热应激对猪胚胎附植早期子宫内膜损伤的分子机制研究

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热应激是影响畜牧业生产力最常见的应激源之一。近年来,热应激对动物生殖功能的影响受到广泛关注。研究表明,热应激影响机体激素分泌、生殖细胞增殖和胚胎发育过程从而降低母猪的繁殖性能。目前,国内外热应激对母猪繁殖性能的相关研究主要集中在卵巢功能和胚胎发育上,热应激是否影响猪胚胎附植早期子宫的相关机制方面的研究较少。研究表明热应激通过改变细胞完整性引起高渗应激,导致细胞内环境的改变。在胚胎附植期间,子宫内环境的改变可能会对后代的发育和健康产生重大影响。自噬被认为是对抗热应激和高渗应激的一种适应性机制。因此,本研究拟通过组织形态学检测、实时荧光定量检测、蛋白免疫印迹分析、信号通路分析、激光共聚焦显微镜观测等方法解析热应激和高渗应激诱导猪子宫内膜上皮细胞的自噬对早期胚胎附植的影响及其调控机制,从而对妊娠早期母猪饲养环境调控给予理论支持,以期充分提升母猪的繁殖潜力。主要的研究结果如下:1.热应激对猪胚胎附植早期子宫内膜组织及基因表达谱的影响本试验证明了热应激对猪早期胚胎附植期子宫内膜组织的影响。6头初产母猪随机分为对照组和热应激组。在胚胎附植关键时期第11天开始热处理,热处理4天,在第14天收集子宫样品,观察子宫受损情况、检测紧密连接蛋白、自噬相关蛋白表达情况。同时利用RNA-Seq技术分析了热应激后猪子宫内膜组织中差异表达基因情况。(1)H&E染色结果显示,热应激组猪子宫内膜上皮厚度(21.0613±3.1871 mm)极显著低于对照组(38.0225±5.0119 mm)(P<0.001)。透射电镜发现,热应激后,猪子宫内膜上皮细胞微绒毛分布不均匀,发生粘连、倒伏或缺失,细胞凹陷及细胞膜破裂,形成漏洞。(2)Western blot结果显示,热应激组子宫内膜组织N-钙粘蛋白(N-cadherin)和E-钙粘蛋白(E-cadherin)蛋白表达量显著低于对照组(P<0.05),Rho A和ROCK1蛋白的表达显著低于对照组(P<0.05)。(3)Western blot结果显示,热应激组猪子宫内膜组织中自噬相关P62蛋白的表达显著降低(P<0.05);同时mTOR信号通路及其下游效应因子S6K1和4EBP1磷酸化水平显著下降(P<0.05)。(4)RNA-Seq结果显示,热应激组338个基因表达上调,378个基因表达下调。差异上调基因主要与免疫系统过程、基质金属蛋白酶活性和氨基酰基-t RNA连接酶活性等重要功能的分子功能有关。差异下调基因与钙离子结合、细胞外区、分子传感器活性、信号传感器活性和跨膜信号受体活性重要功能的分子功能有关。2.热应激对猪子宫内膜上皮细胞的影响为探究热应激诱导猪子宫内膜损伤的调控机制,本试验构建猪子宫内膜上皮细胞热应激模型。将处于对数生长期的猪子宫内膜上皮细胞转移到高温培养箱(42℃)中培养不同时间(0 h,1 h,2 h和4 h)以诱导热应激反应。(1)热应激处理猪子宫内膜上皮细胞0 h,1 h,2 h和4 h,细胞形态和细胞活性发生了明显的变化,热应激0 h时,两组细胞OD值无明显差异(P>0.05);热处理1 h时,猪子宫内膜上皮细胞活力极显著降低(P<0.001)。(2)RT-q PCR检测热休克蛋白mRNA水平,结果显示,热应激组HSP90、HSP27、HSPH1和HSPA4L mRNA水平显著高于对照组,并且其表达随着热应激时间的延长逐渐升高,具有时间依赖性。HSP70 mRNA表达水平呈先升高后降低的趋势,并在热处理1 h达到峰值。(3)RT-q PCR检测胚胎附植相关基因mRNA水平,结果显示,随着热处理时间延长,热处理组MUC1 mRNA水平均低于对照组;HBEGF、GNRHR、DKK1、OPN和FN1表达呈先升高后降低趋势。(4)热应激处理猪子宫内膜上皮细胞后,BAX表达量先升高后降低,BCL2基因表达量在热处理1 h和2 h无变化,在4 h达到峰值。(5)热应激处理猪子宫内膜上皮细胞后,检测其细胞ROS和MMP水平,结果显示,猪子宫内膜上皮细胞中ROS水平呈先升高后降低趋势,在1 h达到峰值,且均高于对照组。MMP呈现先降低后上升再降低的趋势,热处理1 h达到最低值。(6)Western blot检测自噬相关蛋白,结果显示,热处理组猪子宫内膜上皮细胞中LC3II/LC3I、P62表达量显著低于对照组(P<0.05);同时,热应激组GRP78蛋白的表达量显著高于对照组(P<0.05)。3.高渗应激对小鼠子宫内膜组织形态和胚胎附植功能的影响本试验利用Na Cl构建小鼠胚胎附植期高渗应激模型,在妊娠第3天腹腔注射Na Cl(0.5 M,1 M和2 M),连续注射5天,研究高渗应激对小鼠子宫内膜组织形态和胚胎附植功能的影响。(1)高渗应激后,2 M处理组小鼠体重的变化极显著高于对照组(P<0.001),而0.5 M和1 M组无显著差异(P>0.05)。与对照组相比,随着Na Cl浓度的增加,胚胎形态发生了显著变化,子宫两侧胚胎着床位点间隔不均一;0.5 M和1 M组小鼠子宫湿重无显著差异,而2 M组湿重显著降低(P<0.05)。(2)H&E染色结果发现,与对照组相比,1 M组子宫腔松散;2 M组子宫腔开放且不规则,腔上皮发育不完全,腺体较少。4.高渗应激对猪子宫内膜上皮细胞的影响本试验利用Na Cl构建猪子宫内膜上皮细胞高渗应激模型,研究高渗应激对猪子宫内膜上皮细胞增殖、自噬和完整性的影响。在培养基中添加Na Cl调整渗透压为500 m Osmol/kg,培养时间为15 min,0.5 h,1 h,3 h和6 h。(1)高渗处理猪子宫内膜上皮细胞15 min,0.5 h,1 h,3 h和6 h,LC3II/LC3I蛋白表达在处理1 h和3 h达到峰值。同时CCK8结果显示,高渗处理猪子宫内膜上皮细胞,3 h和6 h细胞活力极显著降低(P<0.001)。(2)Western blot结果显示,与对照组相比,高渗处理组β-catenin、N-cadhrein和E-cadherin表达极显著降低(P<0.01),而ZO-1表达无显著差异(P>0.05)。与对照组相比,高渗应激组ROCK1、ROCK2的表达均显著降低(P<0.01)。免疫荧光结果显示,高渗应激组ZO-1细胞膜染色明显混乱不连续,胞浆中也有明显的着色;E-cadherin的表达量明显降低。激光共聚焦结果显示,高渗处理1 h猪子宫内膜上皮细胞变圆和细胞骨架塌陷以及F-ACTIN的分布模式被打乱。(3)Western blot结果显示,与对照组相比,高渗应激组LC3II/LC3I、GRP78表达显著增加,P62、p-mTOR、p-S6K1和p-4EBP1表达量显著降低(P<0.05)。(4)RNA-Seq结果显示:高渗应激组筛选到148个上调基因,163个下调基因。差异基因的生物学过程主要涉及“应激反应途径”、“生物粘附”、“细胞组分组织或合成”、“生物调节”、“生物过程调节”、“生殖过程”、“细胞过程”、“细胞增殖”、“代谢”等。5.差异表达基因S100A9功能研究(1)猪子宫内膜上皮细胞干涉S100A9基因后发现,胚胎附植相关基因S100A8和S100A12的表达显著下调(P<0.05),不利于胚胎附植。(2)猪子宫内膜上皮细胞超表达S100A9基因后G1和G2期细胞显著减少,S期细胞显著增多(P<0.05)。(3)猪子宫内膜上皮细胞超表达S100A9基因后细胞总凋亡比例显著减少,而干涉S100A9基因后细胞总凋亡比例显著增加。
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