中华倒刺�同工酶组织特异性研究:同工酶的组织特异性

  摘要:运用聚丙烯酰胺凝胶垂直板电泳技术,对中华倒刺�的6种组织(脑、眼睛、心脏、肝脏、肾脏、肌肉)中的乳酸脱氢酶(LDH)、苹果酸脱氢酶(MDH)、酯酶(EST)进行了初步研究,并对这3种酶在各组织中的同工酶位点及酶谱表型进行了分析。结果表明,中华倒刺�的3种同工酶系统具有组织特异性。LDH检测到经典的5条谱带,由3个基因位点编码,C位点仅在肝脏组织中表达;MDH在5种组织(除肌肉外)中检测到3条酶带,仅为细胞质型,肌肉组织中同时表达了细胞质型和线粒体型;EST至少由5个基因位点编码,同工酶酶谱复杂,肝和肾的活性表达较强。
  关键词:中华倒刺�;同工酶;组织特异性
  中图分类号:S965.199 文献标识码:A 文章编号:0439-8114(2011)24-5206-05
  
  Study on the Isozymic Tissue Specificity of Spinibarbus sinensis
  
  ZHANG Juan1,2,WANG Hong-ye1,2,CAI Yan-zhi2,LU Tao3,QIN Xiao-yan3
  (1.College of Life Science,Huazhong Normal University, Wuhan 430079,China; 2.Fisheries Research Institute of Hubei Province,Wuhan 430071, China; 3.Zigui Governing Station for Fishery Admistration ,Vessel Checking and Port Supervision,Zigui 443600, Hubei,China)
  
  Abstract: By using the vertical polyacrylamide gel electrophoresis, lactate dehydrogenase(LDH), malate dehydrogenase (MDH) and esterase (EST) isozymes from six tissues(brain, eye, heart, liver, kidney and muscle) of adult Spinibarbus sinensis were preliminarily studied. The loci and phenotypes of the isozymes in every tissue were also analyzed. The results showed that all isozymes presented tissue specificity. Five classical LDH bands were found in the tissues, which were encoded by three loci, and the site C was only found in liver. The number of MDH isozyme bands was three in five tissues except muscle, which were all s-MDH. Both s-MDH and m-MDH were found in muscle. EST isozyme was encoded by five loci at least. The isozyme pattern was complicated, and the stronger activity was pigmented in the liver and kidney.
  Key words: Spinibarbus sinensis; isozyme; tissue specificity
  
  同工酶的概念最早是由Markert和Moller[1]在1959年提出,是指催化相同化学反应,但其性质不尽相同的一类酶,它是普遍存在的,在同一物种的不同个体或同一细胞的不同部位,如细胞膜、细胞质和线粒体等细胞器,以及生物生长发育的不同时期和不同代谢条件下,都有同工酶的存在,这类酶对细胞的发育及代谢调节都很重要。同工酶是由染色体上不同的基因位点或同一位点的等位基因编码的,是基因型的生化表现型,反映了编码酶蛋白的DNA序列信息。同工酶能催化相同的反应,是因为其活性中心的结构有类同之处,而物理特性、催化性质以及免疫特性的区别,则是由于分子组成和结构上有一定差异,酶谱的变化反映了等位基因和位点的变化。Buth等[2]认为利用凝胶电泳技术,能够得到较好的同源性和可比性的同工酶谱,通过对酶谱的进一步分析,可以较深入、直接地了解物种的遗传信息,包括群体遗传结构、个体发育过程同工酶的表达和组织特异性等内容,是分析生物的发育、遗传、系统进化和生理过程的有效探针。
  中华倒刺�[Spinibarbus sinensis(Bleeker)]俗称青波、乌鳞、青板,属脊椎动物门,硬骨鱼纲,鲤形目,鲤科,�亚科,倒刺�属,为淡水温水性鱼类,性活泼,喜成群栖息于底层多为乱石的流水中,主要分布于长江中上游的干、支流流域的水体中,是我国长江流域土著淡水名优鱼类[3]。中华倒刺�的肉质肥美,细嫩多脂,并且具有一定药效,有壮阳补中之功效,被人们列为上佳食用鱼。因其具有个体大、生长快、食性杂、饲料来源广、抗病能力强等特点,已开始成为一种池塘、网箱养殖的淡水名优鱼类品种,是重要的土著名优经济鱼类之一[4,5]。目前国内对中华倒刺�的研究主要在生物学特征[3]、胚胎及幼鱼的发育[6,7]和繁育技术[8-10]等方面,同时也逐渐展开遗传分子学方面的研究[11,12],但是有关中华倒刺�同工酶的表达研究未见报道。本研究主要从生化遗传学角度出发,用不连续的聚丙烯酰胺凝胶垂直板电泳法对中华倒刺�乳酸脱氢酶(LDH)、苹果酸脱氢酶(MDH)、酯酶(EST)的组织特异性进行初步分析,探讨其同工酶系统的遗传基础,以期为中华倒刺�的遗传多样性分析、种质标准和种质鉴定提供生化遗传参数,同时为中华倒刺�的遗传育种和人工繁育提供科学依据。
  1 材料和方法
  1.1 试验原料
  试验用中华倒刺�来源于嘉陵江、沱江以及人工饲养的鱼种,共90尾,体格健壮、无病无伤的大规格鱼种为试验鱼,平均体重为(292.045±77.541)g,平均体长为(23.935±2.273)cm。
  1.2 仪器和试剂
  1.2.1 仪器 DYY-10C型电泳仪(北京市六一仪器厂)、FA2004型电子天平(上海恒平科学仪器有限公司)、YP202N型电子天平(上海精密科学仪器有限公司)、GL20-B型高速冷冻离心机(中国科学院武汉科学仪器厂);富士数码相机FinePixF75EXR(苏州富士胶片映像机器有限公司);LRH-Z型生化培养箱(广东省医疗器械厂);玻璃匀浆器(海门市华凯实验玻璃仪器有限公司)。
  1.2.2 试剂 丙烯酰胺、N,N’-甲叉双丙烯酰胺、Tris-甘氨酸以及染色液中各种试剂均购于试剂公司。
  1.3 试验方法
  1.3.1 样品液的制备 首先将活鱼鳃弓基部剪断于水体中放血,在低温条件下迅速解剖,取出脑、眼睛、心脏、肝脏、肾脏和肌肉6种组织,用冰冻去离子水冲洗以除去组织血污,用滤纸吸去多余水分,称重后按1∶3(m/V,g∶mL)的比例加入0.1 mol/L磷酸缓冲液(pH 7.0),并置于玻璃匀浆器中混匀(冰上操作),匀浆后于4 ℃冰箱内静置1 h后进行分离。将匀浆液装入离心管,按2∶1(体积比)加入氯仿,振荡混匀后4 ℃放置10 min,15 000 r/min,4 ℃离心30 min,取上清液按1∶1的体积比加入甘油,置-20℃冰箱中保存备用。
  1.3.2 不连续聚丙烯酰胺凝胶垂直板电泳 聚丙烯酰胺凝胶参照张庆朝等[13]的方法制备。按1∶1的比例混合酶液样品与指示剂(20%的蔗糖溶液加入适量的溴酚蓝),每个点样孔加样30~50 μL。电极缓冲液为pH 8.3的Tris-甘氨酸溶液。
  4 ℃条件下,恒压50 V预电泳30 min,经过预电泳后用微量进样器加样。浓缩胶电泳时电压为50 V,当样品完全进入分离胶后升高电压至200 V,直至溴酚蓝指示剂距分离胶底部1 cm时停止电泳,总电泳时间为3~4 h。
  1.3.3 染色和固定 电泳结束后将凝胶板取下,在37℃染色液中避光染色至谱带出现,乳酸脱氢酶的染色参照张庆朝等[13]的方法,苹果酸脱氢酶和酯酶的染色参照赵赣等[14,15]文中的经典染色法,略加修改。显色至出现清晰条带后,将凝胶板用去离子水漂洗2~3次,在7%的冰醋酸溶液中固定。
  1.3.4 照相和酶谱分析 对染色和固定好的凝胶板用富士数码相机进行拍照,依照熊全沫等[16,17]的方法分析和命名同工酶酶谱,以同工酶缩写名称的大写代表酶蛋白,小写代表编码的基因;从阴极向阳极方向依次以1、2、3…等命名一种酶的多个基因座位,而LDH以A、B、C命名。若该座位有1个以上等位基因时,各等位基因按英文字母顺序命名(a,b,c…)。
  2 结果与分析
  2.1 乳酸脱氢酶
  一般认为,LDH为 2个位点编码的四聚体酶,Ldh-a和Ldh-b基因编码了A和B两个亚基,再由这两个亚基随机组合成A4、A3B、A2B2、AB3、B4 5种同工酶。由图1可知,在中华倒刺�的6种组织中分离出5~9条LDH同工酶谱带,表明中华倒刺�LDH同工酶的丰富多样性并具有组织特异性。其中,6种组织都具有LDH的5条经典谱带,而其他的谱带是LDH同工酶复等位基因表达或者合成后酶亚基修饰的结果,这种化学修饰导致的LDH酶带多于典型的5条带在硬骨鱼类中普遍存在[18]。
  中华倒刺�各组织的A和B两位点均表达形成了5种四聚体酶,但其表达程度各不相同。其中,脑和心的LDH各同工酶相对表达活性类似,为Ldh-B4>Ldh-AB3>Ldh-A2B2>Ldh-A3B>Ldh-A4,但心脏组织中LDH同工酶的活性表达总体上要强于脑。眼睛为典型的5条谱带,Ldh-A2B2的活性最强。肝脏和肾脏中的LDH同工酶条带可达9条,其丰富性与它们行使复杂的生理功能相适应。肌肉组织中LDH各同工酶相对活性为Ldh-A4>Ldh-A3B>Ldh-A2B2>Ldh-B4>Ldh-AB3。
  在中华倒刺�肝脏组织的LDH酶带中出现了靠近阴极的特异性“C带”,即由Ldh-c基因编码的一条同聚体C4酶带。Markert等[19]通过对LDH基因演化的研究,认为Ldh-c基因是由Ldh-b基因复制而产生的,它在低等鱼类的各种组织中广泛存在,在高等鱼类中却特异性限制在某种组织内(眼睛或肝脏)。在C4酶带下方有2条浅带,可能是A、B位点的和C位点的杂合性表达。
  2.2 苹果酸脱氢酶
  硬骨鱼类的MDH同工酶存在有互相不形成异聚体的细胞质(s-MDH)和线粒体(m-MDH)两种类型,均是由2个基因位点(Mdh-C,-D和Mdh-A,-B)编码的二聚体[20]。中华倒刺�MDH同工酶酶谱中的条带数以及谱带的强弱不尽相同,所以该酶具有组织特异性。
  
  
  一般认为,s-MDH移动较快,m-MDH较慢。所以推测图中Mdh-1和Mdh-2为线粒体型,Mdh-3、Mdh-4和Mdh-5为细胞质型,且均由2个位点编码。中华倒刺�的s-MDH在6种组织中均有分布,在脑、眼睛、心脏、肝脏、肾脏中表现为典型的二聚体3条酶带,在肌肉中表现为2条酶带,其中肝中的MDH活性表达最强,肾次之,眼睛的活性最弱,Mdh-3表达不明显。m-MDH仅在肌肉组织中有所表达,编码形成2条酶带,即Mdh-1和Mdh-2。
  2.3 酯酶
  鱼类的EST同工酶绝大部分为单体,由一个亚基组成,一般有2个以上的等位基因编码,多态现象非常普遍,使其酶谱非常复杂[21]。中华倒刺�的6种组织中都有EST同工酶活性,但组织间的酶带在数量和活性上都存在着明显差异,显示出EST具有明显的组织特异性。
  
  
  根据同工酶酶谱可推测中华倒刺�的EST至少有Est-1、Est-2、Est-3、Est-4和Est-5 5 个基因位点编码,其中Est-2、Est-3、Est-4和Est-5均有多态性。Est-1在6种组织中均有表达,编码为1条酶带,在肝脏中活性表达最强,肾次之;Est-2在眼和肝中编码为2条酶带,脑、心脏、肾脏、肌肉中此位点表达为1条酶带,心和肌肉中表达较弱;Est-5仅在眼睛中表达,编码为2条酶带,眼中无Est-3、Est-4位点;肌肉中有Est-1、Est-2、Est-3位点,各编码1条酶带。
  3 讨论
  从试验结果来看,中华倒刺�LDH、MDH和EST在6种组织中位点表达模式、等位基因以及活性表达等方面的差异比较明显,这与硬骨鱼类同工酶具有组织特异性[18,23,24]的结论相符。中华倒刺�同工酶的组织特异性应该与其组织特定的生理功能相关,是机体在发育过程中组织分化并特异性执行各自功能以期在特定环境下适应生存条件的结果。
  3.1 乳酸脱氢酶(LDH)的组织特异性
  LDH同工酶电泳图谱的特征反映了基因的活动与调控,即反映了遗传表达的本质,中华倒刺�的LDH同工酶是由A、B、C 3个位点决定的,C位点具有组织的差异,仅在肝脏组织表达。一般认为脊椎动物LDH同工酶在胚胎发育和细胞分化中具有显著的分化调控模式,其表现出高度的发育和组织特异性[22]。中华倒刺�的LDH同工酶组织特异性明显,Ldh-A4在脑、心和肾脏组织中优势表达,Ldh-B4在肌肉组织中优势表达。
  作为特异基因产物的C带,显然是判别肝细胞的有效标志,不同的同工酶具有不同的性质,Ldh-c基因仅在肝脏组织中表达,这与肝脏具有旺盛的代谢功能是相适应的,因为Ldh-C4的底物范围比其他同工酶广泛的多,因而可为肝代谢提供充足的能源[23]。从试验结果可看出,中华倒刺�LDH同工酶组织特异性与各组织器官所处的生理条件和机能是相一致的。
  3.2 苹果酸脱氢酶(MDH)的组织特异性
  中华倒刺�的MDH同工酶也分细胞质型(s-MDH)和线粒体型(m-MDH),由不同的基因位点编码,其催化功能也不相同。MDH同工酶是三羧酸循环中重要的脱氢酶之一,三羧酸循环对于任何组织都起着重要的作用。MDH参与葡萄糖异生或糖酵解过程,m-MDH可以把苹果酸转为草酰乙酸而提供能量,而s-MDH同工酶则行使其逆反应,它使草酰乙酸还原成苹果酸,再成为丙酮酸进入线粒体,参与乙酰CoA的脂肪合成过程。这两类同工酶相互协调作用,以保证机体代谢的正常运行。中华倒刺�的脑、眼睛、心脏、肝脏、肾脏只表达了s-MDH而且谱带数量相同,但其活性不同,虽然存在着组织特异性差异但其差异不大,可能是由于这些组织对能量的需求差异不大所造成的。在肌肉中同时表达了s-MDH和m-MDH,这也与其代谢功能密切相关。
  3.3 酯酶(EST)的组织特异性
  EST同工酶在酯代谢和生物膜的结构方面发挥作用,属于水解类酶,是能催化酯类化合物水解并进入中间代谢的重要酶,其遗传基础和亚基组成尚无定论,一般为单链或二聚体[24]。由于EST是生命活动的基础代谢酶,在中华倒刺�的6种组织中均有表达,但从图谱中可以看出,在不同的组织间,EST同工酶具有明显的组织差异性,在肝脏和肾脏中表达较强。因为EST同工酶属于催化酯类化合物水解的酶系,可能与机体的解毒作用密切相关,这与肝脏具有解毒作用相适应。
  3.4 同工酶组织特异性产生的原因
  中华倒刺�同工酶的组织特异性主要表现在酶谱带数量和活性表达强弱这两个方面。同工酶的表达是机体在发育过程中内在基因调控机制造成的,其组织特异性的产生可能有多方面的原因。一方面可能是由于在不同组织中的基因位点不是同时表达,造成组织之间谱带数量的不同。另一方面可能是基因表达后受到不同因子的调控以配合各种组织执行不同生理功能,因而造成组织间同种同工酶在含量以及活性表达上的差异。不同组织同工酶的特异性与其代谢功能密切相关,如中华倒刺�的同工酶酶谱显示出Ldh-c基因在肝中特异表达,MDH和EST都是在肝中的活性表达最强,而肝脏作为一种重要的内脏器官,具有消化、分泌及解毒等多种功能,所以同工酶亦表现出复杂的多态性;在肌肉组织中,Ldh-B4优势表达,而且同时表达了s-MDH和m-MDH,这与肌肉作为机体一种重要的运动器官是相辅相成的。
  
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