不同发育时期小鼠乳腺组织基因表达谱分析及GPR110介导棕榈酸调节乳合成的功能验证

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近年来,泌乳生物学的研究热点是挖掘泌乳功能基因和揭示泌乳调控机制,以提高乳脂和乳蛋白的含量,但泌乳功能基因网络中许多成员的功能和作用机理仍不清楚。基因表达谱分析可以在转录组水平上寻找泌乳相关基因,因此可将转录组测序应用于泌乳功能基因的挖掘和泌乳调控机理的研究。G蛋白偶联受体作为细胞表面受体家族,可与配体结合,感知、传递外界信号,以调节细胞增殖、迁移及凋亡等生物学过程。一些外源刺激物能够引起乳腺上皮细胞产生应答并调节乳合成过程,但GPR110是否能够感知氨基酸和脂肪酸信号进而发挥对泌乳的调节作用尚无报道。因此,本研究利用转录组测序分析青春期、泌乳期和退化期小鼠乳腺组织基因表达谱,对差异表达基因(differentially expressed genes,DEGs)进行分析和筛选,并以小鼠乳腺上皮细胞HC11为研究材料对GPR110进行泌乳功能鉴定,这将为改善乳品质提供理论依据。为获得不同发育时期小鼠乳腺组织基因表达谱,本研究通过提取不同时期小鼠乳腺组织RNA,进行转录组测序,将鉴定到的DEGs与数据库Animal QTLdb进行比对分析,同时依据GO和KEGG富集分析、转录因子分析等,从中筛选到113个泌乳相关基因(65个基因泌乳期表达上调,48个基因泌乳期表达下调),其中包括7个GPCRs成员,分别为:GPR110、Lgr4、Gpr156、Lgr6、Adgre4、Adgrl3、Gpr141b。分析发现泌乳期高表达的基因与物质代谢和转运、发育、信号传递等活动相关,同时涉及脂肪细胞因子信号通路、代谢通路等,这与乳汁的分泌过程代谢活动旺盛相关。泌乳期表达下降的基因主要与机体免疫、物质分解等活动相关,同时涉及AMPK信号通路、PPAR信号通路、脂肪分解、肠道免疫等通路,这揭示泌乳期的乳腺组织可能进行更多的合成代谢而尽可能减少分解代谢用以分泌乳汁,相较于青春期的乳腺组织而言系统发育更为成熟且泌乳环境更为适宜。同时,相较于退化期乳腺易感染的情况,一些与炎症因子或者抗病相关基因表达水平相对较低。为验证RNA-seq结果的可靠性,从DEGs中选取10个GPCRs成员,利用q RT-PCR分析小鼠不同发育时期乳腺组织中10个基因的表达量差异,分析结果显示q RT-PCR结果与RNA-seq结果一致(相关系数R~2=0.9273),即RNA-seq分析结果可靠。为鉴定GPR110的泌乳功能,首先利用q RT-PCR和Western blotting分析发现泌乳期乳腺组织中GPR110的m RNA和蛋白表达水平均显著高于青春期和退化期(P<0.05),结果提示GPR110可能在泌乳期调节乳合成。利用si RNA干扰片段敲低HC11细胞中GPR110基因表达后,细胞乳蛋白合成、乳脂合成和细胞增殖能力显著降低(P<0.05),同时为哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,m TOR)磷酸化水平和固醇调节元件结合蛋白1(sterol regulatory element binding protein 1c,SREBP-1c)表达水平也显著降低(P<0.05),结果证明GPR110通过正向调节乳合成重要信号分子m TOR激活和SREBP-1c蛋白表达,促进HC11细胞乳合成和细胞增殖。为确定GPR110对外源活性物质的应答及其涉及的信号通路,本研究利用蛋氨酸(methionine,Met)处理HC11细胞,检测结果显示GPR110对Met不应答。利用(palmitic acid,PA)处理HC11细胞,检测结果显示PA能够促进GPR110表达及乳合成和细胞增殖,并发现PA处理使显著提高m TOR磷酸化水平和SREBP-1c蛋白表达量(P<0.05),推测PA可能通过GPR110-m TOR-SREBP-1c信号通路调控泌乳过程。并确定GPR110蛋白表达对PA处理具有剂量依赖性,最适处理浓度为120μM。为进一步确定GPR110是否介导PA对乳合成重要信号分子表达的调节,敲低GPR110同时添加PA,结果提示敲低GPR110能够阻断PA对乳合成相关的m TOR-SREBP-1c信号通路的调节作用。综上所述,GPR110可以介导PA信号通过m TOR-SREBP-1c信号通路调控乳腺上皮细胞乳合成过程。
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