Correlation between Single Nucleotide Polymorphism in 5' Regulation Region of IL-8 and Coccidiosis-Resistance of Jinghai Yellow Chicken
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摘要:目的 研究白介素8（IL-8）基因5′调控区单核苷酸突变对鸡柔嫩艾美耳球虫（E. tenella）抗性指标的影响。方法 本试验利用DNA直接测序技术，检测京海黄鸡IL-8基因5′调控区单核苷酸多态性（SNPs），并对5′调控区的SNPs突变前后的转录因子进行预测，然后分析SNPs与柔嫩艾美耳球虫抗性指标的关联性。结果 测序结果表明：IL-8基因5′调控区共检测到3个突变位点（T-550C、G-398T和T-360C），均形成了3种基因型，杂合度在0.436~0.471，PIC值在0.25~0.50，均属于中度多态，且3个突变位点均处于哈代-温伯格平衡状态。生物信息学分析表明：3个突变位点均改变了其原有的转录因子结合位点。关联分析显示：T-550C突变位点的TC型个体的IL-8表达量与TT型差异显著，TC型GSH-PX、CAT、IL-2、IL-6、IFN-γ指标均高于其他2种基因型，但差异不显著。G-398T突变位点的TT型个体SOD活性和GT型个体CAT活性均显著高于GG型；TT型个体NO含量与GG型差异极显著，与GT型差异显著；TT型IL-2表达量显著高于GT型。T-360C突变位点的TT型和TC型个体SOD活性与CC型差异极显著或差异显著；TT型和TC型个体的NO含量均显著高于CC型；TT型个体的IL-2、IL-8表达量均显著高于CC型。结论 G-398T和T-360C突变位点的TT型个体球虫抗性优于其他基因型个体，T-550C突变位点的杂合型个体球虫抗性优于纯合型个体，表明IL-8基因5′调控区的突变对球虫抗性指标有显著的调控作用，可作为球虫病抗性鸡新品种或新品系的育种参考依据。Abstract:Objective Correlation between the single nucleotide polymorphism (SNPs) in the 5' regulation region of IL-8 and the disease resistance to Eimeria tenella of chickens was studied.Method Direct DNA sequencing was performed to determine SNPs in IL-8 gene of Jinghai yellow chicken. Predicted transcription factors before and after mutation were analyzed to correlate between SNPs and coccidiosis-resistance of the birds.Result There were 3 SNPs at the mutation sites of T-550C, G-398T and T-360C detected in the target region that formed CT-, TT- and GG-genotypes with heterozygous degrees between 0.436 and 0.471 and PIC between 0.25 and 0.5. In a Hardy-Weinberg equilibrium state, SNPs were moderately polymorphic. A bioinformatics analysis confirmed that the original transcription factor binding sites in the genes had all been altered after the mutation. The expression of IL-8 of TC-genotype mutated at T-550C was significantly higher than that of TT-genotype. The coccidiosis-resistance indicators including GSH-PX, CAT, IL-2, IL-6 and IFN-γ in TC-genotype were higher than that in the other two genotypes, though not significantly. In genotypes mutated at G-398T, the SOD activity of TT-genotype and the CAT activity of GT-genotype were significantly higher than those of GG-genotype; the NO content of TT-genotype extremely significantly different from that of GG-genotype and significantly different from that of GT-genotype; and, the IL-2 expression of TT-genotype significantly higher than that of GT-genotype. Whereas, in the genotypes mutated at T-360C, the SOD activities of TT- and TC-genotypes were extremely significantly different or significantly different from that of CC-genotype; the NO contents of TT- and TC-genotypes significantly higher than that of the CC genotype; and, the IL-2
and IL-8 expressions of the TT genotype significantly higher than those of CC-genotypes. Conclusion It appeared that the TT-genotype with mutated G-398T or T-360C site would be more resistant to the parasitic attack by E. tenella than the other genotypes, and that hybrids of the genotypes carrying T-550C mutation would be more resistant than the homozygous counterparts. Thus, the significant regulation function of the polymorphism in the 5' regulation region of IL-8 gene could conceivably be targeted for breeding coccidiosis-resistant chickens. -
在分析功能基因的表达水平时，为了消除不同样品在RNA的提取质量和得率及在RNA反转录成cDNA的效率上存在的差异，通常选用适当的内参基因进行校正，以确定目的基因的相对表达量。理想的内参基因要求表达量适中，表达水平稳定，不受内源性(如生长周期或不同器官)或外界条件(如实验措施或环境因素)的影响。
植物肌动蛋白(Actin)是一类古老的、由单一多肽构成的球状蛋白质[1]，构成细胞的微丝系统，参与细胞分裂和形态控制、信号传导、细胞器运动等细胞生理活动[2-3]；3-磷酸甘油醛脱氢酶(Glyceraldehyde-3-phosphate dehyrogenase, GAPDH)是糖酵解过程中的关键酶，氧化3-磷酸甘油醛形成1, 3-二磷酸甘油酸[4]，与生命活动紧密相关；微管蛋白(tubulin)不仅是细胞骨架的组成部分，而且与胞内物质运输、信号识别、细胞运动等关系密切，主要由α、β两种微管蛋白以二聚体的形式聚合而成[5]。Actin、GAPDH和tubulin表达相对稳定，常作为内参基因用于基因表达分析[6-9]。但是，已有研究发现，持家基因的表达水平也存在不稳定性[10-11]，应根据不同试验目的筛选合适的内参基因。
金线莲Anoectochilusroxburghii (Wall.) Lindl是兰科Orchidaceae开唇兰属Anoectochilus植物，又称金线兰、金草，具有保肝、降血糖、抗肿瘤、提高免疫力等作用[12-13]，主要分布在我国的亚热带地区，福建和台湾是主产地[14]，因野生资源匮乏，主要靠种植组培苗满足市场的需求。金线莲富含黄酮、生物碱、皂苷、甾体化合物、三萜类等活性成分[15-17]，而组培苗的种植时间会影响金线莲活性成分含量[18]。姜福星等[19]对台湾金线莲进行转录组测序，分析发现与黄酮类、生物碱和萜类物质代谢相关的Unigenes分别有130、114和441条，而有关金线莲活性成分合成功能基因的研究还处于起步阶段。研究金线莲药用成分合成调控关键酶基因的功能，分析关键酶基因表达模式，必须选择理想的内参基因，而目前有关金线莲内参基因的研究还鲜有报道。本研究从金线莲转录组测序数据中选择GAPDH、Actin和α-tubulin等3个Unigenes，根据序列信息设计引物，应用半定量RT-PCR技术分析不同生长期和不同温度处理条件下3个基因在金线莲茎、叶的表达水平，以期为金线莲药用活性成分合成关键酶基因的研究选择合适的内参基因。
1. 材料与方法
1.1 试验材料
金线莲(采自福建省龙岩市梅花山)生根瓶苗为本课题组培养。pMD19-T连接试剂盒、Ex Taq DNA Polymerase、PrimeScriptTM Reverse Transcriptase、RNAiso Plus购自宝生物公司。UNIQ-10柱式DNA胶回收试剂盒购自上海生工生物工程有限公司，引物合成、克隆测序委托上海生工。
1.2 金线莲温度处理
将光照培养箱的温度设置为5℃(T5)、15℃(T15)、25℃(T25)、35℃(T35)，光照强度4 000 lx，待温度稳定后放入可以移栽的组培生根瓶苗，培养10 d，随机剪取15株金线莲的茎、叶，用铝箔分开包装，液氮速冻后置超低温冰箱保存。
1.3 金线莲不同生长阶段处理
2017年11月3日种植，将金线莲组培生根苗从瓶子取出，洗净根部的培养基后种植于育苗盘，每盘30株，光照强度在3 000~5 000 lx，栽培基质为泥炭土，栽培过程根据基质的干湿情况及时补水。2017年12月至2018年5月，每月取样1次(分别用P1~P6表示)，随机剪取15株金线莲的茎、叶，用铝箔分开包装，液氮速冻后置超低温冰箱保存。
1.4 总RNA的提取和cDNA合成
利用RNAiso Plus提取金线莲茎、叶总RNA，经电泳检测后，用超微量紫外可见光分光光度计(ND-1000)测定RNA纯度并定量为500 ng·μL-1。
cDNA合成：在200 μL PCR管中顺序加入DEPC水3 μL，总RNA 2 μL，随机引物(50 μmol·L-1)1 μL，dNTP Mixture(各2.5 mmol·L-1)4 μL，65℃保温5 min后，迅速在冰上急冷5 min，离心数秒后加入预先混合好的5×PrimeScriptTM Buffer 4 μL，RNase inhibitor (40 U·μL-1)0.5 μL，PrimeScriptTM Reverse 0.5 μL，DEPC水5 μL，混匀后放入PCR仪，PCR仪反应程序为：30℃ 10 min，42℃ 60 min，70℃ 15 min，4℃结束反应。反应结束后利用超微量紫外可见光分光光度计(ND-1000)测定吸光值并定量为200 ng·μL-1。
1.5 引物设计及扩增特异性分析
根据金线莲转录组测序数据中的Actin、GAPDH和α-tubulin等3个Unigenes序列信息，利用primer 5.0软件设计扩增引物(表 1)。以茎、叶混合的cDNA为模板PCR扩增，验证引物特异性。扩增体系20 μL：模板1 μL，引物(10 μmol·L-1)各1 μL，10×Buffer 2 μL，Ex Taq DNA聚合酶(5 U·μL-1) 0.1 μL，dNTP Mixture(各2.5 mmol·L-1) 1.6 μL，ddH2O 13.3 μL。反应程序为：94℃预变性5 min，94℃变性30 s，退火(Actin 50℃、GAPDH 55℃、α-tubulin 55℃)30 s，72℃延伸20 s，30个循环，最后72℃延伸10 min。胶回收目的片段，与克隆载体pMD19-T连接后转化大肠杆菌DH5α感受态细胞，经验证后送上海生工测序。
表 1 PCR引物及其序列Table 1. PCR primers and sequences靶基因 引物名称 引物序列(5′-3′) 产物长度/bp Actin ArACT-F AGATGAGGCACAGTCCAAGA 228 ArACT-R GCTGGAACATTGAAGGTCTC GAPDH ArGAPDH-F CCCTTTGGACCTGTGCTACC 162 ArGAPDH-R GATTTGAACTGTGCCCGTCTC α-tubulin ArATUB-F GCTGTTGGAGGTGGGACTG 162 ArATUB-R AGAGTGTGTGGACAGGACGC 1.6 循环参数优化与表达分析
以不同处理样品总RNA反转录获得的cDNA为模板进行PCR，优化循环参数。扩增体系40 μL：模板2 μL，引物(10 μmol·L-1)各2 μL，10×Buffer 4 μL，Ex Taq DNA聚合酶(5 U·μL-1) 0.2 μL，dNTP Mixture(各2.5 mmol·L-1) 3.2 μL，ddH2O 26.6 μL。反应程序为：94℃预变性5 min，94℃变性30 s，退火30 s，72℃延伸20 s，20个循环开始取样5 μL，3个循环取样1次，取样5次，确定循环数。以优化的循环再进行PCR，重复3次，分析3个基因的表达。
2. 结果与分析
2.1 引物扩增特异性分析
为了验证设计引物扩增的特异性，以合成的引物ArACT-F和ArACT-R、ArGAPDH-F和ArGAPDH-R、ArATUB-F和ArATUB-R进行PCR扩增，从图 1可以看出，3对引物均能扩增特异性条带，无非特异性扩增，目的条带的测序结果经DNAMAN V6.0比对后确认均是目的片段，可作进一步分析。
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图 1 PCR电泳结果注：M为Marker；1为GAPDH；2为α-tubulin；3为Actin。Figure 1. PCR products by electrophoresis2.2 Actin在不同处理温度和不同生长期的表达分析
以不同处理温度和不同生长期的金线莲茎、叶提取的总RNA反转录的cDNA为模板，优化PCR扩增循环参数，确定Actin扩增循环数为26。以优化的循环数进行PCR扩增，分析Actin在金线莲茎、叶中的表达情况。从图 2可以看出，不同温度处理和不同生长期，Actin在茎、叶中的表达量基本一致，表达稳定，可作为温度处理和生长期金线莲功能基因表达分析的内参基因。
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图 3 不同温度处理和不同生长期GAPDH的表达分析Figure 3. Expression of GAPDH gene in response to temperature changes in different growth stages![]()
图 4 不同温度处理和不同生长期α-tubulin的表达分析Figure 4. Expression of α-tubulin gene in response to temperature changes in different growth stages2.3 GAPDH在不同处理温度和不同生长期的表达分析
以各种处理金线莲茎、叶提取的总RNA反转录的cDNA为模板，经过PCR扩增循环参数优化，确定GAPDH扩增循环数为27。以优化的循环数进行PCR扩增，分析GAPDH在金线莲茎、叶中的表达情况。从图 3可以看出，不同温度处理GAPDH表达存在明显差异，随着温度的降低，GAPDH在茎、叶中的表达量越来越高，5℃的表达量最高，说明低温能上调GAPDH的表达。不同生长期GAPDH的表达量也存在差异，随着种植时间的延长，GAPDH在茎、叶中的表达量越来越高，种植4~5个月表达量最高，种植6个月的表达量下降。
2.4 α-tubulin在不同处理温度和不同生长期的表达分析
以金线莲茎、叶各种样品提取的总RNA反转录的cDNA为模板，经优化α-tubulin扩增循环数确定为28。以优化的循环数进行PCR扩增，分析α-tubulin基因在金线莲茎、叶中的表达情况。从图 4可以看出，金线莲茎15℃处理的表达量较高，其他3个温度基本一致，叶中15℃和25℃表达量比5℃和35℃稍高。随着种植时间的延长，α-tubulin在茎、叶中的表达也越来越高，种植5个月的表达量均最高，种植6个月的表达量下降。
3. 讨论
持家基因不仅参与细胞的代谢过程，还具有其他的生理功能，不同样品、不同试验因素的内参基因不同，要根据试验目的不同，分析选择适宜的持家基因做内参，提高研究的可能性和准确性。
梁云等[20]克隆发现百合lilyActin在花蕾、叶片和鳞片中表达稳定。黄连香等[21]克隆发现三叶青肌动蛋白基因ThAct1和ThAct2在茎、普通根和块根中都稳定表达，但ThAct1比ThAct2表达量高；叶与茎、根的表达量存在差异，且叶中ThAct2的表达量稍高，而ThAct1表达量较低。亓希武等[22]克隆了金银花LjActin在幼蕾期、绿蕾期、白蕾期、银花期和金花期等5个发育阶段的花中稳定表达。敖特根白音等[23]克隆了蒙古冰草MwACT2，在高盐、干旱、低温等逆境胁迫下表达稳定。本研究中金线莲肌动蛋白基因在不同温度处理和不同生长期均能稳定表达，是研究金线莲在温度胁迫或不同生长期基因表达分析的理想内参基因。
已有研究发现植物GAPDH表达并不稳定，可被高温、低温和盐胁迫等诱导。如卜娇迪等[24]克隆了金丝小枣的ZjGAPDH，定量分析发现该基因在果实不同发育阶段表达量存在差异，全红期表达量最高，半红期最低。张霞等[25]研究发现盐穗木GAPDH受盐胁迫和ABA上调表达，盐胁迫6 h、ABA处理12 h时达到最高值。本研究也发现低温上调金线莲GAPDH的表达，不同生长期GAPDH在茎、叶中的表达量也不一致，不适宜在分析温度处理和生育期金线莲功能基因表达时作为内参基因。
Jian等[26]分析了大豆不同发育时期10个内参基因，发现α-tubulin表达稳定性最好。然而，本研究中发现金线莲α-tubulin在不同的温度和生长期的表达并不稳定，不适宜在分析温度处理和生育期金线莲功能基因表达时作为内参基因。
本研究选择金线莲的GAPDH、Actin和α-tubulin等3个持家基因，应用半定量RT-PCR技术分析了不同生长期和不同温度处理条件下3个基因在茎、叶的表达水平，没有进行准确的表达定量分析，其他环境条件下金线莲持家基因的表达稳定性也有待进一步研究。
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图 1 IL-8基因位点位点峰图及序列比对
注：A：T-550C位点峰图比对；B：G-398T位点峰图比对；C：T-360C位点峰图比对；D：T-550C位点序列比对图；E：G-398T位点序列比对图；F：T-360C位点序列比对图
Figure 1. Peak and sequence alignments of IL-8
Note： A: T-550C peak alignment; B: G-398T peak alignment; C: T-360C peak alignment; D: T-550C sequence alignment; E: G-398T sequence alignment; F: T-360C sequence alignment.
表 1 引物序列信息
Table 1 Information on primer sequence
引物 Primer 引物序列（5′→3′）Primers sequence(5′→3′) 退火温度 Annealing temperature/℃ 长度 Length/bp P1 F: TTCCATTCGCATAAGTCATC 51 638 R: AAAGTTGATTTGGGGATACC P2 F: TGTAATTGGGAATTCAAGGGGGA 58 708 R: CCCATTTGGTGTGTGATAAGATGA P3 F: AGTCCACAGACCACAAAGCA 58 693 R: TCGCAATATAAGTTTCTGATGGCTT P4 F: AAACCAGCAACACAAAGTC 60 574 R: CATCTCAGCAAGTGCCAAG 
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表 2 IL-8基因5′调控区单核苷酸突变位点信息
Table 2 Information on SNPs in 5′ regulation region of IL-8
序号 Site number 染色体位置 Chromosome position 序列号 Serial number 单核苷酸多态性 SNP 1 51282560 rs740065165 T-550C 2 51282712 rs731947764 G-398T 3 51282750 rs16409254 T-360C 注：A：T-550C位点峰图比对；B：G-398T位点峰图比对；C：T-360C位点峰图比对；D：T-550C位点序列比对图；E：G-398T位点序列比对图；F：T-360C位点序列比对图
Note： A: T-550C peak alignment; B: G-398T peak alignment; C: T-360C peak alignment; D: T-550C sequence alignment; E: G-398T sequence alignment; F: T-360C sequence alignment.
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表 3 IL-8基因5′调控区SNPs突变前后转录因子变化预测结果
Table 3 Predicted transcription factors before and after mutation of IL-8 in 5' regulation region
突变位点
Mutation site碱基
Base转录因子
Transcription factor转录因子结合位点碱基序列
Transcription factor binding site base sequence转录因子位置
Transcription factor position−550 bp T Oct-1 GTTGCATTTG −551~−542 bp C −398 bp G C/EBPalp GAAATAAATA −398~−389 bp T Pit-1a TAAATAAATA −398~−389 bp C/EBPalp ACATAAATAA −401~−392 bp −360 bp T NF-1 AGCCAGTTAT −362~−353 bp C 注：图中下划线标注为突变碱基。
Note: The underline in the figure is the mutant base.
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表 4 IL-8基因5′调控区多态性
Table 4 SNPs in 5′ regulation region of IL-8
突变位点
Mutation site基因型
Genotype数量
Number基因型频率
Genotype frequency等位基因
Allelic gene等位基因频率
Allele frequencyχ2值
χ2 valueP值
P value杂合度 H 有效等位
基因数 Ne多态信息含量
PICT-550C TT 40 0.435 T 0.679 1.390 0.500 0.436 1.772 0.341 CC 7 0.076 C 0.321 TC 45 0.489 G-398T GG 13 0.141 G 0.380 0.023 0.990 0.471 1.892 0.360 TT 35 0.381 T 0.720 GT 44 0.478 T-360C TT 40 0.435 T 0.674 0.725 0.699 0.440 1.784 0.343 CC 8 0.087 C 0.326 TC 44 0.478 注：PIC＞0.50为高度多态；0.25＜PIC＜0.50为中度多态；PIC＜0.25为低度多态[15]。
Note: PIC＞0.50 is highly polymorphic; 0.25＜PIC＜0.50 is moderately polymorphic; PIC＜0.25 means low polymorphism[15].
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表 5 IL-8基因T-550C突变位点各基因型与鸡球虫抗性指标关联分析
Table 5 Correlation between genotypes mutated at T-550C in IL-8 and coccidiosis-resistance indicators
指标
Indices基因型 Genotype TT（40） TC（45） CC（7） 超氧化物歧化酶（SOD）/（U·mL−1） 750.63±88.37 720.62±78.91 723.95±67.57 丙二醛（MDA）/（nmol·mL−1） 3.66±0.40 3.74±1.26 4.16±1.03 谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-PX）/（U·mL−1） 151.77±16.94 152.22±17.53 150.83±22.52 过氧化氢酶（CAT）/（U·mL−1） 0.87±0.17 1.01±0.16 0.95±0.19 一氧化氮（NO）/（μmol·L−1） 52.35±5.25 A 49.62±3.79 AB 32.12±3.69 B 白介素1-β（IL-1β）/（ng·L−1） 20.54±2.00 19.75±3.04 20.22±1.19 白介素2（IL-2）/（ng·L−1） 14.78±2.66 15.82±2.04 15.18±2.69 白介素6（IL-6）/（ng·L−1） 69.93±3.55 72.40±8.64 67.81±4.29 白介素8（IL-8）/（ng·L−1） 90.87±7.63 b 119.11±10.42 a 109.06±11.76 ab 干扰素-γ（IFN-γ）/（ng·mL−1） 189.47±15.25 201.21±13.67 195.58±16.06 注：同行数据后不同大写字母表示差异极显著（P＜0.01），不同小写字母表示差异显著（P＜0.05），相同字母或无字母表示差异不显著（P＞0.05），表6～7同。
Note: Different uppercase letters on a same row indicate significant differences (P<0.01); different lowercase letters, significant differences (P<0.05); and, same or no letter, no significant differences (P>0.05). Same for Tables 6–7.
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表 6 IL-8基因G-398T突变位点各基因型与鸡球虫抗性指标关联分析
Table 6 Correlation between genotypes mutated at G-398T in IL-8 and coccidiosis-resistance indicators
指标
Indices基因型 Genotype GG（13） GT（44） TT（35） 超氧化物歧化酶（SOD）/（U·mL−1） 631.43±50.73 b 667.21±27.41 ab 724.97±87.91 a 丙二醛（MDA）/（nmol·mL−1） 3.66±0.40 3.63±0.39 3.19±0.73 谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-PX）/（U·mL−1） 164.04±21.41 155.20±20.63 158.58±19.50 过氧化氢酶（CAT）/（U·mL−1） 0.84±0.10 b 1.05±0.15 a 0.91±0.18 一氧化氮（NO）/（μmol·L−1） 24.18±4.26 Bab 32.67±9.88 ABb 45.89±11.63 Aa 白介素1-β（IL-1β）/（ng·L−1） 20.45±1.70 22.51±1.30 23.17±1.65 白介素2（IL-2）/（ng·L−1） 15.17±2.54 ab 13.66±1.38 b 16.51±3.10 a 白介素6（IL-6）/（ng·L−1） 65.66±6.05 71.01±7.81 68.40±7.30 白介素8（IL-8）/（ng·L−1） 94.31±9.86 104.24±7.70 105.89±13.30 干扰素-γ（IFN-γ）/（ng·mL−1） 183.25±17.99 179.94±15.83 175.99±17.26
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表 7 IL-8基因T-360C突变位点各基因型与鸡球虫抗性指标关联分析
Table 7 Correlation between genotypes mutated at T-360C in IL-8 and coccidiosis-resistance indicators
指标 Indices 基因型 Genotype TT（40） TC（44） CC（8） 超氧化物歧化酶（SOD）/（U·mL−1） 781.29±76.94 Aab 706.31±72.85 ABa 652.43±44.92 Bb 丙二醛（MDA）/（nmol·mL−1） 4.01±1.20 3.91±0.49 4.23±0.79 谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-PX）/（U·mL−1） 124.34±11.73 117.17±13.46 116.68±14.53 过氧化氢酶（CAT）/（U·mL−1） 0.77±0.16 0.86±0.30 0.74±0.14 一氧化氮（NO）/（μmol·L−1） 46.91±11.24 a 45.50±9.28 a 35.03±8.11 b 白介素1-β（IL-1β）/（ng·L−1） 20.11±1.03 20.65±1.84 21.55±2.73 白介素2（IL-2）/（ng·L−1） 15.82±2.04 a 13.82±1.84 ab 12.46±1.55 b 白介素6（IL-6）/（ng·L−1） 62.74±10.21 60.80±9.47 57.92±9.38 白介素8（IL-8）/（ng·L−1） 103.19±14.94 a 91.30±13.82 ab 83.15±13.01 b 干扰素-γ（IFN-γ）/（ng·mL−1） 163.28±13.49 b 168.75±15.29 b 193.31±16.32 a
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