黄河鲤性别决定时间和相关基因表达研究

贾永芳, 张弯弯, 张瑞华, 梁婷婷, 杜启艳, 常重杰

贾永芳, 张弯弯, 张瑞华, 梁婷婷, 杜启艳, 常重杰. 黄河鲤性别决定时间和相关基因表达研究[J]. 水生生物学报, 2016, 40(6): 1121-1127. DOI: 10.7541/2016.145
引用本文: 贾永芳, 张弯弯, 张瑞华, 梁婷婷, 杜启艳, 常重杰. 黄河鲤性别决定时间和相关基因表达研究[J]. 水生生物学报, 2016, 40(6): 1121-1127. DOI: 10.7541/2016.145
TIMING OF SEX DETERMINATION AND EXPRESSION ANALYSIS OF GENES IN YELLOW RIVER CARP (CYPRINUS CARPIO VAR.)[J]. ACTA HYDROBIOLOGICA SINICA, 2016, 40(6): 1121-1127. DOI: 10.7541/2016.145
Citation: TIMING OF SEX DETERMINATION AND EXPRESSION ANALYSIS OF GENES IN YELLOW RIVER CARP (CYPRINUS CARPIO VAR.)[J]. ACTA HYDROBIOLOGICA SINICA, 2016, 40(6): 1121-1127. DOI: 10.7541/2016.145

黄河鲤性别决定时间和相关基因表达研究

基金项目: 

河南省教育厅自然科学研究项目 No. 14A180031

国家自然科学基金项目 No. 31200923 and U1204329

河南省科技厅科技攻关项目 No. 142102310045

河南省科技厅基础与前沿技术项目 No. 142300410164

详细信息
  • 中图分类号: Q344+.2

TIMING OF SEX DETERMINATION AND EXPRESSION ANALYSIS OF GENES IN YELLOW RIVER CARP (CYPRINUS CARPIO VAR.)

Funds: 

Natural Science Project of the Education Department of Henan Province No. 14A180031

the National Natural Science Foundation of China No. 31200923 and U1204329

Key Scientific and Technological Project of Henan Province No. 142102310045

Henan Scientific and Technological Research Projects No. 142300410164

  • 摘要: 鱼类性别决定和分化机制极为复杂,通过性腺组织切片鉴定得出黄河鲤从未分化性腺发育为Ⅱ期精巢、卵巢的时间为受精后第40天到第80天。选取一些可能参与黄河鲤性别决定分化相关的基因(amh、ar、cyp19a、cyp19bdax1、dmrt1、erfoxl2、nobox、sox9a、sox9bzp2)进行实时荧光定量PCR分析各个基因在受精后40d、45d、50d、55d、65d和80d的表达情况。结果显示性别决定相关基因在50d都有高表达,推测45-50 d为性别决定的关键时间。ar、amhdax1、dmrt1、sox9a、sox9b六个基因在80d雄性表达量升高,且雄性明显高于雌性,推测这些基因参与精巢分化发育过程。cyp19a、cyp19bfoxl2、noboxzp2五个基因在80d雌性表达升高,且高于雄性,推测其可能参与卵巢分化发育。
    Abstract: The mechanisms of fish sex determination and differentiation are complex. The current study investigated the morphology and the expression of genes related to sex determination differentiation during development of Yellow River carp. Tissue sections of gonad of Yellow River carp indicated that the time of gonad derived from undifferentiated to stage Ⅱ of testis or ovary were from 40 to 80 dpf (days post-fertilization). The results showed that sex determination related genes (amh, ar, cyp19a, cyp19b, dax1, dmrt1, er, foxl2, nobox, sox9a, sox9b and zp2) highly expressed at 50d, especially at 45-50 dpf. The expression of ar, amh, dax1, dmrt1, sox9a, sox9b increased at 80 dpf in males, which were significantly higher than those in females, suggesting that these genes might mediate male sexual differentiation. The expression of cyp19a, cyp19b, foxl2, nobox, zp2 increased at 80d in females, which were higher than those in males, suggesting that they might regulate female sex differentiation.
  • 性别发育包括性别决定和性别分化,由性别决定机制触发并调节性别分化基因的表达,形成一个复杂的遗传网络,最终成为雄性或雌性表型[1]。目前,对鱼类性别决定和分化机制的认识已经进入基因水平,鱼类基因组中的性别决定与分化相关基因多数通过同源克隆方法获得,随后进行功能研究和验证[2]。在脊椎动物中,位于Y染色体的sry基因成为哺乳动物雄性决定启动基因[3],在哺乳动物中已报道众多性别决定基因,包括Sox9 (Sry-related high mobility group-box gene)、Dax1 (Dosage sensitive sex reversal in Adrenal Hypoplasia Congenita critical region on X chromosome)、CYP19 (Cytochrome P450 aromatase)、Dmrt1 (Double-sex and mab-3 related transcription factor) 和Amh (Anti-Mullerian hormone)等,他们在多种脊椎动物中也已经被克隆获得[4, 5],如硬骨鱼青鳉中DMY基因[6]、虹鳟中SDY基因[7]、银汉鱼中Amhy基因等[8]。鱼类性别决定机制复杂多样,各自的性别决定机制和性别决定基因不尽相同。另外一些性别分化相关基因呈现出精巢或者卵巢的特异性表达,如ar (Androgen receptor)和er (Estradiol receptor)在鸡睾丸中高度表达[9],foxl2 (Forkhead box L2)已被证明是雌性发育过程中的一个关键因子,是目前发现的脊椎动物卵巢决定和分化的一个标志性启动基因 [10],nobox (Newborn ovary homeobox gene)在生殖细胞特异性表达,是有关早期卵子发生的关键性转录调控因子[11],zp2 (Zona pellucida)则在小鼠不同阶段卵泡颗粒层细胞特异表达,与卵巢发育相关[12]。多数性别决定基因是指在性腺发育初期表达情况有明显波动,表达量较高,之后呈直接降低模式或者在幼鱼时期有所保持,基因表达波动的时间点也标志着性腺初始发育的时间点[13],如青鳉中dmy/dmrt1bY基因[14]; 性别分化基因则指在性腺发育初期有所表达,随着精巢或者卵巢的分化表达量出现高峰直到发育成熟 [13],如罗非鱼和中华鳖中dmrt1基因[15-17]

    黄河鲤(Cyprinus carpio var.),原产于黄河水域,是我国北方的主要淡水养殖品种[18],也是河南的特色鲤,其性别决定机制尚不清楚。目前鱼类性别决定的研究主要集中在单个基因的克隆及表达模式分析[19],斑马鱼中已开展了多个性别相关基因的表达分析[20],但借助基因的表达差异对性别决定时间进行推测报道较少[13],本文结合目前的研究进展,通过分析性别决定相关基因在黄河鲤性腺不同发育时间的表达差异,对黄河鲤性别决定时间、雌雄分化基因进行推测,为深入了解黄河鲤性别决定和分化的分子调控机制提供参考资料。

    所用黄河鲤幼鱼取自河南师范大学生命科学学院水产养殖场。挑选体质健康,无伤,无病,发育成熟的3龄黄河鲤,经过人工催产,授精得到受精卵饲养成幼鱼,用水为充分曝气的自来水,试验期间水温20-25℃,pH 6.5-7.5,溶氧量5.5-6.5 mg/L。分别在40、45、50、55、65和80d从黄河鲤中挑选健康活泼和体表无损的个体各15条。

    在无菌条件下,借助体视显微镜(OLYMPUS SZ61)从黄河鲤幼鱼取出鲤性腺组织,4%多聚甲醛固定后储存在70%的酒精中,乙醇脱水,石蜡包埋,苏木精-伊红(HE)染色。在光学显微镜下(OLYMPUS BX51)观察,记录和分析。

    在无菌条件下,幼鱼借助体视显微镜(OLYMPUS SZ61)取出鲤性腺组织,40-65d未能区分鲤性别故随机取材,80d时依据组织切片区分雌雄分别取材,每一个发育时间点取3组重复,每组5条仔鱼。取出组织后在液氮中快速研磨以及RNAiso reagent (TaKaRa,Japan)试剂盒抽提总RNA,取1 μg总RNA使用Primer Script Reverse Transcriptase (TaKaRa,Japan)试剂盒反转录合成cDNA。

    根据黄河鲤amharcyp19acyp19bdax1、dmrt1、erfoxl2、noboxsox9asox9bzp2 基因的序列设计特异性引物(表 1),目标片段为120-300 bp,并通过RT-PCR扩增测序检查引物的特异性,PCR扩增程序如下: 94℃,3min; 94℃,30s; 55℃,30s; 72℃,1min共进行35个循环,72℃,5min延伸。得到目的条带单一明亮,测序结果和预期一致。

    表  1  实时荧光定量PCR所用基因的特异性引物
    Table  1.  Primers used for real-time PCR
    基因Gene 引物序列Primer sequence (5′-3′) 片段大小Product size (bp) 注册号Accession
    amh CAGAAGGAGAGGACGAGGAA 207 KU168255
    GCTCTGAAGCCGACACTGAC
    ar CCTGCCTAATCTGCTCTG 130 KU168254
    TCATCTGTCCAATCTTCCTC
    cyp19a TCTCTTATGCTTCCTGTGAA 120 EU375455
    ACTTACTGCGGTGTATTGT
    cyp19b TGTCCTGAGTGGTCTGTGAACT 129 EU499382
    CGGGTCTCCAGAAATCGGTAGA
    dax1 GGTGGCCGGTCTCTTCTTCAAAC 105 KF703999
    CCATTCACTGCAAACTGCC
    dmrt1 TTCGTGTCACCGCTGAAG 310 DQ241767
    GCTCTGAGATGATGGTAACG
    er TGGATAGGAGTGAAGGAGAA 109 AB334722
    TGGACTGGAGCAGAATGA
    foxl2 GCCTATGTCCTATACCTCCTGTC 211 KP764768
    CTCATGCCGTTGTAAGTGTTCA
    nobox TACGATGGTCCATGTCCTCT 113 KU168253
    CTCTTGAACTCCTGTGACTCCT
    sox9a GGAAGCTCGCGGATCAATAC 117 AY205252
    TGATCTTTCTTGTGCTGAACC
    sox9b CAGTATCCACACCTGCACAA 126 AY205251
    CTCGGCCTCCTCCACAAAT
    zp2 AGATGCAGAAGCCAGTTCAA 249 Z72493
    CCAGCAGTTTCAGAAGCCA
    40S CCGTGGGTGACATCGTTACA 101 AB012087
    TCAGGACATTGAACCTCACTGTCT
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    在实时PCR检测系统(LightCycler96®,Roche)进行实时荧光定量PCR,以40、45、50、55、65和80d的黄河鲤性腺cDNA为模板,通过对持家基因稳定性比对分析选出40S(40S ribosomal protein S11)为内参基因,反应体系20 μL。每个实验运行一式三份,其中包括内参基因和一个阴性对照RNA。实时荧光定量PCR 反应条件如下: 95℃变性10min,进行如下40个循环: 95℃变性15s,60℃退火1min。之后温度以0.2s的速度从65℃到95℃逐渐升高,形成溶解曲线。

    记录下仪器 (LightCycler96®,Roche) 自动给出的每个样本的Ct 值,通过2–ΔΔCt方法对数据进行处理,用 SPSS16.0软件进行单因素方差分析(One-Way ANOVA),P<0.05 则认为差异达到显著水平,P<0.01 则认为差异达到极显著水平。使用SigmaPlot 10.0作图。

    黄河鲤性腺组织切片如图 1所示,40d性腺中包含未分化性腺标志性的原始生殖细胞,其为椭圆形,细胞核偏大嗜酸,周围环绕着一层体细胞,体细胞呈梭形,即此时处于未分化性腺时期。80d性腺在组织学上出现明显的分化,雌性性腺呈现Ⅱ期卵巢特征,出现卵巢板,内含有圆形较大的初级卵母细胞,细胞质与细胞核比例相当,核膜的内壁有核仁。雄性性腺则呈现Ⅱ期精巢特征,其中大量的精原细胞存在于精巢中,呈圆形小颗粒状,胞质弱嗜酸性,体细胞包围在精原细胞周围,有些形成精原细胞索。少数嗜碱性颗粒状的初级精母细胞已经产生,体积较小,嗜碱性(图 1)。

    图  1  黄河鲤早期性腺发育形态特征
    a.未分化的性腺; b. 卵巢Ⅱ期;c. 精巢Ⅱ期;PGC. 原始生殖细胞;PO. 初级卵母细胞;PSC. 初级精母细胞
    Figure  1.  The morphology of early gonad development in Yellow River carp
    a. undifferentiated gonad; b. Stage II; c. Stage II; PGCs. primordial germ cells; PO. primary oocytes; PSC. primary spermatocytes

    12个性别决定相关基因中共有10个基因在50d表达量出现升高,后又降低(图 2图 3)。其中,aramhercyp19a从第45天开始有升高趋势,50d继续升高; dmrt1、zp2、foxl2在50d表现出微弱的升高; dax1和sox9a在50d时急剧升高; 而sox9b在第45天就出现表达高峰,在50d有所下降。组织学上,40d性腺处于未分化时期,遗传学上,在45-50d性别决定相关基因表达出现剧烈波动,其中10个基因在50d都有高表达。

    图  2  amhardax1、dmrt1、ersox9asox9b基因在黄河鲤不同发育时期的表达情况
    “*”表示与40d该基因表达量相比差异显著 (P < 0.05);“**”表示与40d该基因表达量相比差异极显著(P < 0.01);下同
    Figure  2.  The mRNA expression of amh, ar, dax1, dmrt1, er, sox9a and sox9b during different stages of embryogenesis of Yellow River Carp
    “*”, P < 0.05 compared with 40d;“**”, P < 0.01 compared with 40d; the same applies below
    图  3  cyp19acyp19bfoxl2、noboxzp2基因在黄河鲤不同发育时期的表达情况
    Figure  3.  The mRNA expression of cyp19a, cyp19b, foxl2, nobox and zp2 during different stages of embryogenesis of Yellow River Carp

    aramhdax1、dmrt1、ersox9asox9b七个基因在80d雄性性腺中表达量升高(图 2)。其中ar在65d表达量出现波动,但在80d雌雄之间出现明显表达差异,er在80d雌雄差异不明显; dax1、sox9asox9b表达模式相似,均为自55d表达下降后表达趋于平稳,在80d雄性开始升高,雄性中表达量高于雌性; dmrt1在80d雄性中表达量剧增,和80d雌性相比达到极显著差异; amh在80d雄性中表达也迅速升高。

    cyp19acyp19bfoxl2、noboxzp2五个基因在80d雌性性腺中表达量升高,且高于雄性(图 3)。cyp19a 表达量在65d开始逐渐升高,在80d雌性中表达量达到高峰,且明显高于80d雄性; cyp19bfoxl2、noboxzp2同样地在65d表达量开始升高,直至80d时雌性与雄性相比差异达到极显著。由此可以推测cyp19acyp19bfoxl2、noboxzp2可能参与雌性性别分化发育。

    在幼鱼发育过程中,可以通过检测性别决定相关基因在性腺中的表达以期推测性别决定和分化的时间。在尼罗罗非鱼中,性腺发育相关基因的表达得到了研究[21, 22]。伯氏妊丽鱼因为体型较小难以单独分离性腺,则以整个躯干作为检测目标,以确保内含性腺,分析了23个候选基因的表达差异,得出wnt4Bwt1A为其早期性腺标记基因[14]。本文通过组织学观察初步确定黄河鲤从未分化性腺发育为精巢和卵巢的时间段,继而评估多个性别分化相关基因的表达水平。

    通过组织学切片观察发现黄河鲤40d性腺为未分化性腺,在50d时性别决定相关基因表达量出现明显波动,其中一些基因从45d即有升高的趋势,说明在受精后45-50d可能是黄河鲤性别决定的关键时间。而斑马鱼性成熟一般需3个月,但是性别分化的时间大约在受精后21-23d[23],尼罗罗非鱼则在受精后22-24周达到性成熟,其胚胎发育为卵巢或者精巢的关键时间在9-15d[16, 24],伯氏妊丽鱼性成熟时间为受精后13-14周,在11-12d时为性别分化关键时间[14],众多差异主要是因为鱼类的性别决定机制复杂多变,不同的硬骨鱼体重、体长和生长周期各不相同,而且没有一个普遍的模式,性别发育也主要以遗传因素为基础,受到环境和自身内分泌调节的影响[25]。黄河鲤三年达到性成熟,根据本实验相关基因表达情况推测其性别决定的关键时间可能是受精后45-50d。

    80d黄河鲤性腺切片观察可明显区分雌雄差异,雌性性腺发育为体积较大的初级卵母细胞,雄性为颗粒微小的初级精母细胞。同时,对性别决定相关基因的表达定量发现amhardax1、dmrt1、sox9asox9b基因在80d黄河鲤雄性性腺中表达有显著的升高,而er未表现出明显的雌雄差异。其中ar为雄激素受体基因; 杜启艳等人通过半定量发现鲤sox9基因在脑和精巢中表达最为丰富[19]; dmrt1在斑马鱼幼苗的性别决定和性别分化中有重要的功能,可以作为雄鱼的胚胎期指示基因[26],dmrt1也是胡子鲇精巢特异性表达基因,已证明可能与胡子鲇的雄性性别决定、精子发生及精巢发育密切相关[27]。另外,amh是银汉鱼中候选的性别决定关键基因[8],在罗非鱼中研究发现amh在雄性幼鱼、成鱼中表达量显著高于雌鱼,雄性幼鱼amh表达量是成鱼的10倍[28]aramhdax1、dmrt1、sox9asox9b基因在多种鱼类中发现与精巢发育相关,在80d雄性黄河鲤中表达量显著高于雌鱼,推测这些基因参与黄河鲤雄性性别分化发育过程。

    cyp19acyp19bfoxl2、noboxzp2基因在80d黄河鲤雌性性腺表达中有显著的升高。在斑马鱼中,cyp19a基因在胚胎期表达水平较低,差异不显著; cyp19b基因在16-24d性别分化的关键时期,表达量迅速升高,对维持雌性的发育方向具有重要作用[20]; 在黄河鲤中,cyp19a的表达模式与斑马鱼相似,在55-80d表达量有波动,雌性表达高于雄性,但是差异不显著,cyp19b则呈现雌性表达量显著高于雄性,类似斑马鱼。另外小鼠zp2基因在小鼠卵泡颗粒细胞层以及卵母细胞特异表达[12]; foxl2在青鳉也被报道与卵巢发育相关,分布在卵巢膜细胞[29]。5个基因在其他鱼类中均表现出与卵巢发育相关,且在黄河鲤雌性个体表达量高于雄性,特别是cyp19bfoxl2、noboxzp2基因,雌雄相比表达量差异显著,推测这些基因可能参与雌性性别分化发育。

    据本次实验结果分析黄河鲤性别决定的关键时间为受精后45-50d。aramhdax1、dmrt1、sox9asox9b六个基因可能参与黄河鲤雄性性别分化发育过程,cyp19acyp19bfoxl2、noboxzp2五个基因可能参与其雌性性别分化发育。鱼类性别决定和分化多样而复杂,这一研究将为黄河鲤性别决定机制和发育进程提供基础信息,扩大对鱼类性别决定和分化的了解。

  • 图  1   黄河鲤早期性腺发育形态特征

    a.未分化的性腺; b. 卵巢Ⅱ期;c. 精巢Ⅱ期;PGC. 原始生殖细胞;PO. 初级卵母细胞;PSC. 初级精母细胞

    Figure  1.   The morphology of early gonad development in Yellow River carp

    a. undifferentiated gonad; b. Stage II; c. Stage II; PGCs. primordial germ cells; PO. primary oocytes; PSC. primary spermatocytes

    图  2   amhardax1、dmrt1、ersox9asox9b基因在黄河鲤不同发育时期的表达情况

    “*”表示与40d该基因表达量相比差异显著 (P < 0.05);“**”表示与40d该基因表达量相比差异极显著(P < 0.01);下同

    Figure  2.   The mRNA expression of amh, ar, dax1, dmrt1, er, sox9a and sox9b during different stages of embryogenesis of Yellow River Carp

    “*”, P < 0.05 compared with 40d;“**”, P < 0.01 compared with 40d; the same applies below

    图  3   cyp19acyp19bfoxl2、noboxzp2基因在黄河鲤不同发育时期的表达情况

    Figure  3.   The mRNA expression of cyp19a, cyp19b, foxl2, nobox and zp2 during different stages of embryogenesis of Yellow River Carp

    表  1   实时荧光定量PCR所用基因的特异性引物

    Table  1   Primers used for real-time PCR

    基因Gene 引物序列Primer sequence (5′-3′) 片段大小Product size (bp) 注册号Accession
    amh CAGAAGGAGAGGACGAGGAA 207 KU168255
    GCTCTGAAGCCGACACTGAC
    ar CCTGCCTAATCTGCTCTG 130 KU168254
    TCATCTGTCCAATCTTCCTC
    cyp19a TCTCTTATGCTTCCTGTGAA 120 EU375455
    ACTTACTGCGGTGTATTGT
    cyp19b TGTCCTGAGTGGTCTGTGAACT 129 EU499382
    CGGGTCTCCAGAAATCGGTAGA
    dax1 GGTGGCCGGTCTCTTCTTCAAAC 105 KF703999
    CCATTCACTGCAAACTGCC
    dmrt1 TTCGTGTCACCGCTGAAG 310 DQ241767
    GCTCTGAGATGATGGTAACG
    er TGGATAGGAGTGAAGGAGAA 109 AB334722
    TGGACTGGAGCAGAATGA
    foxl2 GCCTATGTCCTATACCTCCTGTC 211 KP764768
    CTCATGCCGTTGTAAGTGTTCA
    nobox TACGATGGTCCATGTCCTCT 113 KU168253
    CTCTTGAACTCCTGTGACTCCT
    sox9a GGAAGCTCGCGGATCAATAC 117 AY205252
    TGATCTTTCTTGTGCTGAACC
    sox9b CAGTATCCACACCTGCACAA 126 AY205251
    CTCGGCCTCCTCCACAAAT
    zp2 AGATGCAGAAGCCAGTTCAA 249 Z72493
    CCAGCAGTTTCAGAAGCCA
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出版历程
  • 收稿日期:  2015-10-06
  • 修回日期:  2016-01-23
  • 发布日期:  2016-10-31

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