中华绒螯蟹生精细胞中OPA1的分布特征及DRP1功能的初步研究

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视神经萎缩蛋白1(Optic atrophy 1,OPA1)和发动蛋白相关蛋白1(Dynamin-related protein 1,DRP1)是一类具有鸟苷三磷酸酶(GTPase)活性的发动蛋白(Dynamin)超家族成员。Dynamin超家族蛋白成员在细胞内吞、膜泡运输、膜分裂融合等过程中发挥关键作用。哺乳动物中,OPA1是核基因编码的线粒体蛋白,靶向线粒体内膜,于线粒体膜间隙发挥作用。DRP1主要存在于细胞质中;当线粒体发生分裂时,DRP1被招募到线粒体表面,参与线粒体分裂。中华绒螯蟹(Eriocheir sinensis)隶属节肢动物门(Arthropod)、甲壳纲(Crustacea)、十足目(Decapoda)、方蟹科(Grapsidae),绒螯蟹属(Eriocheir),是我国具有经济价值的蟹类养殖品种之一。本研究通过追踪线粒体蛋白OPA1在中华绒螯蟹各级生精细胞以及成熟精子中的分布状态,分析中华绒螯蟹精子发生过程中线粒体的变化;同时,分析DRP1在生殖细胞中的分布及功能,为中华绒螯蟹精子发生过程中线粒体分裂相关研究奠定基础。为了研究中华绒螯蟹精子发生过程中线粒体的变化,本研究利用原核表达的线粒体蛋白OPA1(选取的是OPA1的GTPase结构域)制备多克隆抗体Pc Ab-OPA1(Polyclonal antibody-OPA1)。免疫荧光结果显示,精原细胞,OPA1集中分布于一极,说明线粒体主要存在于细胞的一侧;精母细胞中,OPA1以散点状分布于胞质中,线粒体由集中分布变为在细胞质中随机分布;精细胞时期细胞开始变形,细胞质逐渐聚集于细胞一侧,OPA1定位发现线粒体存在于胞质中,但在前顶体囊中也有OPA1的存在;成熟精子中,OPA1定位在核杯内侧和顶体管中,结合免疫电镜结果,发现线粒体以无嵴的非典型形态存在于精子核杯杯口内侧,并且顶体管中存在OPA1蛋白。因此,在中华绒螯蟹精细胞变形成为精子的过程中,线粒体蛋白OPA1不仅参与了线粒体的重塑,也参与了精子顶体的形成。此外,通过免疫印迹分析,发现中华绒螯蟹成熟精子中的OPA1为S-OPA1(被切割的OPA1),而非L-OPA1(完整的OPA1),这可能是精子线粒体无嵴的原因。为了分析DRP1蛋白在中华绒螯蟹生精细胞中的分布及功能,首先,利用原核表达的DRP1(选取的是DRP1的GTPase结构域)制备多克隆抗体Pc Ab-DRP1(Polyclonal antibody-DRP1)。免疫荧光结果显示,精原细胞、精母细胞,DRP1以散点状分布于胞质中;精细胞,DRP1则主要聚集于前顶体囊泡上;成熟精子中,DRP1蛋白集中存在于顶体管基部及核杯内侧。其次,利用RNA干扰(RNA interference,RNAi)技术,采取si RNA活体注射,干扰DRP1基因的表达。RNAi后,利用免疫荧光技术,借助OPA1标记线粒体,结果发现敲低DRP1基因的表达后,中华绒螯蟹精原、精母细胞中线粒体形态变长,证明DRP1在精原细胞、精母细胞中与线粒体分裂功能相关。利用免疫共沉淀技术,结合质谱(LC-MS/MS)分析,获得了5种可能与DRP1存在相互作用的蛋白。其中Actin与DRP1的相互作用已有文献报道,在线粒体分裂过程中,肌动蛋白丝在线粒体上快速组装,其可以通过直接结合将DRP1招募到分裂位点。其余4种蛋白的功能以及与DRP1的相互作用有待进一步研究证实。综上所述,本研究通过分析线粒体蛋白OPA1在中华绒螯蟹精子发生过程中的分布特征,初步了解线粒体在生精细胞中的变化;成熟精子中的线粒体无嵴,与OPA1不同的存在形式(S-OPA1)有关;精细胞变形成为精子的过程中,OPA1不仅存在于线粒体,也于前顶体囊或顶体中存在,OPA1蛋白可能与精子顶体形成相关。DRP1在精原、精母细胞中调控线粒体的分裂;获得了包括Actin在内的5种可能与DRP1存在相互作用的蛋白,与DRP1的功能发挥相关。
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