意大利蜜蜂(
Apis mellifera ligustica,简称意蜂)不仅为众多野生植物和农作物授粉,而且因性情温顺、产卵力强和分蜂性弱等优点在世界范围内被广泛饲养
[1],同时其能生产蜂王浆和蜂蜜等营养保健品,具有重要的生态、经济和研究价值。
作为一种真核生物中普遍存在且作用关键的表观调控方式,RNA甲基化修饰已成为国内外各种生物过程和疾病发病机制的研究热点。
N6-甲基腺苷(
N6-methyladenosine, m
6A)是真核生物中最丰富的一类RNA修饰,在RNA的剪接、翻译和稳定性
[2],以及细胞生长发育、新陈代谢和免疫防御等诸多生命活动中发挥重要的调控作用
[3]。目前,m
6A介导的表观调控已被证实与阿尔茨海默病、肝癌、肺癌和食管癌等人类重大疾病密切相关
[4]。甲基化转移酶、去甲基化酶和甲基化阅读蛋白共同决定RNA m
6A修饰的动态过程
[5]。m
6A甲基转移酶是一个由甲基转移酶3(Methyltransferase 3, METTL3)、甲基转移酶14(Methyltransferase 14, METTL14)和Wilms肿瘤1相关蛋白(Wilms’ tumor 1-associating protein, WTAP)等亚基有序组成的蛋白复合物
[6]。其中METTL3能与METTL14形成稳定的METTL3-METTL14异二聚体核心复合物
[2],也能与WTAP形成一种影响m
6A修饰的复合体
[7],进而在靶RNA的m
6A修饰中起到关键作用
[6]。目前,关于RNA m
6A甲基转移酶结构和功能方面的研究主要集中在人类(
Homo sapiens)、拟南芥(
Arabidopsis)、家蚕(
Bombyx mori)、小鼠(
Mus musculus)和水稻(
Oryza sativa L.)等少数模式生物上
[8-10]。果蝇的甲基转移酶3基因(
Dm ime4)被证实可诱导卵子的发生。在家蚕中,甲基转移酶3基因(
BmMETTL3)能导致细胞周期进程停滞、染色体排列和分离缺陷。Zhang等
[11]利用RNAi对在家蚕细胞中的
BmMETTL3进行干扰,发现细胞内的家蚕核多角体病毒蛋白VP39的含量增加,而过表达
BmMETTL3后病毒VP39含量下降。Tian等
[12]研究发现,对灰飞虱(
Laodelphax striatellus)的m
6A甲基转移酶基因(
LsMETTL3和
LsMETTL14)进行干扰后,灰飞虱中肠细胞中水稻黑条纹矮缩病毒(Rice black-streaked dwarf virus, RBSDV)的含量显著升高,说明m
6A水平与病毒复制之间存在潜在的负调控关系。蜜蜂上RNA m
6A的相关研究较为滞后,迄今仅有2例
[13-14]。Bataglia等
[13]通过RT-PCR实验证实甲基转移酶基因在意大利蜜蜂工蜂脂肪体中表达,并发现m
6A的总体水平在工蜂大脑和脂肪体、蜂王和工蜂4日龄幼虫之间均差异显著。
目前,关于意蜂的METTL3研究仍然缺失,相关信息匮乏。本研究拟对意蜂的AmMETTL3基因进行分子克隆,通过生物信息学预测AmMETTL3蛋白的理化性质和分子特性并进行系统进化分析,检测AmMETTL3在意蜂工蜂不同组织、器官及不同发育时期的表达谱,旨在丰富意蜂AmMETTL3的基本信息,为进一步探究AmMETTL3的功能及其参与的表观调控机制打下基础。
1 材料与方法
1.1 供试生物材料
意蜂工蜂及幼虫取自福建农林大学动物科学学院(蜂学学院)教学蜂场的饲养蜂群。
1.2 AmMETTL3基因编码区(CDS)的PCR扩增和Sanger测序
根据前人的研究报道
[14],从GenBank数据库(
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/gene/551911)中查询和下载预测的意蜂
AmMETTL3(GenBank ID: 551911)核苷酸序列。采用Primer Premier 5.0软件设计合成特异性PCR引物(AmMETTL3-F1:ATGTCAGACGCTTTTGAAGAGATAC和AmMETTL3-R1:TTATGATTTACTAGGTTTCATTGAG)及RT-qPCR引物(AmMETTL3-F2:ACAGACGAATCCTTGGGTGACT和AmMETTL3-R2:TGGTTGAGTTGTTGGTCCATCC),委托生工生物工程(上海)股份有限公司合成。使用RNA抽提试剂盒(Promega公司,中国)提取意蜂7日龄工蜂中肠样品的总RNA,再利用Oligo DT引物(诺唯赞公司,中国)进行反转录得到相应的cDNA,作为模板进行PCR扩增。反应在PCR仪(Bio-rad公司,美国)上进行,体系和程序均按照郭意龙等
[15]的研究设置。产物经1.5%的琼脂糖凝胶电泳,然后在凝胶成像仪(培清公司,中国)下进行观察和拍照。参照吴鹰等
[16]的方法进行目的片段回收和TA克隆,取少量PCR结果为阳性的菌液送至上海生工进行Sanger测序。将Sanger测序结果与GenBank数据库下载的序列进行比对,完全比对正确的质粒保存于-20 ℃冰箱。
1.3 AmMETTL3蛋白的生物信息学分析
根据王紫馨等
[17]的方法,使用NCBI网站上的ORF工具(
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/orffinder/)预测AmMETTL3的氨基酸序列,采用Expasy网站(
https://www.espasy.org/resources)上的Protparam、 ProtScale和SWISS-model等软件预测和分析AmMETTL3的理化性质、亲水性和三级结构,通过NetPhos 3.1 Server、TMHMM、SOPMA和SignalP 4.1 Server等软件进行磷酸化位点、跨膜结构域、二级结构和信号肽的预测和分析,利用PSORTⅡ软件预测亚细胞定位。
1.4 AmMETTL3蛋白的结构域与保守基序预测
按照郭意龙等
[15]的方法,使用Blast的CD-search工具(
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/Structure/cdd/wrpsb.cgi)预测和分析AmMETTL3中的结构域。从NCBI Protein数据库(
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/protein)中查询和下载意蜂、火红熊蜂(
Bombus pyrosoma)、黑大蜜蜂(
Apis laboriosa)、东方蜜蜂(
Apis cerana)、大蜜蜂(
Apis dorsata)、小蜜蜂(
Apis florea)、欧洲熊蜂(
Bombus terrestris)、美洲东部熊蜂(
Bombus impatiens)和黑腹果蝇(
Drosophila melanogaster)的METTL3氨基酸序列,通过TBtools软件预测上述9个物种的METTL3中的结构域,采用默认参数。参照孙明会等
[18]的方法预测上述9个物种METTL3包含的保守基序,参数为软件默认。
1.5 AmMETTL3蛋白的系统进化分析
使用Blast工具将意蜂AmMETTL3蛋白氨基酸序列比对到NCBI GenBank数据库(
https://blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi),搜索序列相似性较高的其他物种METTL3蛋白并下载相应的氨基酸序列。通过DNAMAN 8.0软件(LynnonBiosoft公司,加拿大)对智人
、家鼠(
Mus musculus)、意蜂、火红熊蜂、黑大蜜蜂、东方蜜蜂、大蜜蜂、小蜜蜂、欧洲熊蜂、美洲东部熊蜂和黑腹果蝇的METTL3蛋白进行氨基酸序列多重比对。采用Mega 11.0软件的邻接法(Neighbor-Joining)进行1 000次重复计算后构建METTL3的系统进化树。
1.6 AmMETTL3的时空表达谱测定
1.6.1 生物样品制备
挑选群势较强的3群意蜂蜂群作为实验蜂群,利用蜂王产卵控制器将蜂王限制于空脾上,自然产卵12 h后取出蜂王。将巢脾迅速提至实验室,在解剖镜(萨伽公司,中国)下用干净的移虫针将卵(
n=50)收集至干净的离心管,经液氮速冻后保存于-80 ℃冰箱;取完卵后迅速将巢脾放回原蜂箱。5 d后从实验蜂群中提取巢脾,按照本课题组已建立的方法
[15-19]进行幼虫饲养和取样:1)将2日龄幼虫移至预置饲料的48孔培养板,置于(35±0.5)℃,70%相对湿度(RH)的恒温恒湿箱(精科公司,中国)中饲养,每24 h更换新鲜饲料。2)分别取3日龄幼虫(
n=3)、7和8日龄预蛹(
n=3)和12日龄蛹(
n=3)样品,经液氮速冻后转移至-80 ℃超低温冰箱保存备用。3)另选取一张成熟封盖子脾,放入恒温恒湿培养箱((35±0.5)℃)培养;收集1 500只刚羽化出房的幼蜂,然后按照杜亚丽等
[20]的方法用无味无毒的油漆在每只成蜂的背部进行标记(记为0 d)后放回原蜂群;分别在1、2、6、12、15和18日龄时收集工蜂样品,每个日龄收集3只工蜂,经液氮速冻后保存于-80 ℃冰箱。
参照张莉等
[21]的方法,收集刚出房的工蜂并置于冰上麻醉,在超净工作台中用干净的眼科镊和眼科剪小心剖取触角、脑、咽下腺、中肠、脂肪体毒囊和表皮,在冰上完成剖取过程以最大限度防止组织RNA降解。剖取的器官或组织分别放入干净的RNA-Free离心管,经液氮速冻后转移至-80 ℃超低温冰箱保存备用。上述试验均进行3次生物学重复。
1.6.2 RNA提取、cDNA合成及RT-qPCR检测
利用RNA抽提试剂盒(Promega公司,美国)分别提取上述样品的总RNA,通过反转录后得到相应的cDNA,作为qPCR反应的模板。以肌动蛋白基因
actin(GenBank ID: 406122)作为内参(
actin-F:CCTAGCACCATCCACCATGAA和
actin-R:GAAGCAAGAATTGACCCACCAA)。通过ABI Quant Studio 3荧光定量PCR系统(ABI公司,美国)检测
AmMETTL3在不同组织或器官中的相对表达量。按照郭意龙等
[15]的方法设置反应体系和条件,每个反应均进行3次平行重复和3次技术重复。通过2
-△△Ct法计算
AmMETTL3的相对表达量。采用GraphPad Prism 7软件进行数据分析和绘图,并利用SPSS Statistics 23软件进行单因素方差分析(ANOVA),以
P<0.05为显著性阈值。使用Tukey检验法和字母显著标记法两两比较分析实验数据。
2 结果与分析
2.1 AmMETTL3 CDS的克隆
琼脂糖凝胶电泳结果显示,PCR扩增片段大小约1 700 bp,符合预期(
图1)。Sanger测序结果显示,目的片段序列与GenBank数据库收录的序列一致。上述结果说明成功克隆到
AmMETTL3基因的CDS。
2.2 AmMETTL3的理化性质与分子特性
AmMETTL3的CDS含1 671个核苷酸,编码的AmMETTL3含556个氨基酸,其中负电荷和正电荷氨基酸的数目分别为79和68个,含量最高和最低的氨基酸分别为Leu(51,9.20%)和Trp(7,1.30%)。AmMETTL3的分子量约为62.61 ku,分子式为C
2728H
4349N
775O
861S
26,理论等电点为5.95,脂溶系数为78.72,平均亲水系数为-0.61,亲水氨基酸数量多于疏水氨基酸(
图2(a));用TMHMM和SignalP 4.1 Server程序没有预测到AmMETTL3含有任何典型的跨膜结构域和信号肽(
图2(b)和(c));PSORTⅡ预测结果显示,AmMETTL3可同时定位于细胞核、细胞质、线粒体和过氧化物酶体,分布概率分别为73.90%、8.70%、13.00%和4.30%;此外,预测到AmMETTL3蛋白含有35个丝氨酸磷酸化位点,20个苏氨酸磷酸化位点,8个酪氨酸磷酸化位点(
图2(d))。
SOPMA程序预测到AmMETTL3含有261个(46.94%)无规则卷曲、195个(35.07%)α-螺旋,73个(13.13%)延长链和27个(4.86%)β-转角(
图3(a));三维结果显示,AmMETTL3与模板5tey.1.A之间的相似性为58.42%,且C端的起始位置由α-螺旋构成(
图3(b))。
2.3 AmMETTL3的结构域与保守基序分析
预测结果显示AmMETTL3含1个MT-A70(
图4(a)),该结构域是cl01947超家族的成员,位于第366~526位氨基酸之间;火红熊蜂、黑大蜜蜂、东方蜜蜂、大蜜蜂、小蜜蜂、欧洲熊蜂和美洲东部熊蜂的METTL3也均含1个MT-A70,而黑腹果蝇METTL3同时含1个MT-A70和1个MDN1(
图4(b))。另外,在AmMETTL3中鉴定到3个保守基序:Motif 1、Motif 2和Motif 3;类似地,在火红熊蜂、黑大蜜蜂、东方蜜蜂、大蜜蜂、小蜜蜂、欧洲熊蜂、美洲东部熊蜂和黑腹果蝇的METTL3蛋白中同样鉴定到上述3个保守基序(
图4(c))。
2.4 AmMETTL3蛋白的系统进化分析
搜索结果显示意蜂含2个METTL3,而火红熊蜂、黑大蜜蜂、东方蜜蜂、大蜜蜂、小蜜蜂、欧洲熊蜂、美洲东部熊蜂和黑腹果蝇均仅含有1个METTL3,智人和家鼠分别含有4个和3个METTL3。氨基酸序列多重比对结果显示,AmMETTL3与上述7个膜翅目昆虫的METTL3氨基酸序列相似性较高,介于84.09%~87.40%;AmMETTL3与东方蜜蜂METTL3的氨基酸序列一致性最高(87.40%),而与智人METTL3的氨基酸序列一致性较低(33.39%、35.91%、33.39%和3.15%)。系统进化分析结果显示,意蜂、火红熊蜂、黑大蜜蜂、东方蜜蜂、大蜜蜂、小蜜蜂、欧洲熊峰、美洲东部熊蜂和黑腹果蝇的METTL聚为一支,而智人和家鼠的METTL聚为另一支;AmMETTL3与东方蜜蜂METTL3的直接进化距离最近,与大蜜蜂的METTL3之间的进化距离次之(
图5)。
2.5 意大利蜜蜂工蜂不同器官或组织中AmMETTL3的相对表达量测定
RT-qPCR结果显示,
AmMETTL3在刚出房意蜂工蜂的触角、脑、咽下腺、中肠、脂肪体、毒囊和表皮中均有表达,但表达水平存在差异。相较于触角中的表达量,
AmMETTL3的表达量在咽下腺中极显著上调(
P<0.01),在脑中上调但差异不显著(
P>0.05),在中肠中极显著下调(
P<0.01),在毒腺中显著下调(
P<0.05),在表皮中下调但不显著(
P>0.05);
AmMETTL3在咽下腺中的表达量最高,在中肠中的表达量最低(
图6)。
2.6 意大利蜜蜂工蜂不同发育时期AmMETTL3的相对表达量测定
AmMETTL3在意蜂工蜂的卵、3日龄幼虫、7和8日龄预蛹及12日龄蛹中均有表达,但表达水平存在差异。
AmMETTL3在7和8日龄预蛹中的表达量与3日龄幼虫差异不显著,均极显著(
P<0.01)低于卵中的表达量;在12日龄蛹中的表达量极显著(
P<0.01)高于卵中的表达量(
图7(a))。
AmMETTL3在意蜂1、2、6、12、15和18日龄工蜂体内均有表达,但表达水平同样存在差异;相较于1日龄工蜂体内的表达量,
AmMETTL3的表达量在2、6、12、15和18日龄工蜂体内均极显著(
P<0.01)下调,在18日龄工蜂体内达到最低(
图7(b))。
3 讨论
本研究首次对
AmMETTL3进行分子克隆,PCR和Sanger测序结果表明成功克隆到意蜂
AmMETTL3的CDS,为进一步开展
AmMETTL3的功能研究奠定了基础。AmMETTL3的分子量约为62.61 ku,分子式为C
2728H
4349N
775O
861S
26,理论等电点为5.95,脂溶系数为78.72,含有79个负电荷氨基酸,68个正电荷氨基酸及63个磷酸化位点;平均亲水系数为-0.61,不含典型的跨膜结构域和信号肽。上述预测结果表明AmMETTL3可能为亲水性蛋白、非跨膜蛋白和胞内蛋白。此外,亚细胞定位预测到AmMETTL3主要分布于细胞核,这与甲基转移酶机制主要发生在核斑点的实际情况
[22]相符。上述结果丰富了意蜂
AmMETTL3的基本信息,为进一步开展相关研究提供了参考和依据。
MT-A70结构域含有甲基转移酶复合物的METTL3/14/16亚基的催化位点
[23],可使前体mRNA中的腺嘌呤发生序列特异性甲基化
[24]。Bokar等
[22]通过Northern blot检测人体脾脏、胸腺和卵巢等多种组织的mRNA鉴定到MT-A70结构域。Rockwell等
[23]研究发现METTL3在进化上较为保守且对多细胞生物发育十分重要。在小鼠中,METTL3和METTL14均被证实与精子发生密切相关
[25]。本研究发现,AmMETTL3含有1个MT-A70,火红熊蜂、黑大蜜蜂、东方蜜蜂、大蜜蜂、小蜜蜂、欧洲熊蜂、美洲东部熊蜂和黑腹果蝇的METTL3中同样含有1个MT-A70。此外,上述9种昆虫的METTL3均含有3个相同保守基序(Motif 1、Motif 2和Motif 3)。以上结果表明METTL3在这些昆虫中具有较高的保守性,推测意蜂AmMETTL3与果蝇和家蚕等昆虫的METTL3具有类似的功能。目前,人类和小鼠等模式生物的METTL3研究较为深入
[26],未来可借鉴相关报道探究意蜂METTL3的功能。
本研究发现,AmMETTL3与上述7种膜翅目昆虫,即火红熊蜂、黑大蜜蜂、东方蜜蜂、大蜜蜂、小蜜蜂、欧洲熊蜂和美洲东部熊蜂的METTL3氨基酸序列一致性较高,意蜂与火红熊蜂、黑大蜜蜂、东方蜜蜂、大蜜蜂、小蜜蜂、欧洲熊蜂、美洲东部熊蜂以及黑腹果蝇这8种昆虫的METTL3在进化树上聚为一个大支且进化距离较近,进一步表明蜜蜂属不同蜂种的METTL3高度保守。因此,可参考意蜂
AmMETTL3序列尝试克隆其他蜂种的
METTL3 CDS区,进而开展相关功能研究。另外,还发现意蜂AmMETTL3(XP_016767532.1和XP_624299.2)与东方蜜蜂METTL3(XP_016922633.1)之间的进化距离最近,符合西方蜜蜂与东方蜜蜂的互为姐妹种的客观事实
[27]。
METTL3表达在牛的心、肝、脾和肾等组织上具有组织特异性
[28]。本研究发现,
AmMETTL3在意蜂工蜂的触角、脑、咽下腺、中肠、脂肪体、毒囊和表皮中均有表达但表达量存在差异,这符合
METTL3组织特异性表达的特点,同时也暗示
AmMETTL3功能的广泛性和重要性。推测RNA m
6A修饰广泛参与意蜂工蜂的消化吸收、新陈代谢和免疫防御等诸多方面的调控。蜂王浆具有丰富的营养,不仅是蜂王终身的食物,也是工蜂幼虫早期的食物,蜜蜂咽下腺是合成和分泌蜂王浆的主要腺体
[29]。本研究中,
AmMETTL3在咽下腺中的表达水平最高,表明
AmMETTL3及其调控的RNA m
6A修饰可能在蜂王浆的合成与分泌过程中起到重要调控作用,值得进一步深入研究。
作为一种完全变态昆虫,蜜蜂的生活史包括卵、幼虫、预蛹、蛹和成虫
[30]。研究表明
METTL3表达具有发育时期特异性
[13-14]。本研究中,
AmMETTL3在意蜂工蜂的卵、3日龄幼虫、7和8日龄预蛹及12日龄蛹中均有表达但表达量存在差异,说明
AmMETTL3在意蜂工蜂卵、幼虫、预蛹和蛹的发育过程发挥功能。进一步分析发现,
AmMETTL3在12日龄蛹中的表达量极显著(
P<0.01)高于卵中的表达量,且表达水平达到最高。
AmMETTL3在蛹期被显著激活,表明
AmMETTL3在蛹期组织的分解与重组中发挥作用。鉴于RNA m
6A参与人类等哺乳动物的细胞分化、发育和代谢等过程
[31],m
6A调控意蜂工蜂蛹期发育的作用及机制值得进一步深入研究。另外,还发现
AmMETTL3在意蜂1、2、6、12、15和18日龄工蜂体内均有表达但表达水平同样存在差异,表明
AmMETTL3及其参与的RNA m
6A修饰可能在成年蜜蜂的发育过程发挥重要的调节作用。目前,本课题组已建立蜜蜂基因的RNAi及功能研究技术体系,下一步的工作重点是通过饲喂或注射dsRNA(或siRNA)对
AmMETTL3进行沉默以明确其在意蜂变态发育中的分子功能。
4 结论
本研究成功克隆到AmMETTL3基因的CDS,明确了AmMETTL3蛋白的理化性质和分子特性,发现METTL3蛋白在意蜂、东方蜜蜂、大蜜蜂、小蜜蜂、黑大蜜蜂、欧洲熊蜂、金环胡蜂、美洲东部熊蜂和黑腹果蝇中具有高度保守性,并揭示了AmMETTL3在意蜂工蜂不同组织及发育时期的动态表达规律。
国家自然科学基金项目(32172792)
国家自然科学基金项目(31702190)
国家现代农业产业技术体系专项资金项目(CARS-44-KXJ7)
福建省自然科学基金面上项目(2022J01131334)
福建农林大学科技创新专项基金项目(KFb22060XA)
福建农林大学硕士生导师团队项目
福建农林大学动物科学学院(蜂学学院)科研扶持项目