發情相關基因在小尾寒羊性腺軸組織中的表達譜研究

陳玉林 劉玉芳 儲明星

摘要 [目的]探究綿羊發情相關基因KITLG、MAPK1、NOTCH4和NR5A2在小尾寒羊性腺軸組織（大腦、小腦、下丘腦、垂體、子宮、卵巢、輸卵管）中的表達差異，為闡明綿羊高繁殖力的分子機理提供理論依據。[方法]以FecB BB型小尾寒羊為研究對象，利用實時熒光定量PCR檢測上述4個基因在小尾寒羊發情周期（黃體期和卵泡期）性腺軸相關的7種組織中的表達差異。[結果] KITLG基因在小尾寒羊卵泡期輸卵管組織中的表達量最高，其在黃體期小腦與垂體中的表達量顯著高于卵泡期（P<0.05）;MAPK1基因在小尾寒羊卵泡期大腦組織中的表達量最高且極顯著高于黃體期（P<0.01），其在黃體期下丘腦和小腦組織中的表達量顯著高于卵泡期（P<0.05），而其在卵泡期輸卵管組織中的表達量顯著高于黃體期（P<0.05）;NOTCH4基因在小尾寒羊黃體期下丘腦中的表達量最高，而其在黃體期子宮中的表達量顯著高于卵泡期（P<0.05）;NR5A2基因在小尾寒羊黃體期卵巢組織中的表達量最高，其在黃體期子宮組織中的表達量顯著高于卵泡期（P<0.05）。[結論]KITLG、MAPK1、NOTCH4和NR5A2基因可作為潛在的候選基因來調控綿羊繁殖力。該研究結果為進一步闡明綿羊高繁殖力的分子機理提供了新思路。

關鍵詞 綿羊;發情相關基因;性腺軸;組織表達

中圖分類號 S 826? 文獻標識碼 A? 文章編號 0517-6611（2022）01-0092-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.01.023

Study on the Expression Profile of Estrus-related Genes in the Gonadal Axis Tissues of Small Tail Han Sheep

CHEN Yu-lin1，2， LIU Yu-fang1，2， CHU Ming-xing1

（1.Key Laboratory of Animal Genetics， Breeding and Reproduction of Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Institute of Animal Sciences， Chinese Academy of Agricultural Sciences， Beijing 100193;2. College of Life Science and Food Engineering， Hebei University of Engineering， Handan， Hebei 056001）

Abstract [Objective] To explore the expression difference of estrus-related genes KITLG， MAPK1， NOTCH4 and NR5A2 in the gonadal axis tissues （brain， cerebellum， hypothalamus， pituitary， uterus， ovary， fallopian tube） of Small Tail Han Sheep， and provide the theoretical basis for clarifying the molecular mechanism of high-fertility sheep. [Method]Using FecB BB type Small Tail Han Sheep as the research objects， real-time quantitative PCR was used to detect the expression difference of the four genes in seven kinds of tissues related to the gonadal axis of Small Tail Han Sheep in the estrus period（luteal phase and follicular phase）. [Result]The expression level of KITLG gene in the oviduct tissues of Small Tail Han Sheep in the follicular phase was the highest， its expression levels in the cerebellum and pituitary tissues of Small Tail Han Sheep in the luteal phase were significantly higher than that in the follicular phase （P<0.05）.The expression level of MAPK1 gene in the brain tissues of Small Tail Han Sheep in the follicular phase was the highest， which was extremely significantly higher than that in the luteal phase（P>0.01）. Its expression levels in hypothalamus and cerebellum tissues of Small Tail Han Sheep in the luteal phase were significantly higher than that in the follicular phase （P<0.05）， and its expression level in fallopian tube tissues in the? follicular phase was significantly higher than that in the luteal phase（P<0.05）. The expression level of NOTCH4 gene in the hypothalamus of Small Tail Han Sheep in the luteal phase was the highest， and the expression level in uterus tissues in the? luteal phase? was significantly higher than that in the follicular phase （P<0.05）. [Conclusion]KITLG， MAPK1， NOTCH4 and NR5A2 genes might be used as potential candidate genes to regulate the fecundity of sheep. The research provided a new idea for further clarifying the molecular mechanism of sheep’s high fertility.

Key words Sheep;Estrus-related genes;Gonadal axis;Tissue expression

基金項目 國家自然科學基金項目（31772580）;國家肉羊產業技術體系專項（CARS-38）;中國農業科學院科技創新工程項目（CAAS-ZDRW202106，ASTIP-IAS13）;河北省自然科學基金青年項目（C2019402261）。

作者簡介 陳玉林（1997—），男，河南駐馬店人，碩士研究生，研究方向：動物遺傳育種。

通信作者：劉玉芳，講師，博士，從事動物遺傳育種研究;儲明星，研究員，博士，從事羊優異繁殖性狀分子機理研究。

收稿日期 2021-05-19

如何提高綿羊的繁殖力一直是畜牧業關注的問題[1]。發情期是動物繁殖的重要時期，分為卵泡期和黃體期，卵母細胞必須經過卵泡期的發育才能成熟進而排卵，黃體期黃體的生長發育則釋放黃體酮等激素，為母體妊娠提供適宜的環境，為進一步的繁殖做準備[2]。綿羊的繁殖力受到其發情方式的直接影響，常年發情綿羊的繁殖力通常比季節性發情綿羊有更大的優勢[3]。因此，研究綿羊的發情機制及其如何影響綿羊的繁殖力一直是一個備受關注的問題。小尾寒羊作為一種優質的常年發情綿羊，其高繁殖力的特點使其成為研究綿羊發情機制及繁殖力機制的完美模型。筆者篩選出幾個與動物發情期相關的基因，旨在為闡明綿羊發情機制提供一定的理論基礎，為提高綿羊繁殖力提供新的研究思路。

KIT配體（KITLG）是c-KIT跨膜酪氨酸激酶受體（KIT）的配體，也被稱為干細胞因子、鋼鐵因子或肥大細胞生長因子。動物模型顯示，顆粒細胞衍生的KITLG與卵母細胞、卵泡膜細胞衍生的KITLG之間的相互作用涉及卵母細胞和卵泡發育的各個方面，包括卵巢中原始生殖細胞的形成、原始卵泡的激活、卵母細胞的存活和生長、顆粒細胞的增殖、膜細胞的募集和減數分裂停滯的維持[4]。MAPK1是MAPK（絲裂原活化蛋白激酶）的成員之一，在MAPK通路中發揮其作用，是卵泡發育的一條重要途徑。MAPK通路的激活可以促進瘦素誘導的卵母細胞成熟[5]。NOTCH4是一個保守的跨膜受體家族成員，可通過與一些特定的配體相互作用調節細胞，在許多發育過程中起關鍵作用，影響細胞分化、增殖和凋亡[6-8]。Hernandez等[9]研究表明NOTCH4通過Notch信號通路發揮促進黃體細胞活力和類固醇合成的作用。NR5A2也被稱為胎兒蛋白轉錄因子（FTF）、肝臟受體同源1（LRH-1），是核激素受體（NR）轉錄因子亞家族的成員，NR5A2與哺乳動物的類固醇合成、細胞增殖、卵泡發育、排卵和生育等多種過程有關[10]。

筆者利用實時熒光定量PCR（qPCR）技術對上述發情期相關候選基因在綿羊不同發情期（卵泡期和黃體期）性腺軸組織的表達情況進行檢測，為進一步揭示KITLG、MAPK1、NOTCH4和NR5A2基因的功能和解析綿羊繁殖機制提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗樣品的收集

隨機選取3周歲健康、經產的空懷小尾寒羊卵泡期和黃體期母羊各3只，于2017年10月飼養于天津市畜牧獸醫研究所試驗羊場，所有試驗羊的飼養環境和飼料均相同。2017年11月對試驗羊進行屠宰，取其大腦、小腦、下丘腦、垂體、子宮、卵巢和輸卵管，取樣后迅速裝入1.8 mL RNase-Free凍存管中（最大樣品量為凍存管體積的2/3）。所有樣品采集要在屠宰后30 min內完成，樣品采集完后迅速放入液氮中冷凍保存，用干冰帶回實驗室，放入-80 ℃冰箱中冷凍保存，備用。

1.2 RNA的提取及質量檢測

將采集的小尾寒羊卵泡期和黃體期性腺軸7種組織研磨后，用Trizol試劑（Invitrogen，美國）進行裂解，此后按照動物組織RNA提取試劑盒（天根，北京）的說明書進行總RNA的提取，用1.0%瓊脂糖凝膠電泳和Nanodrop 2000檢測提取RNA的質量和濃度。經檢驗合格的組織總RNA于-80 ℃下保存備用。

1.3 引物設計

根據GenBank提供的綿羊KITLG、MAPK1、NOTCH4、NR5A2基因序列（登錄號分別為NM_001267888.1、XM_027956867.1、XM_027958770.1、NM_001246280.1）信息，并使用Primer Premier 5.0軟件進行引物設計，以RPL19為內參基因。引物由北京天一輝遠生物科技有限公司合成。各引物濃度均為10 μmol/L，引物序列詳細信息見表1。

1.4 cDNA的合成

利用TaKaRa反轉錄試劑盒（PK0445）合成cDNA，反轉錄體系如下：1.0 μL反轉錄混合引物，1.0 μL Oligo dT引物，1.0 μL隨機引物，4.0 μL熒光定量緩沖液，1.0 μL RNA，12.0 μL雙蒸水，全程在冰上操作。反應條件：37 ℃ 15 min，85 ℃ 5 s，將反轉錄完成后的cDNA產物稀釋后，用持家基因RPL19進行PCR檢測，質量合格后-20 ℃下保存，以備檢測基因mRNA表達。

1.5 實時熒光定量PCR

1.5.1 實時熒光定量PCR體系及反應程序。

實時熒光定量PCR反應體系（總體積20 μL）：10.0 μL熒光定量Ex Taq引物Ⅱ，0.8 μL上游引物，0.8 μL下游引物，2.0 μL cDNA 模板，6.4 μL雙蒸水。PCR反應程序：95 ℃預變性5 min;95 ℃變性5 s，60 ℃ 30 s，40個循環。反應結束后進行熔解曲線分析。

1.5.2 標準曲線的建立。

將cDNA樣本5倍稀釋后，進行2倍梯度稀釋后獲得5個濃度梯度（1、1/2、1/4、1/8、1/16）的cDNA樣品。用這些cDNA為模板，對目的基因和持家基因進行熒光定量PCR，以濃度梯度的對數值（以10為底數）為橫坐標，以檢測所得Ct值為縱坐標，繪制目的基因和持家基因的標準曲線。

1.5.3 實時熒光定量檢測與數據分析。

使用Roche Light Cycler480 Ⅱ 型熒光定量PCR儀進行熒光定量檢測，使用Excel軟件進行數據處理，采用2-△△Ct的方法計算各基因的相對表達量。獲得的表達量數據使用SPSS 19.0統計軟件進行獨立樣本t檢驗。

2 結果與分析

2.1 RNA的提取

提取后的總RNA用1%瓊脂糖凝膠電泳進行檢測，結果發現28S條帶明顯比18S條帶更亮，且條帶完整性較好，表明該RNA質量合格，能用于后續試驗。

2.2 4個基因在各組織中表達分析

2.2.1 KITLG基因組織表達檢測。

qPCR結果顯示，KITLG基因在7種組織中均有表達，其在小尾寒羊卵泡期輸卵管中的相對表達量最高，其在黃體期小腦與垂體組織中的相對表達量均大于卵泡期且差異顯著（P<0.05），在其他組織中的相對表達量差異均不顯著（P>0.05）（圖1）。

2.2.2 MAPK1基因組織表達檢測。

MAPK1基因在小尾寒羊卵泡期大腦組織中的相對表達量最高且極顯著高于黃體期（P<0.01），在黃體期下丘腦組織中的相對表達量極顯著高于卵泡期（P<0.01）;其在黃體期小腦組織中的相對表達量顯著高于卵泡期（P<0.05），其在卵泡期輸卵管組織中的相對表達量顯著高于黃體期（P<0.05）;其在其他組織中的相對表達量差異均不顯著（P>0.05）（圖2）。

2.2.3 NOTCH4基因組織表達檢測。

如圖3所示，NOTCH4基因在小尾寒羊黃體期下丘腦組織中的相對表達量最高，其在黃體期子宮組織中的相對表達量顯著高于卵泡期（P<0.05），而其在其他組織中的相對表達量差異均不顯著（P>0.05）。

2.2.4 NR5A2基因組織表達檢測。

如圖4所示，NR5A2基因在小尾寒羊黃體期卵巢組織中的相對表達量最高，其在黃體期子宮組織中的相對表達量顯著高于卵泡期（P<0.05），而其在其他組織中的相對表達量均無顯著差異（P>0.05）。

3 討論

動物發情是研究動物繁殖育種不可忽視的一環，其中發情方式、發情時間均受到多種遺傳因素的影響，研究綿羊發情期相關基因調控機制對于提高綿羊繁殖力有著重大意義[11]。卵泡在發情期的生長發育狀況直接決定了綿羊的排卵數。排卵數是決定綿羊產羔數的直接因素，卵泡的生長發育與排卵數有著直接的聯系[12-14]。性腺軸是以下丘腦-垂體-卵巢為主的主要參與調控卵巢內卵泡及黃體生長發育的相關組織，研究性腺軸組織中發情相關基因的表達為進一步探究提高綿羊產羔數的方法提供了新思路[15]。

KITLG作為KIT的配體，是細胞表面錨定因子家族成員之一[16]。KIT/KITLG信號通路是生殖細胞生長發育過程中不可或缺的，其與生殖細胞的發育密切相關[17]。研究表明，KITLG基因在多種動物卵巢組織中均有表達，且對排卵前卵泡的生長發育起重要作用，已有試驗證實KITLG基因多態性與綿羊產羔數具有顯著關聯[18-19]。該試驗中KITLG基因在性腺軸7種組織中均有表達，其在小腦和垂體中的相對表達量在2個時期間存在顯著差異（P<0.05），其在垂體中的相對表達量較少，其在2個時期卵巢組織中均有表達，但差異未達到顯著水平（P>0.05），推測該基因不參與卵泡期與黃體期的轉換調控過程，其在不同時期的調控機制有待進一步探究。

絲裂原活化蛋白激酶1（MAPK1）作為MAPK通路中的重要成員，參與生殖過程中的信號轉導，可激活卵母細胞的成熟進程，使其經歷生發泡破裂等一系列過程[20-21]。該試驗中MAPK1基因在卵泡期大腦組織中的相對表達量最高且極顯著高于黃體期（P<0.01），其在黃體期下丘腦組織中的相對表達量極顯著高于卵泡期（P<0.01），黃體期小腦組織中該基因的相對表達量顯著高于卵泡期（P<0.05），在卵泡期輸卵管組織中該基因的相對表達量顯著高于黃體期（P<0.05），但除了卵泡期大腦組織外該基因在2個時期性腺軸各組織中的相對表達量均不高，推測其在小尾寒羊性腺軸對發情期的調控過程中沒有起到重要的調控作用。

NOTCH4在NOTCH通路中作為受體發揮作用，NOTCH信號通路在許多器官與細胞的發育中非常重要。雷俊川[22]研究表明其在哺乳動物卵泡發育中發揮重要作用。該試驗中NOTCH4基因在小尾寒羊不同時期性腺軸7種組織中均有表達。NOTCH4基因在小尾寒羊黃體期子宮組織中的相對表達量顯著高于卵泡期（P<0.05），且其在卵泡期子宮中的相對表達量較低。根據前人研究結果，推測出其在子宮妊娠環境的建立過程中參與調控[23]。

NR5A2由4個結構域組成：DNA結合（DBD）和配體結合（LBD）結構域、連接DBD和LBD的長Hinger（HR）以及修飾結構域（MD）[24]。在成年哺乳動物中，NR5A2基因主要在前脂肪細胞以及肝、腸、胰腺、卵巢和睪丸中均有表達，尤其在卵巢中高表達，該基因是卵泡發育和排卵的重要和多效性調節因子[7]。該試驗中NR5A2基因在小尾寒羊黃體期和卵泡期大腦、小腦和垂體組織中低表達，其在黃體期子宮組織中的相對表達量顯著高于卵泡期（P<0.05），其在卵巢組織中的相對表達量最高，但黃體期與卵泡期之間無顯著差異。結合前人研究結果，推測出該基因在小尾寒羊卵泡和黃體生長發育過程中起到重要作用，其具體作用機制有待進一步研究。

4 結論

該試驗利用實時熒光定量PCR研究了KITLG、MAPK1、NOTCH4和NR5A2基因在小尾寒羊卵泡期和黃體期性腺軸7種組織中的表達水平，結果發現KITLG、MAPK1、NOTCH4和NR5A2基因在卵泡期、黃體期性腺軸相關組織中的表達量有較大差異，這4個基因可能對綿羊發情周期的轉換具有一定的調控作用，可為進一步闡明綿羊發情周期轉換的分子機理提供參考。

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