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兩種抗雌激素藥物對雌性斑馬魚脂肪代謝的影響

2017-02-15 08:23姚亞運賈永義孫勝香吳思蘋張運妮喬芳張美玲周忠良杜震宇
水生生物學報 2017年1期
關鍵詞:斑馬魚雌性甘油三酯

姚亞運賈永義孫勝香吳思蘋張運妮喬 芳張美玲周忠良杜震宇

(1. 華東師范大學生命科學學院, 上海 200241; 2. 農業部淡水漁業健康養殖重點實驗室, 湖州 313001; 3. 浙江省魚類健康與營養重點實驗室, 湖州 313001; 4. 浙江省淡水水產研究所, 湖州 313001)

兩種抗雌激素藥物對雌性斑馬魚脂肪代謝的影響

姚亞運1,2,3,4賈永義1,2,3,4孫勝香1吳思蘋1張運妮1喬 芳1張美玲1周忠良1杜震宇1

(1. 華東師范大學生命科學學院, 上海 200241; 2. 農業部淡水漁業健康養殖重點實驗室, 湖州 313001; 3. 浙江省魚類健康與營養重點實驗室, 湖州 313001; 4. 浙江省淡水水產研究所, 湖州 313001)

為探究雌激素對雌魚體內脂肪代謝的影響, 研究分別使用50和250 μg/L的來曲唑(Letrozole、LET)與他莫昔芬(Tamoxifen、TAM)兩種抗雌激素藥物, 構建了雌性斑馬魚(Danio rerio)雌激素缺乏模型和雌激素受體競爭抑制模型, 并檢測兩種藥物處理后斑馬魚肝臟、內臟和肌肉的甘油三酯(TG)含量變化以及肝臟內雌激素和脂肪代謝相關基因的變化。結果顯示, 低濃度LET處理后雌魚肝臟和內臟TG顯著上升(P<0.05); 高濃度TAM處理后肝臟TG含量顯著降低(P<0.05),其他各組處理TG均無差異?;騧RNA檢測結果表明, 兩種濃度LET和TAM處理的雌性斑馬魚芳香化酶(CYP19A)表達均顯著下調(P<0.05), 低濃度TAM暴露導致雌激素受體(ERα)表達顯著下調(P<0.05)。此外, 兩種濃度LET處理均引起了脂肪酸合成酶(FAS)表達顯著上調, 微粒體的TG轉運蛋白(MTP)表達顯著下調(P<0.05); 低濃度TAM引起了MTP表達顯著下調(P<0.05), 而高濃度TAM組則引起了MTP表達顯著上調(P<0.05)。綜合各相關指標, 研究結果表明雌激素確實在雌性斑馬魚脂肪代謝中發揮作用, 然而不同程度和方式的雌激素抑制會導致不同的脂代謝失調表現, 這提示魚體內雌激素紊亂所導致的脂代謝失調與雌激素濃度和作用通路上的受阻位點有關, 并受到多重因子參與的內分泌調控網絡的調節。

雌激素; 脂肪代謝; 來曲唑; 他莫昔芬; 斑馬魚

魚類脂肪代謝異常, 包括脂肪肝和腹部脂肪過度沉積是當前養殖魚類中常見的營養性病害, 因此魚類脂代謝異常的成因成為當前魚類營養生理學的重點研究內容之一。目前, 此領域的研究主要將焦點集中在營養與飼料對脂代謝的影響上[1]。此外, 也有研究關注環境因素包括環境污染物對魚類脂肪代謝的影響[2,3]。然而, 作為脂代謝的重要相關生理因素, 內分泌環境對魚類脂代謝的影響至今仍少有人關注。在人體內, 絕經期和更年期婦女體重往往高于絕經前的婦女, 容易出現脂代謝紊亂并在腹部積蓄脂肪[4,5], 而這些女性一旦采用雌激素藥物治療, 其脂肪代謝就逐漸趨于正常[6,7]。因此,雌激素在人類脂肪代謝與脂肪沉積過程中起到了重要的作用[7]。在哺乳動物中, 編碼雌激素合成最后一步關鍵酶-細胞色素P450芳香化酶的CYP19A基因敲除的小鼠在肝臟和腹部的脂肪積蓄都有明顯增多[8,9]。也有報道指出, 雌激素受體α (ERα)敲除的小鼠同樣出現腹部脂肪嚴重積累的現象[10,11]。這些研究表明, 哺乳動物脂代謝受到雌激素的調控。然而, 雌激素在魚類脂肪代謝中的作用至今尚無研究報道。為了解雌激素對雌性魚類脂代謝的可能影響, 本研究采用雌性斑馬魚(Danio rerio)為實驗對象, 通過在水體中分別加入兩種不同濃度的抗雌激素藥物來曲唑(Letrozole, LET)與他莫昔芬(Tamoxifen, TAM), 分別抑制雌激素合成路徑和雌激素與受體結合路徑, 經過5周暴露后, 以雌魚的肝臟、內臟和肌肉甘油三酯沉積為表型指標, 結合相關基因的表達影響, 來探討兩種抗雌激素對雌性斑馬魚脂肪代謝的影響。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

儀器: 酶標儀(BIO-TEK), 普通PCR儀(My-Cycler, BIO-RAD), q-PCR儀(CFX Connect, BIORAD), 微量紫外分光光度計(Thermo Nanodrop2000),全自動樣品快速研磨儀(上海凈信科技有限公司),冷凍離心機(Eppendorf centrifuge5415R)。

試劑: 他莫昔芬(Tamoxifen, TAM): 分子量為371.51, 純度>99.0%, 購自阿達瑪斯試劑有限公司、來曲唑(Letrozole, LET): 分子量為285.31, 純度>99.0%, 購自湖北遠成藥業有限公司、二甲基亞砜(DMSO)購自上海凌峰化學試劑有限公司、甘油三酯測試盒購自南京建成生物工程研究所、反轉錄試劑盒購自寶生物工程(大連)有限公司(TaKaRa biotechnology)、SYBR熒光定量PCR試劑盒購自北京康為世紀生物科技有限公司。

1.2 實驗材料

實驗所用的斑馬魚購自上海市羽一熱帶觀賞魚養殖場, 3—4月齡, 初始平均體重(0.14±0.01) g。水溫控制在(28±1)℃, 每天保持光照14h、黑暗10h,實驗用水為曝氣并除氯后的自來水。實驗魚在實驗室環境中適應一周后, 挑選健康活潑的雌性個體進行實驗。

1.3 實驗設計

在對魚類慢性暴露研究中, LET和TAM的濃度在300 μg/L內均有選擇, 如有研究用LET和TAM對日本青鳉(Oryzias latipes)進行暴露, 發現300 μg/L以內的LET與TAM都未引起生理毒性[12—14]。由此,本實驗采用濃度為50和250 μg/L的LET和TAM兩種藥物來對雌性斑馬魚進行慢性水體暴露, 藥物均使用國際類似研究中通用的二甲基亞砜(DMSO)作為助溶劑[15—17]。對照組為DMSO組, 其濃度為10 μL/L。每個暴露實驗在7 L魚缸中進行, 每種處理設兩個重復, 每個平行缸養魚25條。實驗期間, 每天以新配置的含相同藥物濃度的水將缸中水換去1/3, 保證養殖水體的藥物濃度保持一致。養殖過程中持續增氧, 水溫控制在(28±1)℃, 每天保持光照14h、黑暗10h。每天定量喂食兩次(飼料購自山東升索漁用飼料研究中心, 每次投喂量定為體重2%)。根據此前的預實驗結果, 5周的抗雌激素藥物暴露可以使得斑馬魚出現明顯的脂代謝紊亂現象。因此,本實驗持續5周, 5周后取肝臟、內臟和肌肉, 取樣前禁食12h, 取樣過程均在冰上進行。其中抽提RNA的樣品過液氮后至-80℃保存待用。

1.4 實驗步驟

肝臟、內臟和肌肉組織的甘油三酯測定分別隨機取8尾魚的肝臟、內臟(去肝臟外的部分)及肌肉組織, 兩尾魚的組織混一個樣, 其中肝臟(0.0041±0.0027) g、內臟(0.023±0.009) g和肌肉(0.034±0.010) g, 分別按照重量(g)∶體積(μL)=1∶10、1∶20、1∶20加入無水乙醇, 勻漿后在4℃, 2500 r/ min條件下離心10min。取上清液, 使用甘油三酯測試盒(GPO-PAP酶法)測定甘油三酯含量。

肝臟組織的實時熒光定量PCR每組隨機取6尾魚肝臟組織, 每份肝臟組織(0.0041±0.0027) g,按照RNA提取步驟提取總RNA, 并在微量紫外分光光度計上測定A260/A280以及總RNA濃度, 然后將提取的總RNA使用反轉錄試劑盒反轉錄為CDNA。在NCBI上查找到DGAT2、MTP的序列, 然后通過primer5.0設計引物, 所有引物均由鉑尚生物技術(上海)有限公司合成, 詳細列表如下。根據實時熒光定量PCR試劑盒的要求進行實時熒光定量PCR。其中以β-actin基因為內參基因, 以DMSO組為對照組, 最后采用2-ΔΔCt法進行數據分析。

1.5 數據統計分析

所有數據采用SPSS17.0軟件進行單因素方差分析(one way-ANOVA)及Tukey法檢驗各組間差異性。實驗數據采用平均值±標準誤表示。

2 結果

2.1 LET與TAM暴露雌性斑馬魚對肝臟、內臟及肌肉甘油三酯的影響

50 μg/L的LET可以引起雌性斑馬魚的肝臟和內臟的甘油三酯顯著性上調(P<0.05); 而250 μg/L的TAM則引起雌性斑馬魚肝臟甘油三酯顯著降低(P<0.05, 表 2)。

2.2 LET與TAM暴露雌性斑馬魚對其肝臟內雌激素相關基因表達的影響

如圖 1所示, 兩種濃度的LET均能顯示CYP19A顯著性下調(P<0.05)。兩種濃度的LET均沒有引起ERα顯著性差異(P>0.05)。兩種濃度的TAM也均能引起CYP19A顯著性下調(P<0.05); 而50 μg/L的TAM處理則引起ERα顯著性下調(P<0.05), 250 μg/L的TAM則未引起ERα引的顯著性差異。

表 1 用于實時熒光定量PCR分析的引物序列Tab. 1 Sequences of real time PCR primers

表 2 斑馬魚肝臟、內臟、肌肉中的脂肪含量Tab. 2 Effects of LET and TAM on the triglyceride content in liver, viscera and muscle of female zebrafish (%)

2.3 LET與TAM暴露雌性斑馬魚對其肝臟脂肪代謝相關基因表達的影響

如圖 2所示, 兩種濃度的LET均能引起脂肪酸合成酶mRNA(FAS)顯著性上調(P<0.05), 此外均引起了微粒體的甘油三酯轉運蛋白(MTP)表達顯著性下調(P<0.05); 低濃度的TAM引起MTP顯著性下調(P<0.05), 但是高濃度的TAM卻引起MTP顯著性上調(P<0.05)。

3 討論

本研究的目的是通過LET與TAM兩種藥物分別構建雌激素缺乏模型和雌激素受體競爭抑制模型, 以期探討雌激素及雌激素受體與雌魚脂肪代謝的關系。兩種濃度的LET均引起了CYP19A下調,表明雌激素的合成代謝已受到藥物暴露的干擾。而脂肪含量測定結果表明, 低濃度的LET的確導致脂肪在雌性斑馬魚各組織中的積累。從脂肪代謝基因表達來看, 兩種濃度LET均引起了脂肪酸合成酶(FAS)表達顯著上調, 微粒體的甘油三酯轉運蛋白(MTP)表達顯著下調, 甘油三酯合成基因DGAT2有上調趨勢, 而脂肪分解相關基因CPT-1和PPARa則有下調趨勢。這提示在LET處理的雌性斑馬魚中, 出現了脂肪酸和甘油三酯合成增加、脂肪酸分解下降的代謝失衡。又由于MTP的表達下調, 這又將減弱肝臟將甘油三酯向肝外轉運的效率,從而最終導致甘油三酯在組織中的積累。與本研究相類似, 雌激素缺乏的小鼠會引起脂肪積累和肥胖傾向[8,9]。值得注意的是, 在本研究中, 雖然不同濃度的LET暴露后, 雌性斑馬魚的脂肪代謝基因變化情況相似, 然而就組織脂肪積蓄而言, 僅有低濃度的LET會顯著導致肝臟和內臟甘油三酯積累, 但是高濃度的LET卻并未引起各組織的甘油三酯的積累。此結果提示, 雌激素對于雌魚的脂肪代謝的影響并不是線性的, 不同濃度雌激素可能存在不同的對魚體代謝起作用的作用途徑。對其他動物的研究表明, 雌激素合成相關的芳香化酶的缺乏會增加體內睪酮和瘦素的濃度, 從而影響脂肪代謝[9], 因此雌激素缺乏會通過干擾其他內分泌因子的濃度變化從而影響脂肪代謝。在本實驗中, 兩種濃度的LET暴露均下調了CYP19A的表達, 而最終所導致的體內脂肪積累趨勢不同, 這也提示雌激素所介導的脂肪代謝調控網絡與體內的雌激素濃度或與受抑制程度存在相關性, 值得進一步研究。

在本實驗中, 盡管兩種濃度TAM也都引起了CYP19A的下調, 低濃度的TAM還引起了ERα的下調。然而, 與LET效果不同, 在本實驗中TAM暴露并沒有引發脂肪在組織中的積蓄, 肝臟脂肪反而在高濃度TAM處理組有顯著下降?;蚪Y果表明, 兩種濃度的TAM暴露同時導致脂肪酸合成酶(FAS)和脂肪分解基因(CPT-1, PPARa)出現下調趨勢, 表明脂肪合成和分解均有所下降。而低濃度的TAM引起了MTP下調, 從而可能抑制肝臟將甘油三酯向肝外轉運, 這可能是該組肝臟脂肪較對照略有上升的原因。而高濃度TAM組則引起了MTP的上調, 或許意味著促進肝臟中甘油三酯向肝外轉運, 從而出現如表型所顯示的那樣高濃度TAM導致肝臟脂肪降低的結果。此前已有多篇文章報道了ER和脂肪代謝存在相關性, 如E2與ERα結合后會通過增加棕色脂肪合成來增強能量消耗[10], 而ERα的減少所導致的ERα與ERβ比率變化也可能會影響脂肪代謝[22]。已有證據表明, 當ERα減少, 體內E2會更多的與ERβ或者其他的ER結合發揮效應[23]。根據這些在哺乳動物中的結果分析與假設, 在低濃度TAM下, CYP19A與ERα均減少本可能削弱E2與ERα結合后促進能量消耗的效應, 導致脂肪的積累。但是, 這一效應在本實驗中并不明顯, 這說明魚類的ERα對脂肪代謝的影響或存在與哺乳動物不同的機制, 值得進一步探索。另外, 和LET處理一樣, 高低劑量的TAM暴露也造成了不同的脂肪沉積表型。這再次提示, 體內雌激素紊亂對魚類脂代謝的影響可能與雌激素濃度與作用通路上的受阻位點有關。此外, 高濃度的TAM與高濃度LET所可能導致的毒性效應也有可能干擾脂肪代謝, 出現與低濃度TAM和LET暴露所不同的代謝表現。

圖 1 LET與TAM對雌性斑馬魚暴露, 肝臟CYP19A與ERα基因相對表達量Fig. 1 Effect of LET and TAM on hepatic genes related to estrogen synthesis and estrogen receptor of female zebrafish圖中各組之間標注不同字母表示差異顯著, P<0.05; 下同Values in groups with different letters are significantly different, P<0.05; the same applies below

圖 2 LET與TAM對雌性斑馬魚暴露, 肝臟相關脂肪代謝基因的相對表達量Fig. 2 Effect of LET and TAM on hepatic genes related to lipid metabolism of female zebrafish

此外, 需要指出的是, 脂肪作為魚類的主要能源物質, 在生長發育和繁殖過程中都起到重要作用。本實驗中的雌性斑馬魚為3—4月齡, 處于性成熟的關鍵期, 此時在雌激素的作用下, 性腺功能增強, 同時伴隨著卵黃增生和體積增長[24]。由于卵黃合成需要脂類物質作為合成前體, 因此在性腺成熟過程中, 機體可能會通過雌激素對脂代謝的調控作用, 增加脂類物質的合成和轉化, 滿足性腺發育的需求。本文中, LET與TAM兩種藥物能分別阻斷雌激素合成及雌激素與受體結合的過程, 因而也很有可能通過影響雌激素的功能來來干擾魚類的性腺發育, 從而改變性腺對脂類物質的需求, 影響魚類的脂肪代謝。

綜上所述, 通過對雌激素合成步驟和受體結合步驟的抑制, 本實驗證明雌激素紊亂將導致雌性斑馬魚脂肪代謝失調。然而, 不同濃度的雌激素抑制藥物在不同組織中出現了對脂肪代謝的不同作用效應, 這說明雌激素紊亂所導致的魚體脂代謝失調可能與雌激素的濃度與雌激素作用通路上的受阻位點有關, 并受到多因子內分泌調控網絡的調控。

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EFFECTS OF TWO ANTI-ESTROGEN DRUGS EXPOSURE ON LIPID METABOLISM OF FEMALE ZEBRAFISH (DANIO RERIO)

YAO Ya-Yun1,2,3,4, JIA Yong-Yi1,2,3,4, SUN Sheng-Xiang1, WU Si-Ping1, ZHANG Yun-Ni1, QIAO Fang1, ZHANG Mei-Ling1, ZHOU Zhong-Liang1and DU Zhen-Yu1
(1. School of Life Sciences, East China Normal University, Shanghai 200241, China; 2. Key Laboratory of Freshwater Fisheries and Health Cultivation of the Ministry of Agriculture, Huzhou 313001, China; 3. Key Laboratory of Fish Health and Nutrition of Zhejiang Province, Huzhou 313001, China; 4. Institute of Freshwater Fisheries, Huzhou 313001, China)

In higher animals, estrogen can regulate lipid metabolism of females; however, whether estrogen regulates fish lipid metabolism is unclear. To explore effects of estrogen on lipid metabolism in zebrafish, letrozole (LET) and tamoxifen (TAM) were treated female zebrafish (0.14±0.01) g for 5 weeks to measure triglyceride (TG) concentrations in liver, visceral and muscle and the expressions of the hepatic genes related to estrogen and lipid metabolism. The results showed that low dose LET significantly increased TG in liver and viscera but not in muscle. Low dose TAM did not impact No TG content in all tested tissues but high dose TAM significantly decreased liver TAG. LET and TAM significantly induced CYP19A mRNA, and low dose TAM decreased ERα. LET increased FAS but decreased MTP expression. DGAT had an increase tendency, and CPT-1 and PPARα had a decreased tendency. It suggests a dyslipidemia symptom in the LET exposure groups. Low dose TAM reduced MTP and high dose TAM enhanced it (P<0.05). These results showed important role of estrogen in lipid metabolism in female zebrafish with a complex dosage- and tissue-dependent pattern.

Estrogen; Lipid metabolism; Letrozole; Tamoxifen; Zebrafish

S963.7

A

1000-3207(2017)01-0095-06

10.7541/2017.12

2016-01-06;

2016-04-01

農業部淡水漁業健康養殖重點實驗室和浙江省魚類健康與營養重點實驗室開放課題(ZJK2014004); 國家重大基礎研究項目(2014CB138600); 國家自然科學基金(31472290); 華東師范大學研究生科研創新實踐項目(YJSKC201518)資助 [Supported by the Key Laboratory of Freshwater Fisheries and Health Cultivation of the Ministry of Agriculture (ZJK2014004), the National Basic Research Program of China (2014CB138600), National Natural Science Foundation of China (31472290) and ECNU Research Innovation Foundation for Postgraduates(YJSKC201518)]

姚亞運(1990—), 男, 安徽東至人; 碩士; 研究方向為生態毒理學。E-mail:lifeyyy@126.com 賈永義(1979—), 男, 山東濰坊人; 碩士; 研究方向為水產種質資源與遺傳育種。E-mail: yongyi_jia@163.com

杜震宇, 男, 教授; E-mail: zydu@bio.ecnu.edu.cn; 周忠良, 男, 副教授; E-mail: zlzhou@bio.ecnu.edu.cn

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