CKM基因对鸡成肌细胞增殖与分化的生物学效应分析

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近年来,骨骼肌生长发育的研究一直被视为畜牧业动物育种改良的切入点和突破口。作为肉类生产动物中具有重要经济意义的组织,骨骼肌的适当发育与其肉类产量的增加呈正相关,而产肉性状一直是鸡遗传育种研究领域的热点。研究表明,肌肉特异性肌酸激酶CKM(LOC1 07051134 cretaine kinase M-type-like)位于鸡5号染色体,与细胞内能量转运、肌肉收缩、ATP再生有直接关系。CKM在骨骼肌中最丰富,骨骼肌中CK-M的丰度意味着它是运动期间能量调节最重要的CK亚型,在细胞能量稳态中的作用导致其成为重要的候选基因。因此CKM基因对骨骼肌的生长发育起着极其重要的作用,但其在鸡骨骼肌发育过程中的作用尚不清楚。因此,为探究CKM在鸡中是否存在同样的功能,本研究主要以爱拨益加肉鸡(AA)为研究对象,首先利用RACE克隆CKM基因序列全长,然后探究CKM基因在鸡不同组织不同时期中的表达;在细胞水平上通过体外分离培养鸡原代成肌细胞并诱导分化,利用过表达和RNA干扰技术,分析CKM基因对鸡成肌细胞增殖凋亡和分化的影响;最后通过转录组测序识别在干扰CKM后成肌细胞中差异表达的基因,并对差异表达基因进行KEGG和GO分析,进一步探究了 CKM基因在鸡生长发育过程中对骨骼肌发育的影响。本研究的主要结果如下:试验一:鸡肌肉组织特异性高表达CKM基因的表达特征研究通过对鸡不同组织表达数据的整合分析,挖掘出在鸡肌肉组织中呈现特异性高表达的基因CKM(LOC107051134,creatine kinase M-type-like),利用RACE技术获得了CKM基因的全长序列共1321bp,包含395bp的5’UTR、1146bp的CDS区,可编码38个氨基酸残基,674bp的3’UTR;设计特异性引物并验证,利用实时荧光定量PCR(RT-qPCR)检测发现CKM基因在1WAA鸡在肌肉组织中呈现特异性表达,且在腿肌中的表达量最高;在胸肌腿肌的胚胎期(E10,E12,E14,E16,E18)呈上升趋势,出雏后(1W,3W)呈现下降趋势;其中在E16时期表达量最高。试验二:CKM基因对调控鸡成肌细胞增殖凋亡功能的研究体外分离鸡原代成肌细胞并验证,构建过表达CKM载体,合成干扰效率高且能特异靶向CKM基因的小RNA干扰片段。过表达CKM后,CCK8结果显示随时间推移CKM组显著低于过表达对照组(P<0.05)。EDU结果显示,过表达CKM组的细胞数量明显低于对照组。流式检测细胞增殖结果显示,与对照组相比,处于G1期的细胞比例上调,处于S期细胞下调;流式检测凋亡结果显示过表达CKM后凋亡的细胞极显著上调(P<0.01);实时荧光定量PCR结果显示,CCNB2、CCND1、PCNA基因表达显著下调(P<0.05),P21、Caspase3基因表达量极显著上调(P<0.01),Caspase9的表达量显著上调(P<0.05);干扰后观察到与过表达相反的结果。试验三:CKM基因对调控鸡成肌细胞分化功能的研究分离鸡原代成肌细胞并诱导分化;实时荧光定量PCR检测细胞增长至50%、100%、分化后1、2、3、4、5、7天的mRNA表达量变化水平,结果显示,CKM和MyKc基因整体表达趋势一致,在分化1天时表达量达最低之后呈现上升的趋势,其中CKM基因在分化4天时达到高峰,MyHc基因在分化3天时呈现高峰;过表达CKM基因后,RT-qPCR检测结果显示,MYOD、MYOG、MyHc呈现极显著升高(P<0.01);Desmin免疫荧光结果显示过表达CKM处理后诱导成肌细胞向肌管分化的数量明显增加,且形成的肌束较为明显;Western Blot检测结果显示,过表达后CKM和MyHc蛋白表达水平也显著上升。干扰后观察到与过表达相反的结果。试验四:转录组测序验证CKM对成肌细胞发育的影响通过对干扰CKM基因的鸡成肌细胞进行了转录组测序,结果显示,共获得39.08Gb Clean Data,筛选获得 438 个差异表达基因(differentially expressedgenes,DEGs),其中有81个上调,357个下调;RT-qPCR对转录组测序结果进行验证,结果表明mRNA相对表达量变化与测序结果保持一致;本研究筛选出调控成肌细胞发育并与肌肉生长相关的显著差异表达的基因 CAPN3、PDK4、RBM24、SMYD1、KLHL41、KLHL40、STAC3、FAM65B、LMOD3、ANKRD1、EGF、CAMK2A;GO富集分析发现,差异基因主要富集在心脏肌原纤维、肌原纤维、磷酸肌酸生物合成过程,骨骼肌纤维发育,成肌细胞分化调节和肌酸激酶活性等过程;同时KEGG分析发现差异基因主要富集在MAPK信号通路、ErbB信号通路、钙信号通路、Apelin信号通路、肌动蛋白细胞骨架的调节等与骨骼肌发育相关的信号通路上。综上所述,CKM在鸡肌肉组织中呈现特异性高表达,并可以抑制鸡原代成肌细胞的增殖、促进其凋亡和分化来影响鸡骨骼肌的发育,最后通过干扰CKM后转录组测序进行验证,并筛选出可能参与肌肉生长发育相关的差异表达基因。为进一步阐明CKM基因调控鸡肌肉生长相关分子机制提供理论和试验依据,同时为完善并开展肉鸡分子育种提供参考。
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