БИОХИМИЯ, 2021, том 86, вып. 10, с. 1578–1591

УДК 577.21

Сравнительный анализ и идентификация дифференциально экспрессируемых микроРНК в гипоталамусе овец казахской породы, помещенных в различные фотопериодические условия

© 2021 H. Yang 1,2*#yh20183007@swu.edu.cn, L. Fu 3#, Q. Luo 1#, L. Li 1, F. Zheng 1, X. Liu 4, Z. Zhao 4, Z. Wang 1, H. Xu 1*280111842@qq.com

1 College of Veterinary Medicine, Southwest University, 404100 Chongqing, China

2 Immunology Research Center, Medical Research Institute, Southwest University, 404100 Chongqing, China

3 Research Institute of Herbivorous Livestock, Chongqing Academy of Animal Sciences, 404100 Chongqing, China

4 College of Animal Science and Technology, Shihezi University, 830000 Xinjiang, China

Поступила в редакцию 25.02.2021
После доработки 06.06.2021
Принята к публикации 21.07.2021

DOI: 10.31857/S0320972521100122

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: микроРНК, гипоталамус, ген-мишень, нейроэндокринная регуляция, обратная связь.

Аннотация

МикроРНК играют важную роль во многих биологических регуляторных процессах, принимая участие в регуляции экспрессии генов на посттранскрипционном уровне. Тем не менее информация относительно микроРНК, ассоциированных с метаболическими путями, связанными с фотопериодизмом, который определяет сезонную активность животных, весьма ограничена. Для изучения влияния различных фотопериодических условий на экспрессию микроРНК мы разделили овец казахской породы на две группы. В одну группу вошли животные, помещенные в условия длинного фотопериода (LP – long photoperiod; 16L : 8D, 16 ч на свету и 8 ч в темноте). Другую группу составили овцы, находящиеся в условиях короткого фотопериода (SP – short photoperiod; 8L : 16D, 8 ч на свету и 16 ч в темноте), при этом животные также получали дополнительный корм. Далее в этих двух группах мы определили микроРНК и их гены-мишени, имеющие отношение к фотопериодизму. Всего нами было идентифицировано 15 дифференциально экспрессируемых микроРНК, ассоциированных с 310 регуляторными путями, охватывающими фотопериодизм, гормоны репродуктивной системы и питание. Пара miR-136–GNAQ была выбрана для исследования и валидирована как дифференциально экспрессируемая: методом двойной люциферазной детекции было показано, что между miR-136 и GNAQ существует отрицательная обратная связь. При исследовании профиля экспрессии было показано, что экспрессия GNAQ снижена у самок в состоянии эструса как в  словиях LP, так и в условиях SP, в то время как повышенная экспрессия GNAQ наблюдалась в условиях LP у самок в период анэструса. Кроме того, при проведении функционального анализа было обнаружено, что в клетках гипоталамуса экспрессия KISS1 и GnRH повышается, а DIO2 и TSHB – снижается, в то время как экспрессия GNAQ оказывается сниженной. Таким образом, пара miR-136–GNAQ может действовать как переключатель в регуляции сезонного эструса (течки) при различных фотопериодических условиях. Полученные результаты дают новую информацию о связи между микроРНК и сезонной регуляцией репродуктивной активности. Кроме того, наша работа позволяет по-новому взглянуть на микроРНК-опосредованные регуляторные механизмы с целью преодоления фотоингибирования у сезонно размножающихся млекопитающих, таких как овцы казахской породы.

Текст статьи

Пожалуйста, введите код, чтобы получить PDF файл с полным текстом статьи:

captcha

Сноски

* Адресат для корреспонденции.

# Авторы внесли равный вклад в работу.

Финансирование

Настоящая работа получила финансирование от Национального фонда естественных наук КНР (31802065), исследовательского проекта Фонда финансирования докторских стартапов проекта CQ Юго-западного Университета (SWU119013), поддерживаемого Фондом естественных наук (cstc2020jcyj-msxmX0427).

Благодарности

Авторы выражают благодарность коллегам из лаборатории за предоставление экспертных мнений и рекомендаций, необходимых для проведения данного исследования.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов в финансовой или какой-либо иной сфере.

Соблюдение этических норм

Были соблюдены все применимые международные, национальные и/или институциональные положения по уходу и использованию животных.

Дополнительные материалы

Приложение к статье на английском языке опубликовано на сайте журнала «Biochemistry» (Moscow) (http://protein.bio.msu.ru/biokhimiya/) и на сайте издательства Springer (www.springer.com/journal/10541), том 86, вып. 10, 2021.

Список литературы

1. Goldman, B. D. (2001) Mammalian photoperiodic system: formal properties and neuroendocrine mechanisms of photoperiodic time measurement, J. Biol. Rhythm., 16, 283-301.

2. Forcada, F., and Abecia, J. A. (2006) The effect of nutrition on the seasonality of reproduction in ewes, Reprod. Nutr. Dev., 46, 355-365.

3. Greives, T. J., Mason, A. O., Scotti, M. A. L., Levine, J., Ketterson, E. D., et al. (2007) Environmental control of kisspeptin: implications for seasonal reproduction, Endocrinology, 148, 1158-1166.

4. Shinomiya, A., Shimmura, T., Nishiwaki-Ohkawa, T., and Yoshimura, T. (2014) Regulation of seasonal reproduction by hypothalamic activation of thyroid hormone, Front. Endocrinol., 5, 12.

5. Wodzicka-Tomaszewska, M., Hutchinson, J. C. D., and Bennett, J. W. (1967) Control of the annual rhythm of breeding in ewes: effect of an equatorial daylength with reversed thermal seasons, J. Agr. Sci., 68, 61-67.

6. Marshall, F. H. A. (1937) On change over in oestrous cycle in animals after transference across equator, with further observations on incidence of breeding season and factors controlling sexual periodicity, Proc. Roy. Soc. London. Ser. B, 122, 413-428.

7. Legan, S. J., and Karsch, F. J. (1983) Importance of retinal photoreceptors to the photoperiodic control of seasonal breeding in the ewe, Biol. Reprod., 29, 316-325.

8. Ortavant, R., Bocquier, F., Pelletier, J., Ravault, J. P., Thimonier, J., and Volland-Nail, P. (1988) Seasonality of reproduction in sheep and its control by photoperiod, Aust. J. Biol. Sci., 41, 69-86.

9. Lincoln, G. A., and Clarke, I. J. (1994) Photoperiodically-induced cycles in the secretion of prolactin in hypothalamo-pituitary disconnected rams; evidence for translation of the melatonin signal in the pituitary gland, J. Neuroendocrinol., 6, 251-260.

10. Abecia, J. A., Chemineau, P., Flores, J. A., Keller, M., Duarte, G., et al. (2015) Continuous exposure to sexually active rams extends estrous activity in ewes in spring, Theriogenology, 84, 1549-1555.

11. Chemineau, P., Daveau, A., Maurice, F., and Delgadillo, J. A. (1992) Seasonality of estrus and ovulation is not modified by subjecting female Alpine goats to a tropical photoperiod, Small Ruminant Res., 8, 299-312.

12. Estrada-Cortés, E., Vera-Avila, H. R., Urrutia-Morales, J., Villagómez-Amezcua, E., Jiménez-Severiano, H., et al. (2009) Nutritional status influences reproductive seasonality in Creole goats: 1. Ovarian activity during seasonal reproductive transitions, Anim. Reprod. Sci., 116, 282-290.

13. Zarazaga, L. A., Guzmán, J. L., Domínguez, C., Pérez, M. C., and Prieto, R. (2005) Effect of plane of nutrition on seasonality of reproduction in Spanish Payoya goats, Anim. Reprod. Sci., 87, 253-267.

14. Lazarin, G. B., Alves, N. G., Perez, J. R. O., Lima, R. R. D., Garcia, I. F. F., et al. (2012) Plasma urea nitrogen and progesterone concentrations and follicular dynamics in ewes fed proteins of different degradability, Rev. Bras. Zootecn., 41, 1638-1647.

15. Zarazaga, L. A., Gatica, M. C., Celi, I., Guzmán, J. L., and Malpaux, B. (2011) Artificial long days and daily contact with bucks induce ovarian but not oestrous activity during the non-breeding season in Mediterranean goat females, Anim. Reprod. Sci., 125, 81-87.

16. Yang, H., Liu, X. X., Hu, G. D., Xie, Y. F., Lin, S., et al. (2018) Identification and analysis of microRNAs-mRNAs pairs associated with nutritional status in seasonal sheep, Biochem. Biophys. Res. Commun., 499, 321-327.

17. Rosalind, C. L., Rhonda, L. F., and Ambrost, V. (1993) The C. elegans heterochronic gene lin-4 encodes small RNAs with antisense complementarity to lin-14, Cell, 75, 843-854.

18. Reinhart, B. J., Slack, F. J., Basson, M., and Pasquinelli, A. E. (2000) The 21-nucleotide let-7 RNA regulates developmental timing in Caenorhabditis elegans, Nature, 403, 901-906.

19. Meister, B., Herzer, S., and Silahtaroglu, A. (2013) MicroRNAs in the hypothalamus, Neuroendocrinology, 98, 243-253.

20. Cui, W., Zhang, Y., Hu, N., Shan, C., Zhang, S., et al. (2010) miRNA-520b and miR-520e sensitize breast cancer cells to complement attack via directly targeting 3′ UTR of CD46, Cancer Biol. Ther., 10, 232-241.

21. Yang, H., Lin, S., Lei, X., Yuan, C., Yu, Y., et al. (2018) Nutritional status affects the microRNA profile of the hypothalamus of female sheep, Reprod. Fert. Dev., 30, 946-957.

22. Yang, H., Lin, S., Lei, X. P., Yuan, C., Tian, Z. W., et al. (2016) Identification and profiling of microRNAs from ovary of estrous Kazakh sheep induced by nutritional status in the anestrous season, Anim. Reprod. Sci., 175, 18-26.

23. Kishi, H., Kitahara, Y., Imai, F., Nakao, K., and Suwa, H. (2018) Expression of the gonadotropin receptors during follicular development, Reprod. Med. Biol., 17, 11-19.

24. Kitahara, Y., Nakamura, K., Kogure, K., and Minegishi, T. (2013) Role of microRNA-136-3p on the expression of luteinizing hormone-human chorionic gonadotropin receptor mRNA in rat ovaries, Biol. Reprod., 89, 114.

25. Shimizu, T., Watanabe, K., Anayama, N., and Miyazaki, K. (2017) Effect of lipopolysaccharide on circadian clock genes Per2 and Bmal1 in mouse ovary, J. Physiol. Sci., 67, 623-628.

26. Shimizu, T., Hirai, Y., Murayama, C., Miyamoto, A., Miyazaki, H., and Miyazaki, K. (2011) Circadian Clock genes Per2 and clock regulate steroid production, cell proliferation, and luteinizing hormone receptor transcription in ovarian granulosa cells, Biochem. Biophys. Res. Commun., 412, 132-135.

27. Li, L., Zhang, Z., Peng, J., Wang, Y., and Zhu, Q. (2014) Cooperation of luteinizing hormone signaling pathways in preovulatory avian follicles regulates circadian clock expression in granulosa cell, Mol. Cell. Biochem., 394, 31-41.

28. Guh, Y. J., Tamai, T. K., and Yoshimura, T. (2019) The underlying mechanisms of vertebrate seasonal reproduction, P. Jap. Acad. Ser. B, 95, 343-357.

29. Huang, D. W., Wang, J. X., Liu, Q. Y., Chu, M. X., Di, R., et al. (2013) Analysis on DNA sequence of TSHB gene and its association with reproductive seasonality in goats, Mol. Biol. Rep., 40, 1893-1904.

30. Pineda, R., Aguilar, E., Pinilla, L., and Tena, S. M. (2010) Physiological roles of the kisspeptin/GPR54 system in the neuroendocrine control of reproduction, Prog. Brain Res., 18, 55-77.

31. Kauffman, A. S., Clifton, D. K., and Steiner, R. A. (2007) Emerging ideas about kisspeptin-GPR54 signaling in the neuroendocrine regulation of reproduction, Trends Neurosci., 30, 504-511.

32. Roa, J., Aguilar, E., Dieguez, C., Pinilla, L., and Tena, S. M. (2008) New frontiers in kisspeptin/GPR54 physiology as fundamental gatekeepers of reproductive function, Front. Neuroendocrinol., 29, 48-69.

33. Clarkson, J., de Tassigny, X. D. A., Moreno, A. S., Colledge, W. H., and Herbison, A. E. (2008) Kisspeptin-GPR54 signaling is essential for preovulatory gonadotropin-releasing hormone neuron activation and the luteinizing hormone surge, J. Neurosci., 28, 8691-8697.

34. Krsmanovic, L. Z., Hu, L., Leung, P. K., Feng, H., and Catt, K. J. (2009) The hypothalamic GnRH pulse generator: multiple regulatory mechanisms, Trends Endocrinol. Metab., 20, 402-408.

35. Smith, J. T., Clay, C. M., Caraty, A., and Clarke, I. J. (2007) KiSS-1 messenger ribonucleic acid expression in the hypothalamus of the ewe is regulated by sex steroids and season, Endocrinology, 48, 1150-1157.

36. Dubois, S. L., Wolfe, A., Radovick, S., Boehm, U., and Levine, J. E. (2016) Estradiol restrains prepubertal gonadotropin secretion in female mice via activation of ERα in kisspeptin neurons, Endocrinology, 157, 1546-1554.

37. Mayer, C., Acosta-Martinez, M., Dubois, S. L., Wolfe, A., Radovick, S., et al. (2010) Timing and completion of puberty in female mice depend on estrogen receptor α-signaling in kisspeptin neurons, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 107, 22693-22698.

38. Wintermantel, T. M., Campbell, R. E., Porteous, R., Bock, D., Gröne, H. J., et al. (2006) Definition of estrogen receptor pathway critical for estrogen positive feedback to gonadotropin-releasing hormone neurons and fertility, Neuron, 52, 271-280.

39. Smith, J. T., Clifton, D. K., and Steiner, R. A. (2006) Regulation of the neuroendocrine reproductive axis by kisspeptin-GPR54 signaling, Reproduction, 131, 623-630.

40. Piet, R., Boehm, U., and Herbison, A. E. (2013) Estrous cycle plasticity in the hyperpolarization-activated current Ih is mediated by circulating 17β-estradiol in preoptic area kisspeptin neurons, J. Neurosci., 33, 10828-10839.

41. Mittelman-Smith, M. A., Wong, A. M., Kathiresan, A. S., and Micevych, P. E. (2015) Classical and membrane-initiated estrogen signaling in an in vitro model of anterior hypothalamic kisspeptin neurons, Endocrinology, 156, 2162-2173.

42. Bechtold, D. A., and Loudon, A. S. (2007) Hypothalamic thyroid hormones: mediators of seasonal physiology, Endocrinology, 148, 3605-3607.

43. Fraire-Cordero, S., Salazar-Ortiz, J., Cortez-Romero, C., Pérez-Hernández, P., Herrera-Corredor, C. A., and Gallegos-Sánchez, J. (2018) External stimuli help restore post-partum ovarian activity in Pelibuey sheep, S. Afr. J. Anim. Sci., 48, 2.

44. Beltramo, M., Dardente, H., Cayla, X., and Caraty, A. (2014) Cellular mechanisms and integrative timing of neuroendocrine control of GnRH secretion by kisspeptin, Mol. Cell Endocrinol., 382, 387-399.

45. Dardente, H., Wood, S., Ebling, F., and Sáenz de Miera, C. (2019) An integrative view of mammalian seasonal neuroendocrinology, J. Neuroendocrinol., 31, e12729.