细胞增殖中
也可能发挥一定作用[
6-7]
,基于腺嘌呤核苷三磷酸(ATP)酶活性维持的肌纤维类型也会在MYL2调控
下发生转化[8-9]
,提示MYL2基因参与调控哺乳动
物肌肉的正常生理活动和生长发育。
MYL2基因在小鼠、羊、牛等动物肌肉生长功能
上有较多研究,但在青藏高原地区藏猪(TP)和大约克猪(YY)心肌、背最长肌上的研究鲜有报道。TP作为我国特有的地方猪种长期生活在高海拔地区,具有生长缓慢、瘦肉率低、适应高寒低氧环境的生
物学特性[10]
。引进瘦肉型猪种YY则以屠宰率高、
生长快等特性而著名。本研究以生活在海拔3000m高原地区的TP和YY为试验动物,采用Sanger测序技术对MYL2基因5′非翻译区(5′UTR)进行单核苷酸多态性(SNP)分析,并采用实时荧光定量PCR(RT-qPCR)技术对2种猪心肌和背最长肌组织中MYL2基因mRNA的相对表达量进行检测,以期为后续研究藏猪生长发育分子调控机制提供一定理论依据。1 材料与方法1.1 试验材料
本试验于2020年9—12月,在西藏农牧学院动
物遗传育种与繁殖实验室完成,选择海拔3000m的西藏林芝地区的藏猪(TP)和大约克猪(YY)为试验动物,分别来源于西藏自治区林芝藏猪农业科技园区和林芝宇高生态开发有限公司。选择30、90、180日龄健康状况良好、同一日龄体型大小相近的TP和YY各8头,宰后采集心肌、背最长肌置于含
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有RNA保存液的样品管中,投入液氮保存备用。另采集55头TP和56头YY的耳组织用于DNA提取,保存于75%乙醇中备用。
1.2 DNA、RNA提取及cDNA制备
采用苯酚抽提法分别提取111份耳组织总DNA,用TE溶液溶解后,采用1%琼脂糖凝胶电泳验证其质量,使用超微量分光光度计(NanoDrop2000)检测其浓度,提取合格的DNA于-20℃保存备用。采用Trizol法分别提取3个日龄藏猪和大约克猪心肌和背最长肌组织的总RNA,溶解于RNase-FreeddH
O中,使用超微量分光光度计(NanoDrop2000)检测其浓度,用1%琼脂糖凝胶电泳验证其质量,提取合格的RNA于-80℃保存备用。
采用FastkingcDNA第1链合成试剂盒说明书对RNA进行反转录,采用NanoDrop2000分光光度计检测cDNA浓度,所得合格的cDNA于-20℃冰箱保存备用。
1.3 引物设计与合成
1.3.1 SNPs筛选与基因分型引物设计 从GenBank下载猪的MYL2基因(NC_010456)5′UTR的DNA序列,运用PrimerPremier5.0软件设计该段序列的引物,序列信息见表1,送至生工生物工程(上海)股份有限公司进行合成,溶于TE溶液后,置
于4℃保存。
表1 MYL2基因5′UTRPCR引物序列
名称扩增区域引物序列(5′→3′)退火温度
(℃)
产物大小
(bp)
MYL2-5′UTR-1194~-845F:AAGTGGGAAATGATGGGGA;R:TGTTATTTGTGGCTTATGGGG601039MYL2-5′UTR-2-434~-1546F:CATCTACCCCTTGTCACGA;R:TCCCCTCTCTCACCTCCTT601112MYL2-5′UTR-3-1399~-2243F:TCACATAGAGCCCACTTCAAA;R:GAGCATTTTTCCGCCAGTT62844MYL2-5′UTR-4-1905~-2822F:TGTAGGTCGCAGACAAGGC;R:CACCAGGGACATTCTGATTTG61917  注:扩增区域以起始密码子为起点,起始密码子上游为负,下游为正。
1.3.2 荧光定量引物设计 从GeneBank下载MYL2基因(NM_213791.2)的mRNA序列,以β-actin(AY550069)为内参基因,运用PrimerPremier5.0软件设计荧光定量引物,序列信息见表2,送至生工生物工程(上海)股份有限公司进行合成,溶于TE溶液后,置于4℃保存。
表2 MYL2基因荧光定量引物序列
基因登录号引物序列退火温度
(℃)
产物大小
(bp)
β-actinAY550069F:5′-TCTGGCACCACACCTTCTA-3′;R:5′-AAGGTCTCGAACATGATCTG-3′58127MYL2NM_001278773.1F:5′-GCGGAGAGGTTTTCCAAGG-3′;R:5′-CCACTCACCCAAAGGCAAG-3′58169
1.4 基因分型与转录因子预测
以TP和YY2个品种猪单个个体总DNA为模板进行PCR特异性扩增,选取TP和YY各10个PCR产物,送至生物公司进行混池测序,运用ChromasPro软件对测序结果进行SNPs位点筛选,根据筛选结果将个体数量扩大至TP55个、YY56个,送至生物公司进行单个个体测序,根据分析结果统计各SNPs的基因型频率和基因频率。同时,通过在线网站(http://jaspar.genereg.net/)预测各SNPs结合的转录因子变化。
1.5 MYL2基因mRNA的相对表达量检测
分别以3个日龄、2个品种猪心肌和背最长肌组织的cDNA为模板(n=3),以β-actin为内参基因,采用SYBRGreenMix定量PCR试剂盒(北京天根生化科技有限公司)对目的基因MYL2在心肌、背最长肌中mRNA的表达水平进行实时荧光定量检测,采用2-ΔΔCT法计算MYL2基因mRNA相对表达量。1.6 数据统计分析
用SPSS26.0软件对MYL2基因的mRNA相对表达量进行单因素方差分析,并进行最小显著差异法(LSD)多重比较,分析结果以“平均数±标准差”表示;对MYL2基因SNPs位点的基因频率、基因型频率进行卡方检验;其中,P<0.05表示差异显著,P<0 01表示差异极显著,P>0.05表示无显著差异。
2 结果与分析
2.1 SNPs位点筛选
利用ChromasPro软件将测序结果与GenBank中下载的猪MYL2基因的DNA原始序列进行比对,在MYL2基因5′UTR起始密码子上游3000bp启
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动子区域共发现2个SNPs位点。由图1可知,-1025bp处发现T/C突变,记为T-1025C;-1935bp处发现G/A突变,记为G-1935A。2.2 基因频率和基因型频率
由表3可知,在MYL2基因5′UTR启动子区域
发现2个SNPs位点,分别为T-1025C和G-1935A,在TP与YY2个品种间的等位基因频率和基因型频率均存在极显著差异(
P<0.01);2个品种内基因的突变均符合Hardy-Weinberg平衡(P>0.05)
表3 MYL2基因5′UTR启动子区域SNP位点基因型频率及卡方检验结果
SNP
位点品种样本量(头)基因频率基因型频率(样本数/频率)TCTTTCCCχ
值P值T-1025C
TP500.0070.9300/0.0007/0.14043/0.8600.0001.000YY52
0.702
0.298
23/0.442
27/0.519
2/0.038
1.905
0.381
TPvsYY
χ
2=72.109;P=2.197×10-16
SNP位点品种样本量
(头)基因频率基因型频率(样本数/频率)GAGGGAAAχ2
值P值G-1935A
TP550.1270.8731/0.01812/0.21842/0.7640.2641.000YY56
0.696
0.304
25/0.131
28/0.202
3/0.227
0.901
0.671
TPvsYY
χ
2=62.350;P=2.890×10-14
2.3 转录因子预测分析
通过在线网站对5′UTR的2个SNPs位点进行转录因子预测发现,T-1025C、G-1935A突变后产生RORA、NR3C1、TFAP2A、FOXA1等4个新的转录因子结合位点;其中,T-1025C的突变导致STAT3、ZEB1结合位点消失;G-1935A的突变导致TFAP2A、TFCP2L1结合位点消失。2.4 MYL2基因mRNA的相对表达量分析
由图2可知,MYL2基因在30~180日龄TP和YY心肌、背最长肌组织中的mRNA相对表达量,随着日龄增加而增加;其中,在心肌组织中TP不同日龄间存在极显著差异(P<0.01)、YY差异不显著(
P>0.05),在背最长肌组织中TP和YY不同日龄间均存在显著差异(P<0.05)。3个日龄的心肌和背最长肌组织中,TP的MYL2基因的表达量均极显著高于YY(P<0.01)。
3 讨论与结论
单核苷酸多态性是在基因组水平上由单个核苷酸的变异所引起的DNA序列多态性,具有高密度
性、高通量分析且遗传稳定性好的优点[11]
。通过挖
掘不同品种间调控重要经济性状的关键基因的SNPs作为遗传分子标记是可靠且有效的。藏猪为高原本土猪种,生长缓慢、抗逆性强,而大约克猪生长快、瘦肉率高,两者属于不同的经济类型,生物学
特性也不尽相同。MYL2磷酸化和Ca2+结合到肌球
蛋白调节轻链在横纹肌的功能及肌肉生长发育中
发挥着重要的调节作用[12]。本研究在MYL2基因
5′UTR启动子区域发现了2个SNPs位点,分别为T-1025C和G-1934A,且2个SNPs在2个品种猪上的基因型频率和等位基因频率呈现极显著差异(P<0.01)。推测藏猪和大约克猪受MYL2基因调
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控的相关性状表现出的不同,有可能与相应位点发生突变有关。
MYL2可特异性地与肌球蛋白重链结合,是肌节丝最重要的组成部分之一[13]。MYL2在心力衰竭的心脏组织中下调,在严重心力衰竭的组织中下调更低[14]。在MYL2缺失的小鼠中,心房超微结构表现出心房收缩缺陷,在斑马鱼胚胎心脏中,MYL2是一种关键的收缩蛋白[15]。将MYL2敲入小鼠模型的研究表明,MYL2在跨桥循环动力学和心肌收缩中具有突出作用[16]。以上研究结果揭示,MYL2对动物的心肌收缩力有正调控作用,对维持心脏的功能有重要作用。本研究发现,藏猪不同生长阶段心肌中MYL2的mRNA相对表达量均极显著高于大约克猪,推测是由于藏猪在进化过程中,为适应低氧环境心脏功能也较强,其心肌收缩能力亦强于引进的大约克猪。MYL2构成肌球蛋白复合组分,为肌肉收缩提供能量[17-18]。本研究测定了3个不同日龄藏猪和大约克猪心肌、背最长肌组织中MYL2基因mRNA的表达水平,结果显示,随着日龄的增加其表达量呈现逐步增加的趋势,这可能是由于随着年龄和体质量的增长,活动量、活动幅度也随之增加,心肺功能也日趋完善,此过程需要更多该类基因进行磷酸化为肌肉细胞提供更多能量导致的。藏猪属半野生型地方猪种,以放牧为主,活动量大,而大约克猪属培育品种,以圈养为主,活动量较藏猪小。因此,整体趋势上心肌和背最长肌组织中藏猪MYL2基因的水平均高于大约克猪。通过SNPs突变位点的转录因子预测发现,T-1025C位点突变结合的新转录因子视黄
酸受体相关孤儿受体α(RORA)是一个重要的昼夜节律性调节基因,也是维持心脏功能的关键基因,在小鼠心脏细胞中防御心肌细胞损伤[19]。最新研究发现,体外心肌细胞缺氧损伤中存在一种新的FGD5-AS1/miR-195/RORA轴,该轴可通过降低氧化损伤而成为抗急性心肌梗死的潜在诊疗靶点[20]。关联该转录因子预测结果和RT-qPCR结果可推测,MYL2基因对心肌细胞的活力和肌肉收缩起重要正调控作用,随着年龄增长,其表达量也随之增加,这与机体正常生长发育需求和藏猪品种的生物学特性相符。
研究表明,MYL2基因在体外培养的小鼠成肌细胞分化中不表达,但在成熟的肌肉组织中表达,当从肌肉细胞中敲除该基因时,其胚胎或初级生长严重异常[21]。在成纤维细胞中,MYL2具有调节肌纤维活动、转化肌纤维类型、影响肌肉生长的作用[22]。成肌细胞增殖率会由于MYL被敲除或阻断后而提高,且形成肌管的时间会延迟,表明MYL可促使成肌细胞的终末分化从而对成肌细胞的增殖产生负面影响[23]。本研究发现,藏猪背最长肌组织中MYL2基因mRNA的相对表达量均极显著高于大约克猪,这与脂肪型藏猪和肌肉型大约克猪的生物学特性相一致,也进一步证实了MYL2对生长猪肌肉细胞的增殖、分化有负面影响。G-1935A位点突变结合的新转录因子糖皮质激素受体(NR3C1)的多态性与肥胖、肌肉力量和皮质醇敏感性有关[24]。Shimizu等的研究表明,骨骼肌特异性糖皮质激素受体(GR)敲除(GRmKO)小鼠的肌肉量增加了,但脂肪组织减少了,同时,伴随着肌肉、肝脏和脂肪组织中基因表达的剧烈变化[25]。关
联该转录因子预测结果和RT-qPCR结果可推测NR3C1调控MYL2基因抑制了猪背最长肌细胞的增殖分化。
本研究发现,MYL2基因在藏猪中出现了T-1025C和G-1935A等2个SNPs位点的突变,前者结合的新转录因子RORA在增加心肌细胞活力、维持心脏功能、促进肌肉收缩上起重要作用,后者结
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合的新转录因子NR3C1对肌纤维类型的维持,抑制肌肉细胞的分化增殖和促进脂肪组织的形成有关键作用。结合本研究中RT-qPCR的结果可推测,藏猪心肌和背最长肌中转录因子RORA和NR3C1协同调节MYL2基因的高表达,维持藏猪较强的心肌收缩能力,同时抑制了背最长肌肌肉细胞的分化增殖,保持了肌肉纤维的完整性。
综上所述,猪的MYL2基因2个SNPs位点的多态性引起的转录因子变化可能是调控其在心肌和背最长肌中表达的关键作用位点,推测MYL2基因是维持藏猪较强的心脏功能和肌肉收缩能力、抑制其肌肉细胞增殖分化的关键候选基因。本研究结果可为后续研究MYL2基因在猪生长发育及生物学特性的分子调控机制与分子标记辅助育种中提供一定理论依据。
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