干货 | 动物生殖研究的代谢组及多组学研究方案

2023-04-19 13:07:13, 小迈武汉迈特维尔生物科技有限公司

前言

动物生殖学是研究动物生殖活动及其调控规律和调控技术的科学，是加强畜禽品种改良、保证畜牧业快速发展的重要手段，是现代动物科学或畜牧科学中研究最活跃的学科之一；在畜牧生产中，通过提高公畜和母畜繁殖效率，可以减少繁殖家畜饲养量，进而降低生产成本和饲料、饲草资源占用量。

动物生殖学涉及内容

动物生殖学研究包括动物繁殖理论研究，动物繁殖技术研究，动物繁殖管理，动物繁殖障碍及防治研究。既涉及到基础研究，又涉及动物管理研究。在基础研究中，基因组，转录组，蛋白质组，代谢组等多种组学的研究，为动物生殖相关标志物筛选及动物生殖调控机理的研究提供丰富的组学数据和研究工具。

PART

代谢组及多组学技术在动物配子发生，成熟调控机制研究应用

动物配子发生，成熟调控机制的研究，主要进行精子发生，成熟过程的机理研究，卵子的发生成熟过程的机理研究。

转录组+代谢组解析FASN在鹅卵泡发育过程中对鹅颗粒细胞的影响

●期刊：International Journal of Molecular Science：IF :6.208

●单位：四川农业大学动物科技学院

●时间：2022.10

研究背景

1.GCs（颗粒细胞）作为卵巢卵泡的重要组成部分，在维持卵泡发育中起着重要作用。

2.DNL中的关键限速酶脂肪酸合成酶(FASN)在不同卵泡大小的鹅的GCs中表现出发育阶段依赖的表达模式。因此，我们推测FASN介导的脂代谢可能参与了鹅卵泡发育的调控。

3.FASN如何调节鹅GC生理功能的机制仍然是未知的

研究结果

1. 差异代谢物筛选与富集分析

过表达组分别筛选到63，54种差异代谢物，干扰组分别筛选到36，35种差异代谢物。KEGG富集分析，过表达组嘧啶代谢、氨基糖和核苷酸糖代谢通路富集；干扰组生物素代谢途径显著富集。

2. 基因富集分析

FASN过表达样本中，GCs的免疫和凋亡相关通路富集；FASN干扰样本中，phGCs的跨膜信号转导显著富集，hGCs的脂质代谢和跨膜信号转导显著富集。

3. 候选基因筛选

筛选FANS过表达phGCs和hGCs细胞的富集通路，两组共有富集通路有9条，这9条通路均与免疫或坏死有关。

筛选9条通路的差异基因进行相关性分析，显示STAT1，IRF7，TLR3是FASN过表达的phGCs和hGCs相互作用网络中排名前三的枢纽基因。

4. 调控机制模式图构建

FASN过表达

激活了phGCs中神经活性配体-受体相互作用信号通路，上调了HTR4、HTR 6和HTR7基因的表达。增加了5-羟色氨酸(5-HT的代谢物)的含量，phGCs培养基中5-HT的含量并没有降低。

FASN干扰

激活了hGCs中的神经活性配体-受体相互作用信号通路，下调了HTR1B和HTR4的表达。FASN干扰增加了hGCs培养基中5-HT的含量。

研究结论

结果表明，过表达FASN可通过激活phGCs中的TLR3/IRF7和TLR3/NF-κB通路促进促炎因子的表达，但仅通过激活hGCs中的TLR3/IRF7通路促进促炎因子的表达。然后分别通过JAK/STAT1途径(炎症因子诱导)和BAK/caspase-7途径触发坏死和凋亡。结合代谢组和转录组分析发现，FASN通过激活两类GCs中的神经活性配体受体相互作用途径，仅改变phGCs中色氨酸的代谢途径，从而影响GCs对5-羟色胺(5-HT)的需求，最终参与调节鹅GCs的生理功能。综上所述，本研究表明FASN调控鹅phGCs和hGCs生理功能的机制相似，但也存在一些不同的特点。

PART

代谢组及多组学技术在动物繁殖过程中调控机制研究的应用

动物生殖过程如包括发情、排卵、受精、胚胎发育、性别发生、妊娠维持、分娩、泌乳等等。通过代谢组及多组学技术研究这些生殖过程的变化机理，及差异的原因，如我们可以通过代谢多组学技术研究季节性发情的机制，为增加畜牧的繁殖力提供理论基础。

联合肝脏代谢组学和蛋白质组学揭示奶牛围产期适应机制

期刊：Journal of Dairy Science IF：4.225

时间：2022年11月

单位：中国农业大学

研究背景

围产期（妊娠后期以及分娩期，产后）是奶牛最具挑战的生理阶段，直接影响奶牛的生产性能、健康和可持续盈利能力;肝脏作为机体的中枢代谢器官，其活动受到许多营养物质和生理因素的影响，并参与基因、蛋白质、酶和代谢物变化的调节，其代谢适应性决定了奶牛能否顺利渡过围产期。由于围产期代谢变化的复杂性，目前仍然缺乏对这一生理机制的完整解释。因此，更好地了解围产期奶牛的肝脏代谢和蛋白质谱有助于降低代谢疾病的风险并提高奶牛的盈利能力。

研究方案

研究结果

1. 干物质采食量、产奶量检测分析

从PREP（产前）到POSP（产后），DMI（干物质采食量）和血清TC（总胆固醇）含量增加，TG（甘油三酯）含量降低。产奶量随产犊后的时间增加。

围产期间奶牛DMI、产奶量和血清总胆固醇（TC）甘油三酯（TG）非酯化脂肪酸（NEFA）及β-羟丁酸（BHB）的变化

2. 肝脏代谢组分析

肝脏代谢组学鉴定233个代谢物；PCA和OPLS-DA分析可见两组间代谢物分离程度良好；筛选得到44个差异代谢物，在POSP组中30个上调，14个下调；通路分析显示主要富集在15条代谢通路上这些代谢物主要参与氨基酸、脂质、能量和核苷酸代谢等途径。

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肝脏样本的kegg通路富集分析

3. 蛋白质组分析

DIA鉴定了3539个蛋白质，差异蛋白250，与PREP组相比，POSP组中169个上调，81个下调。挑选了5种蛋白质进行WB验证，趋势与DIA一致。

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围产奶牛肝脏差异蛋白质的Top20基因

4. 差异蛋白质的功能注释和相互作用网络

蛋白质组学KEGG富集分析，4条通路显著富集，过氧化物酶体增殖物激活受体（PPAR）信号通路、核糖体、过氧化物酶体和柠檬酸盐循环（TCA循环）。上调差异蛋白在PPI网络中呈现出2个聚集网络分别为脂质和碳水化合物代谢以及几种核糖体蛋白；

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围产奶牛肝脏组织差异蛋白质的互作网络图（PPI）

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围产期奶牛肝脏下调蛋白质KEGG通路分析

5. 代谢组学和蛋白质组学关联分析

两组学数据KEGG富集分析显示，关键途径主要集中在AA代谢，脂质代谢，碳水化合物代谢和氧化状态。34个差异代谢物和7个差异蛋白主要参与这些途径。

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差异蛋白和差异代谢物影响围产期奶牛肝脏氨基酸和碳水化合物的示意图

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PPAR信号通路（A）和脂肪酸氧化（B）示意图

研究结论

该研究整合了代谢组和蛋白质组学技术来评估围产期奶牛肝脏适应情况。组学结果显示，POSP奶牛的肝脏氨基酸降解、FA氧化、AMPK信号通路和PPAR信号通路上调，可为TCA循环和糖异生提供能量底物。胰高血糖素和胰岛素信号通路上调也表明POSP奶牛对能量的需求增加，由于脂质，氨基酸，碳水化合物代谢增加，氧化水平升高，解释了围产期奶牛代谢相关以及感染性疾病的高发。上述结果展示了围产期奶牛肝脏的生理代谢状态，有望为制定有效的围产期奶牛营养调节策略提供帮助。

PART

代谢组及多组学技术在动物繁殖障碍机理研究中的应用

养殖过程中营养、环境、传染性疾病等控制不当都会造成繁殖障碍，出现流产，死胎，弱胎，畸形胎，不孕不育等，严重影响人工授精成功率，饲料中营养缺乏或比例失衡、温度过高或过低、光照时间不足等原因都会引起激素释放的变化，进而造成繁殖障碍。利用代谢组及多组学技术去分析动物繁殖障碍的发病率和病因、辅助去探讨防治繁殖障碍的方法与技术措施。

人工饲养异齿裂腹鱼肝脏和卵母细胞的代谢组和转录组分析

●发表时间：2021.10

●发表单位：河南农业大学&西藏农牧科学院

●发表期刊：Frontiers in Genetics

●IF：4.772

研究背景

异齿裂腹鱼(Schizothorax o connori, S. o connori)是青藏高原雅鲁藏布江干流和支流特有的重要四倍体鱼类亚科。由于人类活动和过度捕捞，近年来异齿裂腹鱼的野生资源一直在减少。根据最近对渔业资源的调查，异齿裂腹鱼已被列为濒危物种。

人工驯化是利用和保护鱼类资源的有效手段。近年来进行了人工育种和繁殖。然而，异齿裂腹鱼的驯化仍然面临许多挑战，例如这种鱼在人工饲养时可能会表现出重要的生殖功能障碍。然而，人工喂养对异齿裂腹鱼卵母细胞和肝脏的影响尚不清楚。

技术路线

研究结果

1. 形态学和组织学分析

人工饲养的异齿裂腹鱼体色呈黄色，卵细胞呈白色，大小不均匀，存在大量闭锁卵母细胞。细胞核缺失或被推至细胞边缘，细胞质在肝脏中液化。

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图1 野生与人工培养的异齿裂腹鱼整体形态、卵巢和卵细胞

2. 代谢组检测

卵母细胞差异代谢物为卵巢发育相关的代谢物，如孕烯醇酮、前列腺素F3a、花生四烯酸、5 -二磷酸腺苷和单磷酸腺苷。卵母细胞中精氨酸和脯氨酸代谢和亚油酸代谢通路富集，肝脏中不饱和脂肪酸生物合成、嘧啶代谢、ABC转运体、淀粉和蔗糖代谢、脂肪酸生物合成通路富集。

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图2 野生和人工培养的异齿裂腹鱼差异代谢物分析

3. 转录组检测

转录组富集分析显示，卵母细胞中原核生物中的碳固定通路、PPAR信号通路神经活性配体-受体相互作用、丙酸盐代谢和碳代谢富集；肝脏中细胞生长和死亡富集。qRT-PCR验证转录组结果。

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图3 LD和LW不同表达基因(DEGs)的GO (A)和KEGG (B) 富集分析

4. 转录组与代谢组关联分析

转录组与代谢组关联分析，肝脏组织中两组学共同富集通路为不饱和脂肪酸的生物合成、淀粉和蔗糖的代谢以及脂肪酸的生物合成；孕烯醇酮- sts和孕烯醇酮- sult2b两对代谢基因呈负相关，这两对代谢物基因对与类固醇激素生物合成途径有关。

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图4 差异代谢物和不同表达基因关联分析

研究结论

在人工养殖过程中，应特别注意脂肪酸的组成和采食量。许多代谢物基因对与5 -二磷酸腺苷、一磷酸腺苷和孕烯醇酮有关。这些数据提供了全面的代谢和转录组的概述，并拓宽了我们对人工饲养的异齿裂腹鱼的理解。

参考文献

Chen X, Huang K, Hu S, et al. Integrated Transcriptome and Metabolome Analysis Reveals the Regulatory Mechanisms of FASN in Geese Granulosa Cells[J]. International Journal of Molecular Sciences, 2022, 23(23): 14717.

Zhang J, Gaowa N, Wang Y, et al. Complementary hepatic metabolomics and proteomics reveal the adaptive mechanisms of dairy cows to the transition period[J]. Journal of Dairy Science, 2023, 106(3): 2071-2088.

Zhou J, Wang W, Li Z, et al. Metabolome and Transcriptome Analysis of Liver and Oocytes of Schizothorax o’connori Raised in Captivity[J]. Frontiers in Genetics, 2021, 12: 677066.