全 文 :书第 39 卷 第 11 期 东 北 林 业 大 学 学 报 Vol. 39 No. 11
2011年 11 月 JOURNAL OF NORTHEAST FORESTRY UNIVERSITY Nov. 2011
1)国家自然科学基金(30972083)、吉林省科技发展计划项目
(20090574)资助。
第一作者简介:胡薇,女,1966 年 1 月生,吉林农业大学生命科学
学院,副教授。
收稿日期:2011 年 2 月 24 日。
责任编辑:张建华。
梅花鹿 IGF1 全长 cDNA克隆及在鹿茸组织的表达1)
胡 薇 孟星宇 田玉华 刘 宁
(吉林农业大学,长春,130118)
摘 要 为了检测梅花鹿鹿茸组织 IGF1 基因的 mRNA 表达水平,利用 TRIzol 试剂法分别提取鹿茸真皮、间
充质、前软骨和软骨组织总 RNA,逆转录合成 cDNA。根据 GenBank已发表的相关序列设计梅花鹿 IGF1 基因特异
引物并克隆 IGF1 基因,将 IGF1 基因 DNA 序列递交 GenBank,并利用相对荧光定量 Real - time PCR 法检测 IGF1
在鹿茸顶端不同部位组织的转录表达丰度。研究结果表明:成功获得了梅花鹿鹿茸组织 IGF1 基因全长编码区
cDNA(GenBank登录号为 HQ890468) ,该基因长 465 bp,编码 154aa 长度的多肽;与马鹿、牛、羊、马、猪、人和小鼠
IGF1基因进行同源性分析显示,IGF1基因与马鹿、牛和羊同源性最高,核苷酸序列分别为 99. 78%、98. 28%和 97. 85%;
氨基酸序列分别为 99. 35%、98. 05%和 97. 40%。相对荧光定量 PCR差异分析发现,IGF1 基因在鹿茸顶端不同部
位组织均有表达。其中,在前软骨和软骨组织的表达水平明显高于真皮和间充质组织。
关键词 梅花鹿;鹿茸;胰岛素样生长因子 1;cDNA克隆;荧光定量;表达
分类号 Q786
Cloning of a Full-Length cDNA Encoding Insulin-Like Growth Factor I and Its Expression in Antler Tissue /Hu
Wei,Meng Xingyu,Tian Yuhua,Liu Ning(College of Life Sciences,Jilin Agricultural University,Changchun 130118,
P. R. China)/ / Journal of Northeast Forestry University. - 2011,39(11). - 71 ~ 75
The study was to detect expression of Insulin-Like Growth Factor I (IGF1)from antler tip tissue to provide a theoreti-
cal basis for the molecular mechanism of antler growth. Total RNA was isolated from dermis,mesenchyme,pre-cartilage
and cartilage layers in growing antler tip tissue respectively. A pair of primers was designed according to the homology re-
gion of IGF1 among other species. The cDNA sequence of IGF1 gene was cloned by RT-PCR technology. Then,real-time
PCR was used to detect the expression level of IGF1 in the antler tip. Results showed that the complete coding sequence of
IGF1 gene was obtained (GenBank accession No:HQ890468). It has 465 base pairs in length,encoding a predicted pro-
tein of 154 amino acids. Bioinformatic analysis based on IGF1 genes of red deer,cattle,sheep,horse,pig,human and
mouse showed that the homologies of IGF1 to red deer,cattle and sheep were 99. 78%,98. 28% and 97. 85%,and the
homologies of protein were 99. 35%,98. 05% and 97. 40% respectively. Results of fluorescence quantification showed
that IGF1 was expressed in all the tested organs in antler tip tissue,but its transcript level in cartilage and pre-cartilage
layers was much higher than that in mesenchyme and dermis layers.
Keywords Sika deer;Antler;Insulin-like growth factor 1;cDNA cloning;Fluorescence quantification;Expression
鹿茸是鹿的第二性征,是在一定生理条件下额骨部长出
的骨质性组织,其生长发育受特定的分子机理调控。即鹿茸
的独特之处就在于它的每年更新,这在哺乳动物中绝无仅有,
因而其成为研究器官再生的理想模型[1 - 2]。鹿茸生长速度为
每天 1 ~ 2 cm,是任何哺乳动物组织和器官无法比拟的,其相
应表皮层也生长很快,以便覆盖新增长的骨质[3]。因此,人
们推测其中可能存在特殊的促进骨和上皮组织快速生长的活
性物质,控制并刺激鹿茸的生长。早在 1991 年,新西兰学者
Suttie等[4]就发现,一种对多种细胞和组织增殖具有刺激作
用的多肽类物质———胰岛素生长因子(insulin - like growth
factor,IGF) ,可能是促进鹿茸生长的刺激因子。其中,IGF1 和
IGF2 是有效的促进骨细胞分裂剂,但 IGF2 对成骨细胞的作
用较 IGF1 弱[4]。Rosen[5 - 6]等学者也证明 IGF1 在体内有促
进骨形成的作用。因此,IGF1 既可促进成骨细胞的骨形成作
用,又可促进破骨细胞的骨吸收作用,在骨重建过程中起着重
要作用。目前,已从许多动物体组织中分离得到 IGF1,并且
各类动物的 IGF1 基因序列和氨基酸序列在 NCBI 数据库中
均可以检索到。但是,未见有关东北梅花鹿 IGF1 基因全长
cDNA方面的报道,而 IGF1mRNA 的表达调控研究更少。但
由于 mRNA水平的定量检测是反映 IGF1 合成、分泌最直接、
最灵敏的途径,对进一步研究 IGF1 的功能具有重要的促进作
用。因此,本研究旨在通过梅花鹿 IGF1 基因编码区全长 cD-
NA的克隆与序列分析,以及利用相对荧光定量 Real Time
PCR技术检测鹿茸顶端组织 IGF1 基因的 mRNA 表达水平,
为深入研究 IGF1 的功能及对鹿茸生长的调节作用提供可参
考的理论依据。
1 材料与方法
1. 1 试验材料
新鲜东北梅花鹿鹿茸于 2010 年 6 月采自吉林农业大学
试验鹿场 1 头 3 岁左右的健康雄鹿,保存于液氮中带回实验
室备用。TRIzoL试剂购自 Invitrogen 公司,pMD - 18T vector、
Ex Taq DNA聚合酶、AMV逆转录酶、限制性内切酶 XbaⅠ和
EcoRⅠ、DL - 2000 Marker购自 TaKaRa 公司,Real Master Mix
购自长春宝泰克公司。
1. 2 样品制备
根据组织结构和生长特点,将鹿茸顶端组织大致分为真
皮层、间充质层、前软骨层和软骨层[7]。使用消毒处理过的
手术刀在离鹿茸顶端 4 cm处沿垂直鹿茸生长轴方向切断,切
取真皮层、间充质层、前软骨层和软骨层组织各 100 mg,于液
氮中保存。
1. 3 鹿茸顶端组织总 RNA提取与双链 cDNA的获得
按照 Trizol操作手册分别提取真皮层、间充质层、前软骨
层和软骨层样品总 RNA,1. 0%琼脂糖凝胶电泳和紫外分光
法检测总 RNA质量。以提取的总 RNA为模板,以 Oligo - dT
为引物,以逆转录酶 AMV反转录合成双链 cDNA。
1. 4 IGF1 基因全长 cDNA克隆与序列分析
参照 GenBank 中相关序列,设计 IGF1 基因特异性引物
(上游引物:ATGGGAAAAATCAGCAGTCTT和下游引物:CTA-
CATTCTGTAGTTCTTGTTTCCT) ,以软骨组织 cDNA 为模板进
行 PCR扩增,利用 DNA凝胶回收试剂盒回收 PCR产物,将回
收产物连接到 pMD18 - T载体上,转化大肠杆菌 DH5α中,涂
板并于 37 ℃培养。挑取转化菌落,接种于 LB液体培养基,37
℃振荡培养过夜,采用碱裂解法小量提取质粒并将鉴定正确
的重组质粒送 TaKaRa 公司测序。获得的梅花鹿 IGF1 基因
序列递交 GenBank(登录号:HQ890468)。并将测序结果分别
与 GenBank 中马鹿(EF _157842)、牛(NM _001077828)、羊
(NM_001009774)、马(EU018459)、猪(DQ784687)、人(NM_
000618)和小鼠(NM_001111275)的序列进行同源性分析。
1. 5 相对荧光定量 PCR 法检测 IGF1 基因在鹿茸顶端组织
的表达丰度
合成用于 IGF1 基因的特异引物(上游引物 5 - TGT-
GATTTCTTGAAGCAGGTGA - 3 和下游引物 5 - CGTG-
GCAGAGCTGGTGAAG -3) ,扩增片段长度为 96 bp。以鹿的
持家基因 actin(GenBank 登录号:AY345228)作为内参基因,
合成 actin引物(上游引物 5 - TGACCCTTAAGTACCCCATCGA -
3和下游引物 5 - TTGTAGAAGGTGTGGTGCCAGAT - 3) ,扩
增片段长度为 85 bp。IGF1 探针序列为(5 - TGCCCGTCA-
CATCCTCCTCGC– 3)。
以鹿茸组织 cDNA为模版,PCR 分别扩增 IGF1 和 actin。
PCR体系:cDNA模板 6. 0 μL,上下游引物各 0. 5 μL,PCR Mix
15 μL,ddH2O 3. 0 μL,总体积为 25 μL。反应条件:94 ℃预变
性 5 min,94 ℃ 30 s,60 ℃ 30 s,72 ℃ 30 s,进行 30 个循环。采
用 Real Master Mix 试剂和 7500 Real Time PCR System 分析
IGF1 基因在真皮、间充质、前软骨和软骨组织中的表达丰度。
Real - time PCR体系:1 ng总 RNA反转录的 cDNA,上下游引
物各 5 pmol,10 μL real Master Mix,总体积为 25 μL。反应条
件:94 ℃激活 DNA聚合酶 2 min;94 ℃变性 20 s;60 ℃复性 30
s;68 ℃延伸 45 s;进行 40 个循环。随后做 PCR产物的扩增曲
线分析,使用 StepOne Software v2. 1 软件分析 IGF1 相对内参
actin基因的差异表达 Ct 值(Ct 为荧光达到荧光阈值的循环
数)。
2 结果与分析
2. 1 鹿茸顶端组织总 RNA的提取
各样品总 RNA经 1%琼脂糖凝胶电泳检测后,28 S、18 S
和 5 S 3 条带清晰可见(图 1) ,表明所提取的鹿茸真皮、间充
质、前软骨和软骨组织总 RNA 质量符合定量 PCR 分析用标
准,未发生 RNA明显降解。
2. 2 IGF1 基因的全长 cDNA克隆
IGF1 基因 PCR扩增产物经 1%琼脂糖凝胶电泳得到约
465 bp的 1 条特异性条带(图 2) ,与预期结果相符。提取重
组质粒,用 XbaI和 EcoRI 双酶切质粒 pMD - 18T - IGF1(图
3) ,从图 3 中可看出,可获得与目的带大小相符的电泳条带
465 bp,表明克隆基本成功。
图 1 鹿茸顶端组织总 RNA提取结果
1 ~ 4.软骨、前软骨、间充质和真皮组织总 RNA。
图 2 IGF1 基因的 PCR扩增结果
M. DL - 2000 Marker;1、2. IGF1 基因 PCR扩增产物。
图 3 重组质粒 pMD -18T - IGF1 双酶切鉴定结果
M. DL - 2000 Marker;1、2. 重组质粒 pMD - 18T - IGF1 双酶切产物
(EcoRI /XbaI) ;3.重组质粒 pMD18T - IGF1。
27 东 北 林 业 大 学 学 报 第 39 卷
2. 3 IGF1 基因的全长 cDNA序列分析
梅花鹿 IGF1 基因与 GenBank中马鹿、牛、羊、马、猪、人和
小鼠的核苷酸和氨基酸序列 Blast 分析结果显示:梅花鹿
IGF1 基因编码区全长 cDNA为 465 bp,其中与马鹿、牛和羊的
序列同源性最高,核苷酸序列同源性分别为 99. 78%、98. 28%和
97. 85%(图 4) ;氨基酸序列同源性分别为 99. 35%、98. 05%
和 97. 40%(图 5) ,肽链长度均为 154 个氨基酸;而马、猪、人
和小鼠 4 个物种 IGF1 的核苷酸序列为 462 bp,肽链长度皆为
153 个氨基酸。
图 4 梅花鹿、马鹿、牛、羊、马、猪、人及小鼠 IGF1 基因核苷酸序列分析结果
.代表与梅花鹿碱基相同,* 代表碱基缺失。
37第 11 期 胡 薇等:梅花鹿 IGF1 全长 cDNA克隆及在鹿茸组织的表达
图 5 梅花鹿、马鹿、牛、羊、马、猪、人及小鼠 IGF1氨基酸序列分析结果
.代表与梅花鹿氨基酸相同;* 代表氨基酸缺失。
2. 4 IGF1 基因在鹿茸顶端组织中的表达丰度
以鹿茸顶端组织 cDNA 为模版,PCR 分别扩增 actin 和
IGF1。actin扩增长度为 85 bp,IGF1 扩增片段长度为 96 bp,
见图 6。利用 Real time PCR的方法,使用梅花鹿 actin作为内
源参照基因,每个样本做 3 个重复,检测 IGF1 基因在鹿茸组
织不同部位的表达丰度。图 7 为 IGF1 基因相对荧光定量
PCR扩增曲线,从图中可看出,荧光定量动力学曲线指数区明
显,斜率较大且固定,应为较理想的扩增曲线,说明荧光定量
PCR方法检测的结果具有较好的灵敏性和准确性。通过数据
统计分析发现,在鹿茸顶端组织不同部位 IGF1 基因 mRNA
表达水平存在明显的表达差异,间充质、真皮、前软骨和软骨
组织中 IGF1 基因的表达量呈递增趋势,见表 1。
图 6 IGF1 和 actin的 PCR扩增结果
1 ~ 4. actin的扩增产物;M. DL - 2000 Marker;5 ~ 8. IGF1 的扩增产物。
3 讨论
近年来,许多学者利用分子生物学、细胞生物学、组织胚
胎学等技术从基因、蛋白质、细胞等角度研究了鹿茸再生问
题,特别是鹿茸软骨骨化过程的组织学特性已经得到深入研
究[8]。但关于鹿茸发育的分子机理,至今仍不十分清楚。而
胰岛素样生长因子等细胞因子对鹿茸生长的作用还缺乏详细
的基础试验数据。已知 IGFs包括 IGF1 和 IGF2,是由 70 个氨
基酸组成的具有内分泌、自分泌及旁分泌特性的单链多肽,对
机体生长发育起着重要调节作用[9 - 10]。IGFs 能促进成骨细
胞分化、增殖,对鹿茸的生长起重要作用,目前已经得到学者
的普遍认可[11 - 12],但由于其调控机理非常复杂,并且对 IGF1
基因 mRNA的表达调控研究相对较少,这在一定程度上也反
映出国内外对于该领域的研究较为缓慢。
图 7 IGF1 基因的 PCR扩增曲线
横坐标为 PCR扩增循环数;纵坐标为 PCR产物的量。
近来许多动物和人的 IGF1 已经研究得较透彻,但 Gen-
Bank中关于鹿类生长因子基因序列的检索较少,梅花鹿 IGF1
基因编码区全长 cDNA 尚未得到克隆。本文根据马鹿、牛和
羊的 IGF1 基因序列设计引物,通过 RT - PCR 技术克隆了
IGF1 基因 cDNA全部编码序列,并获得 GenBank 登录号。其
开放阅读框为 465 bp,该序列与其它 7 个物种的 IGF1 核苷酸
序列高度同源,其中与马鹿的 IGF1 核酸序列同源性最高;氨
基酸序列同源性分析显示:梅花鹿 IGF1 基因共编码 154 个氨
基酸,与马鹿、牛和羊 IGF1 肽链的结构完全一致,其它 4 个物
47 东 北 林 业 大 学 学 报 第 39 卷
种马、猪、人和小鼠 IGF1 肽链为 153 个氨基酸,这说明 IGF1
进化非常保守。在梅花鹿 IGF1 氨基酸序列中具有与其它 7
个物种相同的 6 个保守的半胱氨酸残基,可形成 3 个二硫键,
这对于维持 IGF1 的空间结构起到关键作用。
表 1 鹿茸顶端不同组织 IGF1基因表达水平的检测结果(n =3,珋x ± s)
顶端
组织
actin扩增循
环数(Ct1)
IGF1 扩增循
环数(Ct2)
相对定量结果
(2 - ΔΔCt2)
以间充质表达
量为 1 标准化
间充质 11. 470 ± 0. 156 1 25. 268 ± 0. 317 0 0. 000 1 1. 000
真 皮 17. 239 ± 0. 115 0 28. 724 ± 0. 367 5 0. 000 3 4. 969
前软骨 17. 861 ± 0. 144 7 28. 300 ± 0. 262 0 0. 000 7 10. 260
软 骨 17. 953 ± 0. 424 0 27. 912 ± 0. 164 8 0. 001 0 14. 310
注:Ct代表荧光达到荧光阈值的循环数;2 - ΔΔCt2代表目的基因相对于内参
基因的定量。
检测基因表达水平的方法有 Northern 杂交、原位杂交和
定量 PCR 等多种方法,但这些方法很难对起始模板准确定
量。荧光定量 PCR技术不仅达到了 PCR 从定性到定量的飞
跃,而且它具有特异性更强、灵敏度高、重复性好、定量准确等
优点成为基因工程研究中的重要工具[13]。本文利用 Real
time PCR方法,以梅花鹿 actin 作为内源参照基因,对梅花鹿
IGF1 在鹿茸顶端 4 种不同组织进行了表达水平分析。结果
表明:IGF1 在检测的所有组织中均有不同程度的表达,该结
果具有很好的重复性和稳定性,且检测结果用拷贝数来表示
起始模板的含量,相对半定量 RT - PCR中的比较值更为准确
可靠。同时分析发现:IGF1 在软骨和前软骨组织中表达量最
高,真皮层和间充质层中表达量较低。已有研究提示:在鹿茸
快速生长期,IGF1 对软骨生长过程的影响较大,软骨组织骨
化速度超过茸皮层组织生长速度,这进一步说明 IGF1 是鹿茸
再生过程中软骨生长的主效因子之一。总之,本文只是针对
IGF1 基因在东北梅花鹿这个物种上进行了初步的研究,获得
可供参考和利用的基础试验数据,但要将 IGF1 的功能研究透
彻,还需今后国内外学者大量的实验研究去证实。
参 考 文 献
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(上接 66 页)
3 结论与讨论
方翅网蝽是入侵昆虫,发生严重时,对其寄主树种悬铃木
的光合作用影响很大。笔者在调查时发现,二球悬铃木受方
翅网蝽的危害程度存在明显差异,这种差异与悬铃木树体枝
叶性状有较为密切的关系。本研究以二球悬铃木枝叶浓密程
度和叶片大小为指标,将合肥市二球悬铃木行道树划分Ⅰ型
(大叶浓密)和Ⅱ型(小叶稀疏)。2 种类型二球悬铃木受方
翅网蝽危害前和危害后叶绿素质量分数差异的变化表明,后
期Ⅰ型叶片叶绿素质量分数显著低于Ⅱ型叶片是方翅网蝽对
2 种类型二球悬铃木危害程度的差异造成的,而不是 2 种类
型悬铃木叶片本身叶绿素质量分数的差异。
内含物的测定结果表明,造成方翅网蝽对 2 种二球悬铃
木危害的差异主要与可溶性糖、氨基酸、单宁、酚酸等物质在
2 种类型二球悬铃木中的含量差异有关。主成分分析表明,
二球悬铃木的可溶性糖、甘氨酸、没食子酸和单宁是影响方翅
网蝽危害的主要贡献因子。
二球悬铃木方翅网蝽虫口密度与其树体中的可溶性糖质
量分数、单宁质量分数呈显著相关,而与总氨基酸、总酚酸等
质量分数不存在显著相关。这种现象的出现,可能是基于这
些内含物含量在 2 种类型悬铃木中没有显著差异而获得的结
论,但并不意味着方翅网蝽的繁殖和发育对这些物质不存在
密切的生态关系。此外,不同内含物对方翅网蝽繁殖和发育
机理在文中没有得到揭示,因此,有关方翅网蝽与二球悬铃木
之间更多的生态协同关系有待进一步研究揭示。寄主对害虫
的忌避物质很多,除酚酸类物质外,还有蛋白质抑制剂、纤维
素、木质素等[11 - 12]。因此,关于方翅网蝽寄主的忌避物质尚
需进一步深入研究。
参 考 文 献
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