FGF家族生物信息学分析及FGF9/16/20亚家族在罗非鱼性腺发育中的可能作用

摘要

成纤维细胞生长因子(Fibroblast Growth Factors,FGFs)是一类小型分泌多肽生长因子,被证明参与到各种各样重要的生物学进程中,如生长、发育、性别决定与分化、细胞分化、增殖、迁移、凋亡等。迄今为止,哺乳动物中已分离到的FGF成员有22个(FGF1-23,人类FGF19是小鼠FGF15的直系同源基因),斑马鱼中有27个,而在其他物种还没有详细完整的报道。目前对FGF的功能特别是在性别决定与分化过程中作用的研究主要集中于哺乳动物,而鱼类中只有少量报道,为了研究FGF家族成员在鱼类性别决定与分化以及性腺发育过程中的潜在作用,我们从基因组水平以及转录组水平对新近完成基因组测序的尼罗罗非鱼的FGF家族成员进行了系统分析,并对FGF9/16/20亚家族在性腺发育中的可能作用进行了探讨。
　　 本研究通过同源搜索比对,结合基因组与转录组数据在尼罗罗非鱼中分离到了33个成员。其中7个(FGF1b、FGF4b、FGF116、FGF12b、FGF13b、FGF14b、FGF23b)为首次发现。根据分离到的尼罗罗非鱼FGF序列,还在三棘刺鱼、青鳉、红鳍东方鲀、黑青斑河豚以及新近完成基因组测序的另外4种丽鱼科鱼类一伯氏朴丽鱼、布氏新亮丽鲷、奈里朴丽鱼和斑马宫丽鱼的基因组中分离到26-33个FGFs成员。结果表明在已知硬骨鱼基因组中都不存在FGF9的同源基因,而上述5种丽鱼科鱼类拥有数目最多的FGF成员。新分离到的成员中,FGF23b仅存在于5种丽鱼科鱼类基因组中;FGF4b仅存在于鲈形目鱼类中;FGF14b仅存在于5种丽鱼科鱼类及红鳍东方鲀中;FGF1b在红鳍东方鲀和斑马鱼中不存在;FGF12b在三棘刺鱼、红鳍东方鲀以及青鳉中不存在;FGF13b在三棘刺鱼、黑青斑河豚和青鳉中不存在;而FGF11b则能在所有已公开基因组的鱼类中分离到。系统发生分析表明脊椎动物的FGF家族成员可以划分为7个亚家族:FGF1/2、FGF4/5/6、FGF3/7/10/22、FGF8/17/18、FGF9/16/20、FGF11/12/13/14、FGF19/21/23。系统进化树的聚类以及精确的共线性分析表明,本研究分离到的FGFs新成员除了FGF24以外(FGF24为鱼类特有),都是相应的人类FGFs的同源基因。对已知的FGF8/17/18亚家族成员基因结构以及系统进化发生的研究,我们可以肯定FGF8/17/18亚家族在进化历程中具有其独特性,并且其在进化的早期(最早可能发生在腔肠动物海葵)即与其他FGF亚家族发生了分离。通过对孵化后5天、30天、90天、180天尼罗罗非鱼雌、雄性腺共8个转录组数据进行的分析,我们发现尼罗罗非鱼33个FGFs基因中有20个在性腺表达。其中9个FGFs存在较为明显的性别差异,4个成员(FGF1a、FGF10b、FGF16、FGF20b)在雌性中的表达明显高于雄性,5个成员(FGF2、FGF13a、FGF13b、FGF14b、FGF24)在雄性中的表达明显高于雌性。
　　 FGF9在哺乳动物性别决定与分化过程中具有至关重要的作用,但是FGF9/16/20亚家族成员在硬骨鱼性腺发育中的功能还没有报道。通过RT-PCR和RACE技术,我们从尼罗罗非鱼中克隆了FGF9/16/20亚家族中的三个成员(FGF16、20a和20b)。系统发生、生物信息学以及共线性分析表明这三个克隆的FGFs就是FGF16和20的同源基因。我们的研究还进一步支持了硬骨鱼基因组中不存在FGF9同源基因,以及FGF20的复制仅存在于硬骨鱼类中的观点。通过RT-PCR进行的组织分布表明FGF16在包括精巢和卵巢在内的多个组织中表达;FGF20a在脑、垂体、脾脏而不在性腺中表达;FGF20b在脑、垂体、肠和卵巢中表达,而在精巢中没有表达。我们还通过real-time PCR研究了FGF16和FGF20b在正常以及性逆转性腺发育过程中的表达模式。这两个基因在XX卵巢和雌激素E2(17 beta-estradiol)诱导的XY卵巢中的表达都远远高于在XY精巢和芳香化酶抑制剂Fadrozole以及雌激素受体抑制剂Tamoxifen诱导的XX精巢中的表达,并且都在孵化后120天达到最高。原位杂交显示FGF16和FGF20的阳性信号集中在二时相的卵母细胞内。这些数据表明FGF9/16/20亚家族可能在雌性生殖细胞的发育过程中起重要作用。
　　 综上所述,我们在尼罗罗非鱼基因组中分离到33个FGFs基因,其中有7个为本研究新分离。这些新分离的成员在新近完成基因组测序的5种丽鱼科基因组中都存在,而在其他已公开的硬骨鱼基因组中仅部分存在。转录组分析表明33个尼罗罗非鱼FGFs基因中有20个成员在性腺表达,它们在性别决定与分化以及性腺发育过程中的作用,还有待进一步研究。对FGF9/16/20亚家族的表达研究表明,FGF16和FGF20b可能参与调控卵巢卵母细胞的的发育过程。