奶山羊注射5-HTP的全转录组测序分析及ATF3基因在乳腺上皮细胞中的功能验证

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围产期奶山羊由于胎儿生长、产道收缩和形成初乳需要消耗大量钙离子,因此血液中钙离子浓度迅速降低,使围产期的奶山羊极易发生低血钙症,进而引发产后瘫痪、乳腺炎、酮病、胎衣不下等疾病。5-羟色胺(5-hydorxytyrptamine,5-HT)可以动员骨骼中的钙释放到血液中,进而平衡围产期奶山羊体内的钙稳态。乳腺上皮细胞的钙代谢和凋亡对奶山羊的泌乳性能有至关重要的影响,但5-HT调控山羊乳腺上皮细胞钙代谢和凋亡的分子机制尚不明确。本研究通过给围产期奶山羊注射5-羟色氨酸(5-HTP,5-hydroxytryptophan),提高奶山羊体内的5-HT浓度,对分娩当天的血液进行全转录组测序分析,筛选出受5-HT浓度正调控并且与钙代谢和细胞凋亡相关的基因,并在山羊乳腺上皮细胞中进行功能验证,研究获得主要结果如下:1.围产期注射5-HTP奶山羊的血液全转录组分析通过在预产期前7天每天给奶山羊按体重(0.8 mg/kg)静脉注射5-HTP(处理组)或生理盐水(对照组),采集分娩当天血液样本进行全转录组测序分析,筛选到受5-HT调控的差异表达的基因999个、LncRNA 967个、Circ RNA 95个、micro RNA 87个。通过功能注释和富集分析发现这些差异表达基因和转录本主要影响钙代谢、脂代谢、免疫反应、细胞增殖和细胞凋亡等生理过程。根据竞争内源性RNA(Competition Endogeno us RNA,ce RNA)作用机制,利用Cytoscape3.6.1构建了LncRNA/Circ RNA-micro RNAm RNA调控网络,并对网络中的差异表达基因作富集分析,结果发现有3个与钙代谢相关的基因,分别是Toll样受体9(Toll Like Receptor 9,TLR9)、缝隙连接蛋白γ2(Ga p Junction Protein Gamma 2,GJC2)和连接素1(Junctophilin1,JPH1)。具体的调控关系为LncRNA MSTRG.101405.3和MSTRG.63774.3都可以分别与JPH1和GJC2竞争性地结合micro RNA NC_030814.1_19917,进而调控JPH1和GJC2的表达,LncRNA MST RG.1354.2可以TLR9竞争性地结合micro RNA NC_030825.1_46027,进而调控TLR9的表达。2.ATF3对山羊乳腺上皮细胞钙离子浓度和细胞凋亡的影响研究围产期注射5-HTP奶山羊的血液转录组分析得到受5-HT调控的差异表达基因999个,结合分析GEO数据库中注射5-HTP的小鼠乳腺转录组测序数据,筛选出受5-HT浓度正调控的ATF3基因,并在山羊乳腺上皮细胞中对其功能进行验证。用5-HTP处理山羊乳腺上皮细胞后,RT-q PCR检测ATF3和钙代谢相关基因的表达变化,荧光染料检测细胞内钙离子浓度变化。结果发现5-HTP处理山羊乳腺上皮细胞后ATF3的表达量升高(p<0.001),这与小鼠和山羊的转录组测序分析结果一致。5-HTP处理山羊乳腺上皮细胞后细胞内的钙离子浓度降低(p<0.05),细胞内与钙代谢相关的基因表达也发生变化,其中SPCA1的表达升高(p<0.001),SPCA2和SERCA2的表达降低(p<0.001)。山羊乳腺上皮细胞中过表达/干扰ATF3后,检测细胞内钙离子浓度变化和凋亡情况,发现ATF3可以降低细胞内的钙离子浓度,并促进山羊乳腺上皮细胞凋亡。以上研究表明,奶山羊产前注射5-HTP使体内血液中5-HT浓度升高,分娩当天血液全转录组测序分析发现5-HT主要影响钙代谢、脂代谢、细胞增殖、细胞凋亡、免疫反应等生理过程。在ce RNA调控网络中发现TLR9、GJC2和JPH1基因与钙代谢相关,在离体培养的山羊乳腺上皮细胞中,5-HT可通过促进ATF3的表达降低细胞内的钙离子浓度,并促进山羊乳腺上皮细胞凋亡。
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