白甲鱼不同组织同工酶的组织特异性研究

摘要:采用聚丙烯酰胺凝胶垂直平板电泳,对白甲鱼(Onychostoma sima)的脑、眼、心脏、肝脏、肾脏和肌肉6种组织的乳酸脱氢酶(LDH)、酯酶(EST)和苹果酸脱氢酶(MDH)3种同工酶进行了初步研究。结果表明,不同组织中3种同工酶均存在比较明显的组织特异性。Ldh-AB3和Ldh-B4在脑、眼、心脏和肾脏4种组织中均优势表达,Ldh-A4和Ldh-A3B在肾脏和肌肉中优势表达;EST同工酶在肝脏中酶带条数最多且活性最强,在眼和肌肉中活性最弱;MDH同工酶在肝脏和肾脏中只存在上清液型(s-MDH),但活性较强。

关键词:白甲鱼(Onychostoma sima);同工酶;组织特异性

中图分类号:Q959.46+8;Q55 文献标识码:A 文章编号:0439-8114(2011)23-4912-04

Study on Isozymic Tissue Specificity of Different Tissues in Onychostoma sima

WANG Hong-ye1,2,ZHANG Juan1,2,CAI Yan-zhi2,LU Tao3,QIN Xiao-yan3

(1. College of Life Sciences, Huazhong Normal University, Wuhan 430079, China;

2. Fisheries Research Institute of Hubei Province, Wuhan 430071, China;

3. Zigui Governing Station for Fishery Admistration,Vessel Checking and Port Supervision, Zigui 443600, Hubei, China)

Abstract:The isozymic patterns of LDH, EST and MDH in 6 tissues (brain,eyes,heart,liver,kidney and muscle) of Onychostoma sima were determined by vertical polyacrylamide gel electrophoresis (PAGE). The result showed that the isozymic patterns of these 3 enzymes had distinct tissue-specific expressions in the different tissues. Ldh-B4 and Ldh-AB3 isozymic bands were dominantly expressed in the other 4 tissues including the brain, eyes, heart and kidney. The Ldh-A4 and Ldh-A3B isozymic bands were dominantly expressed in the kidney and muscle; The most number of EST isozymic bands was appeared in the liver and the activity was the highest,the lowest activity was appeared in both of the eyes and muscle; Only s-MDH was found in the liver and kidney, and its activities were relative high.

Key words: Onychostoma sima; isozyme; tissue specificity

同工酶是一组能够催化同一种生化反应但分子一级结构不同的酶,是基因表达的产物。同一物种的不同个体或同一个体的不同组织以及生物的不同发育阶段、不同代谢条件下都有同工酶分布[1,2]。鱼类同工酶的遗传学研究开始于20世纪60年代初期,现已证明硬骨鱼类的同工酶系统具有明显的组织特异性[3,4]。同工酶作为一种生化遗传指标,广泛地用于鱼类物种鉴定、种群遗传多样性分析、系统发育及生化遗传等各个方面[5]。

白甲鱼[Onychostoma sima(Sauvage et Dabry)],地方名白甲、突吻鱼、毛白甲,隶属鲤形目(Cypriniformes)鲤科(Cyprinidae)鲃亚科(Cypinidae)白甲鱼属(Onychostoma),主要分布于长江水系的干流及支流,具有半洄游习性,属底栖鱼类,为长江流域土著名优经济鱼类之一[6],其肉质细嫩、味道鲜美、营养丰富,颇受消费者的喜爱[7]。目前,有关白甲鱼生化遗传方面的研究较少,主要集中于生物学特性及繁育养殖技术等方面,而关于其同工酶表达方面的研究尚未见报道。本研究采用聚丙烯酰胺凝胶垂直平板电泳,对白甲鱼6种组织中的乳酸脱氢酶、酯酶和苹果酸脱氢酶3种同工酶进行了电泳分析,旨在为进一步研究白甲鱼的遗传特性、种质鉴别及生物进化等方面提供一定的理论依据,并为其人工选种和定向育种提供生化遗传学指标。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 实验鱼 实验用白甲鱼来源于嘉陵江、沱江以及人工饲养的鱼种,选择符合白甲鱼生物学性状、体格健壮、体表无伤的大规格鱼种共90尾,平均体长(17.9±1.1) cm,平均体重(127.8±27.1) g。

1.1.2 仪器与试剂 玻璃研磨器;YP202N型电子天平(上海精密科学仪器有限公司);FA2004型电子天平(上海舜宇恒平科学仪器有限公司);GL20-B型高速冷冻离心机(中国科学院武汉科学仪器厂);DYY-10C型稳压稳流电泳仪(北京市六一仪器厂);-20 ℃低温冰箱;LRH-250-Z型生化培养箱(广东省医疗器械厂)等。

30%丙烯酰胺;N,N′—甲叉双丙烯酰胺;过硫酸铵;四甲基乙二胺;三羟甲基氨基甲烷等。

1.2 方法

1.2.1 样品制备 首先将活鱼鳃弓基部剪断于水中放血,置于冰上解剖,取出脑、眼、心脏、肝脏、肾脏和肌肉6种组织,用冰冻无菌蒸馏水冲洗以除去组织血污,然后用滤纸轻轻吸去多余水分。分别取上述6种组织称重后,按1∶3的比例(质量体积比)加入0.1 mol/L pH 7.0的磷酸盐缓冲液(用时稀释10倍),并置于玻璃匀浆器中冰浴匀浆。得到的匀浆于4 ℃冰箱内静置1 h后进行分离,将匀浆液转入离心管,按2∶1的体积比加入氯仿以去除脂类杂质,振荡混匀后4 ℃放置10 min,15 000 r/min 4 ℃低温离心30 min,取上清液于新离心管中,即为提取的同工酶样品。按1∶1的体积比加入丙三醇,置-20 ℃冰箱中保存备用。

1.2.2 电泳 采用7.5%的聚丙烯酰胺凝胶垂直平板电泳法(PAGE)分析,浓缩胶浓度为5%。电极缓冲液为Tris-甘氨酸溶液(pH 8.3)。

电泳分为预电泳和电泳两个步骤。预电泳时在电泳槽的上下槽中加入电极缓冲液,插上电极,接通电源,在4 ℃、50 V的电压下预电泳30 min;按样品与指示剂(20%的蔗糖溶液加适量的溴酚蓝)1∶1的体积比点样,点样后将电压升高至100 V继续电泳,直至接近液面时停止电泳。

1.2.3 染色和固定 乳酸脱氢酶同工酶、酯酶同工酶及苹果酸脱氢酶同工酶的染色方法参照文献[8-10]的方法略作修改。染色液现用现配且要过滤。电泳结束后将凝胶小心地取下,于37 ℃染色液中避光染色,直至酶带呈现的比较清晰。显色完成后用7%的冰醋酸溶液固定,数码相机拍照。

1.2.4 同工酶的命名 同工酶的命名以同工酶缩写名称代表酶蛋白,按电泳迁移率的顺序依次命名[11]。乳酸脱氢酶以A、B、C表示;酯酶和苹果酸脱氢酶以1,2,3……依次表示阳极到阴极各迁移位点。

2 结果与分析

2.1 乳酸脱氢酶(LDH)

白甲鱼6种组织中LDH同工酶酶带的组成及活性均有所不同,表现出比较明显的组织特异性。肝脏的酶带比较丰富,多达7条,阴极端显现出Ldh-C条带;脑有6条酶带;眼、心脏和肾脏都表现为5条典型的酶带,但是活性不同;肌肉最少,为4条酶带(图1)。Ldh-AB3和Ldh-B4在脑、眼、心脏和肾脏中优势表达,活性较强;肝脏次之;肌肉最弱。Ldh-A4和Ldh-A3B在肾脏和肌肉中优势表达;心脏和肝脏中活性次之;眼相对较弱;脑最弱。Ldh-A2B2在肝脏和肌肉中缺失。此外,Ldh-A2B2在脑中具有一条附带,肝脏的阳极端也出现2条附带。附带可能是LDH同工酶复等位基因表达或合成后酶亚基修饰的结果。

2.2 酯酶(EST)

白甲鱼EST同工酶酶带条数在6种组织中存在差异,可检测到共10条酶带(图2)。脑和肝脏多达7条酶带,肾脏有5条,心脏有4条,眼和肌肉最少,为2条。EST同工酶在6种组织中均表现出一定的活性,但是活性均不相同。除了眼和肌肉外,其他组织中的EST酶活性均较强。脑、心脏、肝脏、肾脏和肌肉中有共同的酶带如EST-8和EST-9,但在各组织中表现出明显的组织特异性。EST同工酶酶谱可明显分为3个区域,说明白甲鱼的EST同工酶可能至少有3个基因位点。在L1区,眼和肌肉缺失EST-10,且EST-9在心脏、肝脏和肾脏中的活性最强,脑次之,眼和肌肉最弱。在L2区,眼缺失EST-7和EST-8两条带,肌肉缺失EST-7;EST-7和EST-8在肝脏和肾脏中的活性均较强,心脏次之,脑相对较弱。在L3区组织特异性最明显,脑和肝脏都有3条酶带,脑中表达EST-3、EST-4和EST-5;肝脏中表达EST-1、EST-3和EST-6;眼和肾脏各有1条酶带,分别为EST-4和EST-2;心脏和肌肉中未检测到酶带。

2.3 苹果酸脱氢酶(MDH)

MDH同工酶是一种二聚体,存在上清液型(s-MDH)和线粒体型(m-MDH)2种。白甲鱼的MDH同工酶具有较为明显的组织特异性。脑、眼、心脏和肌肉中2种类型的MDH都存在,而肝脏和肾脏中只有s-MDH(图3)。MDH-1和MDH-7在眼睛中特异性表达,MDH-5在脑中特异性表达。MDH-2和MDH-3在心脏、肝脏和肾脏中优势表达,在眼中的活性次之,在肌肉中的活性最弱;其中MDH-2也在脑中优势表达,但脑缺失MDH-3。

3 讨论

鱼类同工酶的组织特异性强[7],对白甲鱼3种同工酶的初步研究表明,白甲鱼的6种组织中存在着比较丰富的酶系统,并且在酶带的组成和活性上表现出比较明显的组织特异性,可能与所在的组织或器官的生理功能相关。

3.1 LDH同工酶组织特异性分析

LDH同工酶为四聚体蛋白,是目前研究的比较深入的一种同工酶。鱼类的LDH为四聚体酶,大多由A、B、C 3个位点控制[12],分别编码A、B、C 3种亚基。在通常情况下由A、B两个基因编码产生2种亚基组成5种四聚体结构[13,14]。A、B亚基在大多数组织中均存在,C亚基仅存在于特定的组织如肝脏[15]。白甲鱼LDH同工酶组织特异性较明显,可能与不同组织的生理功能相关,如Ldh-A4在肌肉中优势表达,在无氧条件下能将糖酵解产生的丙酮酸还原为乳酸,维持机体的能量需要;Ldh-B4可以使还原型辅酶I高效地氧化呼吸,其在心脏中优势表达,是有氧代谢的必要条件[7]。白甲鱼的肝脏中LDH同工酶酶带高达7条,在阴极端显现出Ldh-C条带。Ldh-C基因仅在白甲鱼肝脏中特异性表达,可能是与代谢旺盛的肝脏相适应。白甲鱼行动比较活跃,大多栖息于水流较湍急,底质多砾石的江段[6],因此需要大量的能量,Ldh-C基因的出现,与其生活特性相适应。

3.2 EST同工酶组织特异性分析

鱼类的EST同工酶比较复杂,一般认为是单体,由多个位点编码[16,17]。白甲鱼EST同工酶酶谱较复杂,6种组织中均表现出一定的EST酶活性,但各组织中的活性有所差异。除了眼睛和肌肉外,其他组织中的酶活性均较强,其中肝脏中的活性最强,在L1、L2、L3三个区域中均有表达,尤其是在L3区,肝脏具有特异性条带EST-1和EST-6;脑也有特异条带EST-5以及肾脏有特异性条带EST-2。在L1和L2区,心脏、肝脏和肾脏酶带颜色较深,表明其EST酶活性较强。眼和肌肉在三个区域均有条带缺失,表明其EST酶活性相对最弱。白甲鱼EST同工酶表现出比较明显的组织特异性,可能与各组织的生理功能有密切联系。EST同工酶是催化酯类化合物水解进入中间代谢的重要水解酶酶系,在细胞内执行最基本的生理功能[11],在维持细胞正常的能量代谢方面具有重要的作用。而心脏含有大量的线粒体,为维持机体的血液循环和其他代谢活动提供能量。白甲鱼比较活跃,能量需求大,与其功能相适应,因而EST同工酶在心脏中活性比较强。除了维持细胞正常的能量代谢外,EST同工酶还能水解大量的非生理存在的酯类化合物,可能与其参与机体的解毒作用密切相关[12]。EST同工酶在肝脏中酶带数量最多,表达活性也较强,与其功能相适应。肝脏是机体最大的毒物清除器官,物质代谢活跃,因此EST同工酶在肝脏中较强表达。在脑中的条带也最多,表明其EST酶活性较强,可能与脑细胞活跃的能量代谢有关。

3.3 MDH同工酶组织特异性分析

硬骨鱼类的MDH为二聚体,存在s-MDH和m-MDH两种类型,均是由2个基因编码的二聚体[7]。白甲鱼的脑、眼和肌肉的s-MDH均表达为3条酶带,m-MDH为1条酶带;心脏、肝脏和肾脏的s-MDH均表达为2条酶带,其中肝脏和肾脏的m-MDH不表达。白甲鱼各组织两种类型的MDH分别检测出1~3条酶带,与理论上二聚体两个基因编码最多形成3条酶带相符,因此其MDH同工酶也符合典型的二聚体结构。白甲鱼的MDH同工酶具有组织特异性,脑、眼、心脏和肌肉中存在两种类型的MDH,肝脏和肾脏中缺失m-MDH;s-MDH在心脏、肝脏、肾脏中的活性较强,脑的活性次之,其次是眼,肌肉的活性最弱。白甲鱼是一种生活于江河流水水体中的鱼类,各组织中都有较高的MDH同工酶活性,可能与其生存的生态环境相适应。

3.4 白甲鱼同工酶组织特异性原因探析

通过对白甲鱼不同组织同工酶的初步研究表明,白甲鱼6种组织中的3种同工酶存在不同程度的组织差异,主要表现在酶谱条带的多少以及酶谱条带的强弱两个方面。以LDH同工酶和EST同工酶为例,白甲鱼肝脏中的LDH同工酶条带数最多,达到了7条;而肌肉的条带数则少于5条,但是Ldh-A4和Ldh-A3B在肌肉中酶谱条带染色最深,优势表达。肝脏和肌肉两种组织都缺失Ldh-A2B2条带。白甲鱼的脑、心脏、肝脏、肾脏的EST同工酶在L1区和L2区的酶谱相似;但是在L3区,脑脏和肝脏都有3条酶带且活性都较强;肾脏有1条酶带且活性较弱。这些差异的产生,可能是由于不同组织中编码同工酶位点的基因没有同时表达,造成组织之间酶谱条带数量不同。再者,即使这些基因同时表达但活性强弱表达程度不同,或者表达后由于各组织执行不同的生理功能,也会造成酶谱条带强弱的差异[18]。

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