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三疣梭子蟹(Portunus trituberculatus)是一种重要的大型海洋经济甲壳动物,养殖面积广,是我国三大主要养殖蟹类之一。三疣梭子蟹性腺发育是繁育的基础,卵巢是卵子产生的器官,卵巢发育的质量直接关系到产卵量、受精率、受精卵的孵化率、后代成活率及质量等指标。Wnt信号通路是一个复杂的负向调节信号通路,参与多种生命活动,并且在哺乳动物中已经证实其在卵巢发育过程中有重要作用。目前为止,尚未见Wnt信号通路在甲壳类卵巢发育调控中发挥的作用的相关报道。本文主要研究Wnt信号通路中胞浆调节蛋白APC、Axin、GSK-3β和下游效应分子β-catenin在三疣梭子蟹卵巢发育中的调节作用,不仅可以为三疣梭子蟹卵巢发育机制的解析提供相应的理论支持,还能进一步丰富三疣梭子蟹乃至其他甲壳动物繁育生物学的基础理论。
本研究中,首先运用PCR技术扩增获得了Axin、GSK-3β和β-catenin的开放阅读框(ORF)序列。分别命名为PtAxin、PtGSK-3β、Ptβ-catenin。PtAxin开放阅读框(ORF)2991bp,编码996个氨基酸,PI为7.35,分子量为106kDa;含有两个功能结构域RGS(Ser138-Leu253)和DAX(Pro916-Asp996)。PtGSK-3β开放阅读框(ORF)1311bp,编码437个氨基酸,PI为9.02,分子量为49kDa,含有一个PKD(Tyr54-Phe358)结构域。β-catenin开放阅读框(ORF)2451bp,编码817个氨基酸,PI为5.74,分子量为89.5kDa,含有12个连续的ARM结构域(Asn149-Glu/Gln677)。对所获得的胞浆调节蛋白基因进行氨基酸序列分析、多序列比对和系统发育树分析,Axin、GSK-3β和β-catenin在进化中均高度保守。
Axin和APC在卵巢,肌肉,肝胰腺,眼柄,鳃,肠道中均有表达,但是在卵巢中的表达量显著高于其他组织;从卵巢发育Ⅰ期Axin和APC基因表达量逐渐上升,在卵巢发育Ⅲ期达到峰值,之后逐渐下降,这与我们课题组前期研究GSK-3β的表达趋势相一致,这些结果暗示了Wnt信号通路中胞浆调节蛋白APC、Axin和GSK-3β或许参与了三疣梭子蟹卵巢发育的过程。
通过注射不同浓度的Wnt/β-catenin信号通路激活剂CHIR-98014和抑制剂ETC-159进一步研究了该信号通路调节卵巢发育的机制。随着激活剂CHIR-98014浓度的增加,胞浆调节蛋白APC、Axin和GSK-3β表达量逐渐降低,而下游效应分子β-catenin表达量逐渐增加,另外检测了卵巢发育相关蛋白卵黄蛋白原(Vg)和Vn的表达水平,结果显示随着CHIR-98014浓度的增加,Vg和Vn的表达量逐渐减少;相比于对照组,注射抑制剂ETC-159之后,胞浆调节蛋白APC、GSK-3β和Axin的mRNA和蛋白表达量均显著增加而β-catenin的mRNA和蛋白表达量显著减少。Wnt/β-catenin信号通路可能通过影响Vg/Vn的表达调节卵巢发育。三疣梭子蟹性腺指数、卵巢组织学结果显示,随着CHIR-98014浓度的增加,卵巢发育被抑制。而前期研究的抑制剂结果显示,注射抑制剂ETC-159之后促进卵巢发育。
以上结果表明,在三疣梭子蟹卵巢发育过程中,Wnt/β-catenin信号通路可能通过调节卵黄蛋白原的表达参与了卵巢的发育过程。
本研究中,首先运用PCR技术扩增获得了Axin、GSK-3β和β-catenin的开放阅读框(ORF)序列。分别命名为PtAxin、PtGSK-3β、Ptβ-catenin。PtAxin开放阅读框(ORF)2991bp,编码996个氨基酸,PI为7.35,分子量为106kDa;含有两个功能结构域RGS(Ser138-Leu253)和DAX(Pro916-Asp996)。PtGSK-3β开放阅读框(ORF)1311bp,编码437个氨基酸,PI为9.02,分子量为49kDa,含有一个PKD(Tyr54-Phe358)结构域。β-catenin开放阅读框(ORF)2451bp,编码817个氨基酸,PI为5.74,分子量为89.5kDa,含有12个连续的ARM结构域(Asn149-Glu/Gln677)。对所获得的胞浆调节蛋白基因进行氨基酸序列分析、多序列比对和系统发育树分析,Axin、GSK-3β和β-catenin在进化中均高度保守。
Axin和APC在卵巢,肌肉,肝胰腺,眼柄,鳃,肠道中均有表达,但是在卵巢中的表达量显著高于其他组织;从卵巢发育Ⅰ期Axin和APC基因表达量逐渐上升,在卵巢发育Ⅲ期达到峰值,之后逐渐下降,这与我们课题组前期研究GSK-3β的表达趋势相一致,这些结果暗示了Wnt信号通路中胞浆调节蛋白APC、Axin和GSK-3β或许参与了三疣梭子蟹卵巢发育的过程。
通过注射不同浓度的Wnt/β-catenin信号通路激活剂CHIR-98014和抑制剂ETC-159进一步研究了该信号通路调节卵巢发育的机制。随着激活剂CHIR-98014浓度的增加,胞浆调节蛋白APC、Axin和GSK-3β表达量逐渐降低,而下游效应分子β-catenin表达量逐渐增加,另外检测了卵巢发育相关蛋白卵黄蛋白原(Vg)和Vn的表达水平,结果显示随着CHIR-98014浓度的增加,Vg和Vn的表达量逐渐减少;相比于对照组,注射抑制剂ETC-159之后,胞浆调节蛋白APC、GSK-3β和Axin的mRNA和蛋白表达量均显著增加而β-catenin的mRNA和蛋白表达量显著减少。Wnt/β-catenin信号通路可能通过影响Vg/Vn的表达调节卵巢发育。三疣梭子蟹性腺指数、卵巢组织学结果显示,随着CHIR-98014浓度的增加,卵巢发育被抑制。而前期研究的抑制剂结果显示,注射抑制剂ETC-159之后促进卵巢发育。
以上结果表明,在三疣梭子蟹卵巢发育过程中,Wnt/β-catenin信号通路可能通过调节卵黄蛋白原的表达参与了卵巢的发育过程。