科研 | Chemosphere:转录组分析揭示硒处理对家蚕脂肪体基因表达的影响(国人佳作)
编译:澜粒粒,编辑:十九、江舜尧。
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论文ID
原名:Transcriptome analysis reveals gene expression changes of the fat body of silkworm (Bombyx mori L.) in response to selenium treatment
译名:转录组分析揭示硒处理对家蚕脂肪体基因表达的影响
期刊:Chemosphere
IF:5.108
发表时间:2020.04(2019年12月接收)
通讯作者:唐顺明&魏兆军
通讯作者单位:江苏科技大学&合肥工业大学
DOI号:10.1016/j.chemosphere.2019.125660
实验设计
本文以4龄第一天的家蚕作为实验材料,分别用0,50和 200 µM Se溶液处理过的桑叶喂养(每组50只家蚕)。置于光照周期为12:12 h (L:D),相对湿度湿度55%,温度25-28℃条件下培养。在5龄第三天收集家蚕的脂肪体提取RNA进行转录组学分析,结果用qRT-PCR方法验证。
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结果
1差异基因分析
在50µM Se处理过的实验组相比于对照组(F_50μM vs F_Control)中,有912个差异基因,其中有371个差异基因被上调,541个差异基因被下调(图1 A);在200µM Se 处理过的实验组相比于对照组(F_200μM vs F_Control)中,有1420个差异基因,其中有1078个差异基因被上调,342 差异基因被下调(图1 B)。此外,由维恩图显示,在两个比较组中(F_50μM vs F_Control和F_200μM vs F_Control)特异性表达的差异基因分别有500和1008个,共有差异基因为412个。
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2 GO富集分析
在50µM Se 处理过的实验组相比于对照组(F_50μM vs F_Control)中,差异基因在生物学过程中与生物过程,氧化还原过程,跨膜转运和蛋白水解相关的基因数量较多;在细胞组分中与细胞核,细胞质,细胞成分和质膜相关的基因数量较多;在分子功能中,分子功能,蛋白质结合,ATP结合和锌离子结合相关的基因数占主要地位(图2A)。同样,在200µM Se 处理过的实验组相比于对照组(F_200μM vs F_Control)中,在生物学过程,细胞组分和分子功能中占主要地位差异基因与F_50μM vs F_Control组相似(图2B)。这些结果表明,对家蚕脂肪体进行硒处理后,多种细胞器功能和生物学过程参与其中,这为研究差异基因的功能提供了重要信息。
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图2 家蚕经Se处理的脂肪体转录组的差异基因GO富集分析。
(A)F_50μMvs F_Control,(B)F_200μMvs F_Control。X轴与各种基因功能相关,Y轴表示差异基因的数量。
3 KEGG代谢通路分析
在50µM Se 处理过的实验组相比于对照组(F_50μM vs F_Control)中,共有345个差异基因被分类到195个已知的路径中。其中126个差异基因(包括105个上调基因和21个下调基因)涉及17个具有显著性差异(p <0.05)的KEGG代谢通路。图3中可以看到前50个KEGG通路中3个路径和生物系统有关,22个与代谢有关,5个与人类疾病有关,4个与遗传信息处理有关,8个与环境信息处理有关,八个与细胞过程有关。值得注意的是,大多数差异基因被注释为过氧化物酶体,局部黏附,溶酶体,嘌呤代谢, RNA转运,神经活性配体-受体相互作用,视黄醇代谢和脂肪酸代谢(原文表4),表明这些基因在硒处理中起关键作用。这些具有显著性差异的代谢路径与新陈代谢,免疫,抗氧化防御,转运作用和碳水化合物代谢有关。
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同样,200µM Se 处理过的实验组相比于对照组(F_200μM vs F_Control)中,共有625个差异基因被分类到252个已知路径中。其中158个差异基因(包括130个上调基因和28个下调基因)涉及18个具有显著性差异(p <0.05)的KEGG代谢通路。图 3B代表了前50条KEGG通路,5种途径与生物系统有关,18种与代谢有关,4种与人类疾病有关,1种与遗传信息处理有关,6种与遗传信息处理有关,8种与环境信息处理有关,9种与细胞过程有关。大多数差异基因被注释为胞吞,过氧化物酶,Hippo信号传导途径,嘌呤代谢,溶酶体,泛素介导的蛋白水解,糖脂代谢和神经活性配体-受体相互作用(图3B和表5)。这些具有显著性差异的代谢路径与免疫,抗氧化防御,信号传导,神经活性配体-受体相互作用,转运蛋白和分解代谢有关。
这些结果表明,硒对家蚕脂肪体的处理涉及多种生物学过程,这为了解硒处理的家蚕的具体过程,功能和途径提供了重要的信息。
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图3 差异基因的富集代谢路径的分布图。
(A)F_50μMvs F_Control组中的前50个路径,(B)F_200μMvs F_Control组中的前50个路径。纵轴代表富集的KEGG路径的名称,横轴代表在该路径中占注释基因总数的显著差异基因数目的百分比。
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表5:F_200μM vs F_Control在不同KEGG通路上的Unigene数比较。
4 qRT-PCR验证实验
为了验证RNA-seq数据的可靠性,选择了32个差异基因进行验证。这些基因与调节脂质代谢,排毒和抗氧化防御等功能相关。图4表明qRT-PCR的结果中这些基因表达趋势与RNA-seq结果一致,因此证明了RNA-seq数据有效性。
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图4进行了qRT-PCR分析,以根据RNA-seq验证差异基因。
(A)和(B)F_50μM vs F_Control组中的差异基因;(C)和(D)F_200μM vs F_Control组中的差异基因。每个反应的Ct值均使用指定的参考对照基因actin 3进行标一化。
讨论
昆虫的大多数的代谢反应发生在脂肪体内,例如糖和脂质的代谢,蛋白质合成,氨基酸和氮的代谢等。为了发挥多种代谢功能,脂肪可以与其他器官协调,促进人体营养代谢的过程,并满足昆虫生长发育过程中不断变化的生理需要。根据转录组差异基因分析结果,与营养调节,排毒和抗氧化防御三个方面相关基因在硒处理后发挥着重要的作用。
本研究结果表明,硒处理可能会影响家蚕脂肪体的几种基础代谢途径中相关基因表达。参与脂质代谢的基因在50μM Se处理组达到峰值,而氨基肽酶N前体Tret1-2和Tret1被下调。在上调基因中脂肪酸合成酶是多功能酶,是脂肪酸合成的关键酶。CYPb5是电子传输系统的重要组成部分,主要参与脂肪酸的去饱和作用。Tret1和Tret1-2基因参与了碳水化合物的代谢,其下调表明抑制了海藻糖在体内的运输。与消化相关的氨肽酶的表达下调,表明硒处理后家蚕的摄食量降低。此外,脂类代谢是细胞中重要的生理过程,在缺糖的情况下可以为生物体提供能量。脂肪酸合成酶的上调促进了脂肪酸的合成,脂肪酶将脂肪酸转化为甘油三酸酯,可以被其他组织用作能源,并促进体内能量代谢。F_50μM vs F_Control组的KEGG分析表明,直接参与脂质代谢的途径被富集,例如脂肪酸代谢。F_200μM vs. F_Control组富集到花生四烯酸代谢和甘油脂代谢路径,进一步注释到了与排毒相关的基因。总之,基于对转录组差异基因表达的比较分析表明,50μMSe可以促进脂质代谢,并加速脂质向其他营养物质的转化。
脂肪体作为重要的昆虫组织,一些脂肪体酶在代谢排毒中起着重要作用,并且可以分解有毒物质。细胞色素P450(CYP)参与各种内源性和外源性底物的氧化代谢,例如脂质,药物,酒精,类固醇和环境污染物的代谢。在昆虫中,细胞色素P450是有机磷,氨基甲酸酯类杀虫剂,重金属,植物化感物质等物质的重要解毒酶。据报道,多达17种细胞色素P450在家蚕中高表达。谷胱甘肽S-转移酶(GST)可对多种内源性和外源性化合物进行解毒,并可以与多种底物结合,促进谷胱甘肽过氧化氢。
在本研究中,在50μM Se处理组的家蚕脂肪体内观察到CYP12A2基因上调。在200μMSe处理组的脂肪体内,12种CYP被上调并显著高表达,这表明其在排毒中发挥着重要作用。此外,在50μMSe处理组和200μMSe处理组中分别观察到谷胱甘肽-S-转移酶(GSTe5和GSTo3)和GSTs2的上调。这些结果表明,当家蚕用高浓度的硒处理时,CYPs和GSTs的上调可能与家蚕脂肪体内硒的主要排毒机制有关,保护蚕体免受伤害。
过氧化物酶路径在氧化还原信号和脂质稳态中起着至关重要的作用,包括过氧化氢酶,过氧化物歧化酶和过氧化物酶,它们是通过清除ROS对抗氧化损伤的抗氧化酶。在本研究中,F_50μM vs F_Control组的KEGG分析表明,直接参与抗氧化剂防御的过氧化物酶体途径被富集了。如2-羟基植烷酰辅酶A裂解酶(HPCL2),植烷酰辅酶A羟化酶(PHYH),磷酸甘油酯O-酰基转移酶(DHAPAT),脂肪酰基辅酶A还原酶(FAR),过氧化物酶5(PRDX5),ATP结合酶,D亚家族(ALD),ABCD和异柠檬酸脱氢酶(IDH)相关基因发生上调(图5)。这些酶都与清除ROS,细胞保护作用,对抗内源性或外源性过氧化物攻击有关。
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图5 F_50μM vs F_Control组差异基因中过氧化物酶体的KEGG途径。红色框表示上调的差异基因,绿色框表示下调的差异基因。
评论
本研究使用RNA-Seq技术评估了不同浓度(50μM和200μM)的Se对家蚕基因表达变化的影响。通过对差异基因的GO富集分析和KEGG代谢通路分析,发现了不同浓度Se处理后家蚕脂肪体不同的响应机制。50μM Se处理组的差异基因主要与脂肪酸代谢和过氧化物酶代谢路径相关,它们主要参与营养调节并保护机体不受损害。在200μM Se处理后,差异基因主要和甘油脂代谢和花生四烯酸代谢路径相关,这些路径通常与排毒作用相关。这些研究表明,较低浓度的硒可以进行营养调控并有抗氧化作用,而较高硒含量则会使促进家蚕的排毒作用。本研究表明低浓度硒的应用可能对养蚕农民非常有益,这为他们正确使用硒元素,在养蚕中获得更大的经济利益具有重要的意义。
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