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胰岛素通过PI3K/Akt/TOR通路体外刺激泥蟹卵黄蛋白原表达的研究

期刊:general and comparative endocrinologyDOI:10.1016/j.ygcen.2017.06.013

Xiaoshuai Huang、Biyun Feng、Huiyang Huang和Haihui Ye(通讯作者)来自厦门大学海洋与地球学院及海洋生物资源开发利用协同创新中心的研究团队,于2017年在《General and Comparative Endocrinology》期刊发表了题为《In vitro stimulation of vitellogenin expression by insulin in the mud crab, Scylla paramamosain, mediated through PI3K/Akt/TOR pathway》的研究论文。该研究聚焦甲壳动物生殖内分泌调控机制,揭示了胰岛素样肽(ILP)通过PI3K/Akt/TOR信号通路调控锯缘青蟹(Scylla paramamosain)卵黄蛋白原(vitellogenin, Vtg)合成的分子机制。

学术背景

卵黄发生(vitellogenesis)是卵生动物卵巢发育过程中卵黄蛋白生成与积累的关键过程,其核心物质卵黄蛋白原(Vtg)在甲壳动物中主要由肝胰腺合成。传统研究认为甲壳动物生殖调控依赖于CHH家族神经肽、蜕皮激素和法尼烯酸甲酯(MF)等因子,而胰岛素样肽(ILP)的功能研究长期局限于雄性特异性胰岛素样促雄性腺因子(IAG)。随着转录组技术的应用,多种ILP在甲壳动物两性中被发现,但其在雌性生殖中的作用尚不明确。本研究以锯缘青蟹为模型,探究外源胰岛素对Vtg表达的调控作用及其信号通路机制,旨在填补甲壳动物ILP生殖调控理论的空白。

研究流程

1. 实验对象与组织采样

选取85-125 mm甲宽、早期卵黄发生期的雌性锯缘青蟹,解剖获取肝胰腺、卵巢、脑、血细胞和肌肉组织。肝胰腺组织用于体外培养实验,样本量每组至少3个生物学重复。

2. 体外培养系统建立

采用改良的L15培养基构建肝胰腺外植体培养体系:组织块(约20 mg)经含抗生素的蟹生理盐水清洗后,置于24孔板中预孵育1小时,随后更换含不同浓度胰岛素(0-800 ng/ml)的培养基孵育6小时。该体系首次应用于甲壳动物肝胰腺激素响应研究。

3. 分子克隆与基因表达分析

基于转录组数据库克隆PI3K、Akt、Rheb和TOR基因(分别命名为sp-PI3K、sp-Akt、sp-Rheb、sp-TOR),通过SMART软件预测蛋白结构域。采用qPCR检测:(1)肝胰腺与卵巢中sp-Vtg基础表达量;(2)胰岛素处理后sp-Vtg表达变化;(3)信号通路基因的组织分布。

4. RNA干扰实验

设计sp-Akt特异性dsRNA,通过体外转染沉默肝胰腺外植体中sp-Akt表达,设置空白对照、GFP-dsRNA对照组。采用时间梯度(30/60分钟)验证沉默效率,并检测sp-Akt沉默对胰岛素诱导的sp-Vtg和sp-Rheb表达的影响。

5. 抑制剂干预实验

使用PI3K抑制剂LY294002(20 μM)和TOR抑制剂雷帕霉素(150 nM)预孵育肝胰腺外植体30分钟,再添加胰岛素培养6小时,通过qPCR评估sp-Vtg表达抑制效果。

6. 数据分析

采用2-ΔΔCt法计算基因相对表达量,SPSS 17.0进行单因素方差分析(ANOVA)和t检验,显著性阈值设为p<0.05。

主要结果

  1. 组织特异性表达:肝胰腺中sp-Vtg表达量是卵巢的1000倍以上(p<0.05),证实其为Vtg合成主要场所。
  2. 胰岛素剂量效应:200-800 ng/ml胰岛素显著上调sp-Vtg表达(最高达2.5倍),而≤100 ng/ml无显著影响。
  3. 信号通路基因特征:成功克隆的sp-PI3K(1874 bp)、sp-Akt(1037 bp)、sp-Rheb(970 bp)和sp-TOR(920 bp)均含保守功能域(如PI3K的C2结构域、Akt的丝氨酸/苏氨酸激酶域)。这些基因广泛分布于各组织,其中sp-Akt/sp-Rheb/sp-TOR在卵巢和肝胰腺高表达。
  4. 通路验证实验
    • sp-Akt沉默使sp-Vtg表达回落至基础水平(较胰岛素组降低55%,p<0.05),但sp-Rheb表达无变化;
    • LY294002和雷帕霉素分别抑制胰岛素诱导的sp-Vtg上调(抑制率>60%),证实PI3K/Akt/TOR通路的核心作用。

结论与价值

本研究首次证实:
1. 理论层面:胰岛素通过保守的PI3K/Akt/TOR通路激活锯缘青蟹肝胰腺Vtg合成,拓展了甲壳动物ILP调控雌性生殖的理论框架;
2. 方法学创新:建立的肝胰腺外植体培养体系为甲壳动物内分泌研究提供标准化工具;
3. 应用潜力:为青蟹人工育苗中生殖调控剂的开发提供靶点(如通过调控ILP信号提高卵黄积累效率)。

研究亮点

  1. 多维度验证:结合剂量效应、基因沉默和药理学抑制,完整解析胰岛素信号通路;
  2. 进化意义:揭示脊椎动物与无脊椎动物在胰岛素调控生殖功能上的保守性;
  3. 技术适配性:RNAi在甲壳动物离体组织中的成功应用为后续基因功能研究提供范式。

其他发现

GFP-dsRNA对sp-Vtg的轻微抑制效应(约15%)提示存在非胰岛素依赖的Vtg调控路径,可能涉及其他未知因子,这为后续研究指明方向。

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