黄河鲤高不饱和脂肪酸和生长性状相关基因功能研究

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高不饱和脂肪酸在黄河鲤生长、发育、繁殖等过程中发挥着重要作用,尤其二十碳五烯酸(Eicosapentaenoic Acid,EPA)、二十二碳六烯酸(Docosahexaenoic Acid,DHA)、花生四烯酸(Arachidonic acid,ARA/AA)等高不饱和脂肪酸的含量是代表黄河鲤品质的重要指标。鱼类的生长性状也是水产养殖业最为关注的性状之一,培育增重快的经济类水产品种,可大大提高养殖利润,增加经济效益。目前已筛选出黄河鲤等其他鱼类高不饱和脂肪酸合成和代谢的相关基因,并在模式生物斑马鱼等其他物种中初步探究了高不饱和脂肪酸性状相关基因的结构特征、表达水平及细胞功能表征。然而黄河鲤的高不饱和脂肪酸性状相关基因在细胞水平进行功能验证的研究还比较少,具体作用机制尚不清楚。因此本研究以EPA、DHA含量差异显著的黄河鲤个体为研究对象,通过整合课题组之前全基因组关联分析和转录组测序数据,筛选出与EPA、DHA性状相关的差异表达基因,然后通过实时荧光定量实验检测EPA、DHA含量差异显著的黄河鲤个体的肝脏、脑、肌肉组织部位候选基因的相对表达量。通过预测黄河鲤elovl5-a和lpl-a基因3’UTR序列的靶标mi RNA,结合相关文献中的验证结果,选择预测分值较高、可靠性较高的mi RNA进行elovl5-a和lpl-a基因的双荧光素酶实验。同时,利用CRISPR/Cas9基因编辑技术构建elovl5-a、fabp1b.1、acat1、lpl-a和acsbg2基因缺失的黄河鲤突变体,提取实验组和对照组的脑、肝脏、肌肉组织DNA,通过PCR扩增及Sanger测序确定基因编辑成功的个体。分别取适量突变个体和野生个体的肌肉组织检测其脂肪酸含量,分析脂肪酸含量差异,并提取突变个体和野生个体的肝脏组织RNA,通过实时荧光定量实验检测突变基因的相对表达量。本研究解析了黄河鲤EPA、DHA等高不饱和脂肪酸合成的通路及基因相互作用机制,研究结果为高含量EPA、DHA黄河鲤品种的选育工作提供了理论基础。本研究还通过RNA-seq技术分析了体重差异显著的两组黄河鲤的脑、肝脏、肌肉组织的转录组数据,利用生物信息学分析方法挖掘了差异表达基因,通过实时荧光定量实验鉴定了黄河鲤生长性状相关候选基因的相对表达量,研究结果可为黄河鲤育种提供数据支撑。研究得到的主要结果如下:(1)筛选出acsbg2基因与黄河鲤EPA性状相关;15个基因与黄河鲤DHA性状相关,包括angptl4、acsbg2、fabp1b.1、acat1、elovl5-a、elovl5-b、lpl-a、lpl-b、slc27a1、fads6-a、fads6-b、elovl6、fabp3、rxrgb、elovl2,其中elovl5-a、elovl5-b和lpl-a、lpl-b指位于不同染色体的elovl5、lpl基因。elovl2、elovl5-a、elovl5-b、elovl6属于脂肪酸延长酶基因家族,lpl-a、lpl-b属于脂肪酶基因家族,fads6-a、fads6-b属于去饱和酶基因家族,fabp1b.1、fabp3属于脂肪酸结合蛋白基因家族,angptl4属于血管生成素样基因家族,以及acsbg2、acat1、slc27a1、rxrgb基因均在DHA脂肪酸合成过程中发挥了作用。(2)候选基因的荧光定量结果显示,黄河鲤肝脏组织中,EPA性状所对应的acsbg2的表达量在脂肪酸含量较高的组中显著高于脂肪酸含量较低的组(P<0.05);elovl6、fabp3的表达量在DHA含量较高的组中极其显著高于DHA含量较低的组(P<0.01);rxrgb的表达量在DHA含量较高的组中极其显著高于DHA含量较低的组(P<0.001)。然而acat1、fabp1b.1的表达量在DHA含量较高的组中极显著低于DHA含量较低的组(P<0.01);elovl5-a、fads6、slc27a1、acsbg2-DHA、lpla基因的表达量在DHA含量差异显著的两组黄河鲤的肝脏组织之间无统计学差异(P>0.05)。DHA含量差异显著的两组黄河鲤的肌肉组织中,angptl4的表达量在DHA含量较高的组中极显著高于DHA含量较低的组(P<0.01);然而slc27a1的表达量在DHA含量较高的组中极显著低于DHA含量较低的组(P<0.01);acsbg2基因的表达量在两组之间无统计学差异(P>0.05)。DHA含量差异显著的两组黄河鲤的脑组织中,与DHA含量较高的黄河鲤脑组织相比,elovl5-b基因在DHA含量较低的黄河鲤脑组织中的表达量显著升高(P<0.05),fads6、elovl2和lpl-b基因的表达量在两组之间无统计学差异(P>0.05)。综上,acsbg2、fabp3、rxrgb、angptl4、elovl5-b等基因在黄河鲤EPA、DHA高不饱和脂肪酸的合成和代谢过程中发挥重要作用。(3)293T细胞的双荧光素酶基因报告实验结果表明,mi R-26a-5p可定向对elovl5-a基因进行负调控,mi R-27b-3p可定向对lpl-a基因进行负调控。说明黄河鲤elovl5-a、lpl-a基因参与调节高不饱和脂肪酸含量的途径还受到mi RNA的影响。(4)利用CRISPR/Cas9基因编辑技术最终成功构建elovl5-a、fabp1b.1、acat1基因缺失的6尾黄河鲤突变体。脂肪酸检测结果显示,与野生型群体相比,突变群体中的C18:3n3(α-亚麻酸)、C20:4n6(花生四烯酸,ARA/AA),C20:5n3(二十碳五烯酸,EPA)、MUFA(包含C16:1、C18:1n9c、C20:1、C22:1n9、C24:1)的含量均无统计学差异,C22:6n3(二十二碳六烯酸,DHA)含量上升。实时荧光定量结果显示,黄河鲤突变群体的肝脏组织中elovl5-a、fabp1b.1基因的表达量高于野生群体;然而acat1基因在突变个体中的表达量低于野生群体。elovl5-a、fabp1b.1基因m RNA表达量与前人研究结果不一致的原因可能是,其荧光定量引物同时检测到该基因其他拷贝的表达量。根据研究结果推测,基因突变群体黄河鲤DHA含量增加的原因可能是,除了elovl5-a和fabp1b.1基因参与黄河鲤合成DHA的通路外,还存在别的延长酶和去饱和酶。突变组黄河鲤群体DHA高不饱和脂肪酸的累积,导致acat1基因的下调表达;说明elovl5-a、fabp1b.1、acat1基因可能在调控黄河鲤EPA、DHA高不饱和脂肪酸含量时发挥了重要作用。(5)通过对黄河鲤生长性状的转录组数据进行GO和KEGG等生物信息学分析和实时荧光定量验证,筛选出13个候选基因及其所对应的MAPK、Wnt、Erb B等信号通路与黄河鲤生长性状密切相关,分别是mapk1、fgf13、mapk7、wnt8b、ednra、tgfbr2、mapk10、wnt10b、wnt16、mapk12、notch2、fgf19、lpl。
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