文蛤防御素基因的克隆及其免疫表達特征研究

周燁

（通州區興仁鎮農業農村和社會事業局，江蘇 南通 226300）

防御素（Defensins）是一類陽離子抗菌活性肽，廣泛存在于各種生物體中，是生物體先天免疫防御和適應性免疫防御機制的重要組成部分[1-3]。通常防御素都是小分子肽，由12～50個氨基酸構成，分子內富含精氨酸和由半胱氨酸形成的分子內二硫鍵[4]。最初在鱟（Tachypleus tridentatus）中發現了一個具有79 aa的防御素基因，被命名為Big Defensin（MmBD），作為抗菌肽家族（AMPs）的一員，該基因具有顯著的抗菌活性[5]。隨后在多個軟體動物中開展了big Defensin基因的相關研究，包括菲律賓蛤仔（Ruditapes philippinesis）[6]、海灣扇貝（Argopecten irradians）[7]、美洲簾蛤（Mercenaria mercenaria）[8]、魁蚶（Scapharca broughtonii）[9]等。以上研究表明，big defensin基因在免疫應答中發揮著重要作用。目前在關于文蛤（Meretrix meretrix）的研究中，還未見該基因的相關報道。

文蛤，屬軟體動物門，瓣鰓綱，簾蛤目，簾蛤科，文蛤屬，是我國沿海灘涂重要的經濟貝類之一。但由于近年來沿海重工業的發展和臨港船舶運輸等，造成海洋環境污染，文蛤養殖病害不斷發生，由此造成巨大的經濟損失，也嚴重影響了貝類養殖產業的可持續發展。目前認為，重金屬污染是近年漁業環境污染的公害之一，是導致貝類死亡的直接原因。有關重金屬對文蛤抗氧化酶影響的研究已有一些報道，任虹等[10]研究了鐵（Fe）、銅（Cu）、鋅（Zn）和鉛（Pb）等重金屬離子對文蛤肝臟過氧化氫酶（CAT）和細胞色素氧化酶（CCO）2種酶活性的影響；田鎮等[11]研究了在銅離子（Cu2+）脅迫下，不同群體文蛤超氧化物歧化酶（SOD）和過氧化氫酶（CAT）活力的變化。但重金屬對文蛤防御系統分子機制的影響尚未見報道?，F克隆了文蛤MmBD基因，分析其特征和組織分布規律，研究了在Cu2+脅迫下，該基因應對環境壓力的免疫應答變化，以期為文蛤免疫防御機制研究提供基礎資料。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗所用文蛤來自江蘇省通州灣海區。選取4個健康成熟的文蛤個體，置于冰上麻醉，分別取其外套膜、鰓、肝胰腺、足、閉殼肌以及性腺等6個組織樣品。待文蛤性腺發育成熟后，進行催產，獲取4細胞期、囊胚期、原腸胚、D形幼蟲、殼頂幼蟲和稚貝6個不同胚胎發育時期樣品。設置對照組與試驗組，開展Cu2+脅迫試驗。使用CuSO4·5H2O（AR）制備1 g/L Cu2+母液，設置Cu2+質量濃度為0.5 mg/L的海水為試驗組，不加Cu2+的正常海水為對照組，每組30個文蛤個體，并設置3個平行試驗。每個組分別于12、36和72 h取3個文蛤個體的鰓組織，均用液氮速凍，并置于-80℃冰箱中保存。

1.2 MmBD基因cDNA序列全長克隆及序列分析

從轉錄組文庫中獲得MmBD的EST序列，采用cDNA末端快速擴增技術（RACE）進行基因cDNA序列全長克隆，設計3＇RACE和5＇RACE特異性引物進行擴增（表1），將獲得的PCR產物進行純化、回收，隨后連接到pMD-18T（TaKaRa）載體，37℃過夜培養，轉化到大腸桿菌DH5α（TaKaRa）中克隆，將篩選的陽性克隆送至生工生物有限公司測序，拼接獲得結果。使用ORF Finder、SMART、ExPASY、TMHMM等在線網頁和工具，開展序列結構特征分析；使用MEGA 5.0構建系統進化樹。

表1 試驗所用引物

1.3 熒光定量分析

根據RNA提取純化試劑盒和反轉錄試劑盒（天根）的說明書，分別獲取各個組織的總RNA，測定OD260/OD280值、1.2%瓊脂糖凝膠電泳評估RNA濃度和質量，再將總RNA反轉錄為cDNA，于-20℃保存。根據熒光定量預混試劑盒（天根）說明書配置體系，同時設置ABI7300系統擴增程序。每個cDNA樣品做3個平行，β-actin為內參，擴增產物的解離曲線分析保證擴增質量。熒光定量數據按照文獻[12]的2-ΔΔCt方法計算，試驗數據均以平均值±標準差（Mean±SD）表示。使用SPSS 19.0軟件的單因素方差（One-Way ANOVA）對數據進行分析，在單因素方差分析的基礎上，采用Duncan多重比較法進行分析，P＜0.05為結果差異顯著。

2 結果與分析

2.1 MmBD基因序列分析

采用RACE技術克隆獲得MmBD基因（Gen Bank:ON351576）的cDNA全長序列，共758 bp，其中5＇非翻譯區（UTR）長181 bp，3＇UTR長214 bp，開放閱讀框（,ORF）長363 bp，共編碼120氨基酸（圖1）。預測蛋白分子質量為13.22 kD，理論等電點pI為7.55。MmBD的預測氨基酸序列包含1個信號肽（1～23 aa）、2個跨膜結構域（7～24 aa,44～66 aa）、高度保守的Cys殘基C-X6-C-X3-C-X13（14）-C-X4-C-C和kex2樣蛋白酶（KEKR-AV）的裂解位點。預測蛋白前端信號肽區具有較強的疏水性，在成熟肽區均有疏水氨基酸和親水氨基酸分布（圖2）。預測三級結構包含3個α螺旋和6個β折疊。氨基酸序列對比、系統進化樹和系統進化樹所用物種序列登錄號分別見圖3、4和表2。由圖3、4可見，文蛤MmBD基因與菲律賓蛤仔的親緣關系最近，先與菲律賓蛤仔聚為一支，再與牡蠣、貽貝聚為一大支，最后再與扇貝等軟體動物聚為一大支。

圖1 文蛤Big Defesin基因cDNA全長序列及其結構特征

圖2 MmBD親水性與疏水性分析

圖3 文蛤與其他物種Big Defesin基因構建的系統進化樹

圖4 文蛤MmBD與其他軟體物種Big Defesin基因氨基酸序列對比

表2 系統進化樹所用物種序列登錄號

續表

2.2 MmBD基因的組織表達

使用qPCR（實時熒光定量核酸擴增檢測系統）分析MmBD基因在文蛤不同組織中（性腺、鰓、外套膜、肝胰腺、閉殼肌、足）的分布規律，結果見圖5。由圖5可見，MmBD在所檢測的各個組織中均有表達，該基因在鰓組織中的表達量最高（P＜0.05），其次是在外套膜和肝胰腺，而在閉殼肌、性腺和足中的表達量較低。

圖5 MmBD基因在文蛤各組織的分布情況

2.3 MmBD基因在胚胎發育時期的表達

MmBD基因在文蛤不同胚胎發育時期（4細胞期、囊胚期、原腸胚、D形幼蟲、殼頂幼蟲和稚貝）表達見圖6。由圖6可見，MmBD基因在D形幼蟲期表達量最高（P＜0.05），其次是原腸胚期，稚貝期表達量最低（P＜0.05）。

圖6 MmBD在不同胚胎發育時期的表達特征

2.4 Cu2+脅迫下MmBD基因的表達特征

高濃度Cu2+脅迫試驗結果表明，對照組文蛤的MmBD基因表達量無顯著變化，試驗組MmBD基因表達量明顯升高（圖7）。尤其是36和72 h，試驗組MmBD基因表達量極顯著高于對照組（P＜0.01）。

圖7 MmBD基因在Cu2+脅迫下的表達規律

3 討論

克隆獲得了文蛤Big Defensin基因的cDNA全長序列，結果顯示，該基因的氨基酸序列N末端是一段具有較強疏水性的信號肽序列（23 aa），主要起到引導防御素前體蛋白通過脂膜的作用[13]；C端包含1個高度保守的防御素結構，該結構由6個特定位置的保守半胱氨酸殘基C-X6-C-X3-C-X13（14）-C-X4-C-C組成，這與魁蚶、紫貽貝、海灣扇貝等其他貝類的Big Defensin基因的結構相似，都具有防御素基因家族的典型特征。由此推測，文蛤MmBD基因可能發揮著與其他物種Big Defensin基因相似的功能。

MmBD在不同組織中的表達結果顯示，MmBD在性腺、腮等6個組織中均有表達。這與魁蚶[9]、文昌魚（Branchiostoma japonicum）[14]、雜色鮑（Halitotis diversicolor）[15]等的研究結果相似，Big Defensin基因在不同組織中廣泛表達。文蛤MmBD基因在鰓中的表達量最高（P＜0.05），其次是外套膜和肝胰腺。在魁蚶中，Big Defensin基因在肝胰腺中表達量最高，隨后是鰓、性腺以及外套膜；在雜色鮑中，Big Defensin基因在肝胰腺中表達量最高，其次是外套膜、足和鰓。在雙殼貝類中，鰓組織的主要功能是過濾和呼吸作用，外套膜是暴露于外部環境最多的組織之一，是免疫防御的第一道防線；肝胰腺的主要功能是消化代謝，是一種重要的免疫組織，可合成免疫因子啟動免疫反應；這幾個組織對調節貝類自身的免疫機制至關重要，可有效抵抗外來有害物質的入侵[16-17]。由此可推測，文蛤MmBD基因與其他物種的Big Defensin基因一樣，在鰓、外套膜和肝胰腺等組織器官中起到重要作用，在機體免疫中發揮重要功能。MmBD在不同胚胎發育時期的表達結果顯示，MmBD在原腸胚期表達量突然上升，D形幼蟲期表達量最高（P＜0.05）。文蛤幼體在原腸胚后期整個胚胎形態逐漸發生變化，形成擔輪幼蟲，隨后再變態形成D形幼蟲，D形幼蟲開始從外界攝食[18]，MmBD在在原腸胚期開始大量表達，主要在D形幼蟲期起到重要作用，這可能是MmBD基因在這一過程中對幼體自身開展的自我保護機制。

防御素主要參與調節機體免疫系統，具有多項免疫功能，是生物體防御系統的重要成分。多項研究報道，Big Defensin基因與軟體動物免疫防御密切相關。文獻[7，19]研究表明，海灣扇貝和蛤仔（Venerupis philippinarum）面對細菌攻擊時，兩者血細胞內的Big Defensin基因表達量顯著上調，顯示出該基因較強的抗菌活性；Li等[9]研究表明，魁蚶SbBDef1基因參與了自身的免疫應答過程，細菌侵染后其血細胞和肝胰腺中的SbBDef1基因均出現大量表達。此外，三角帆蚌（Hyriopsis cumingii）[20]、櫛孔扇貝（Chlamys nobilis）[21]等研究中顯示，Big Defensin基因同樣在自身的機體免疫中起到重要作用。本試驗結果與以往的研究結果相似，文蛤MmBD基因在重金屬Cu2+脅迫下出現明顯上調，尤其是36和72 h時，試驗組MmBD基因表達量約為對照組表達量的5倍，2組差異極顯著（P＜0.01）。此結果說明，文蛤MmBD基因響應Cu2+脅迫下的免疫應答，該基因可能在文蛤抵御外界環境刺激時發揮一定功能，其免疫防御機制有待繼續深入研究。