【昊閱讀】miRNA在物種進(jìn)化研究中的應(yīng)用

發(fā)稿時(shí)間：2019-11-15來(lái)源：天昊生物

基因調(diào)控為基因功能的多樣化和物種形成之間提供了一種關(guān)鍵的聯(lián)系，但像miRNAs等許多基因調(diào)控機(jī)制是怎樣在快速多樣化的群體中起作用的仍不夠清楚。最近在Mol. Biol. Evol.雜志上發(fā)表了一篇研究火山口湖泊中慈鯛幼魚(yú)miRNA基因調(diào)控及其適應(yīng)性的研究，揭示了物種進(jìn)化的分子機(jī)制。

 

題目：火山口湖泊中慈鯛幼魚(yú)miRNA基因調(diào)控及平行適應(yīng)性輻射研究

發(fā)表期刊：Mol. Biol. Evol.  發(fā)表時(shí)間：2019-8-9  影響因子：14.797

 

 

歷史上，研究適應(yīng)性進(jìn)化分子機(jī)制的研究曾多集中在蛋白質(zhì)編碼序列變異上。然而，自從1969布里頓和戴維森Science文章“Gene regulation for higher cells—a theory”的發(fā)表以來(lái)，基因調(diào)控越來(lái)越被認(rèn)為是物種分化的主要驅(qū)動(dòng)力之一。現(xiàn)在，基因調(diào)控被廣泛認(rèn)為是適應(yīng)性進(jìn)化的最快和最有效的機(jī)制之一，并被認(rèn)為在物種形成的初始階段特別重要。盡管在廣泛表達(dá)的蛋白質(zhì)編碼序列中的非同步性變化可以對(duì)表型產(chǎn)生主要的多效性影響，基因調(diào)控機(jī)制，如轉(zhuǎn)錄因子、DNA甲基化和miRNAs可以產(chǎn)生更精細(xì)的結(jié)果。通過(guò)對(duì)基因的調(diào)控更有利于適應(yīng)和潛在生殖隔離，甚至在面對(duì)基因流時(shí)也能為遺傳分化奠定基礎(chǔ)。

 

研究已經(jīng)表明，miRNAs可以通過(guò)與mRNAs的靶向結(jié)合，通過(guò)mRNAs切割和/或翻譯抑制直接下調(diào)基因表達(dá)。此外，miRNAs已被證明能調(diào)節(jié)許多參與細(xì)胞分化、細(xì)胞命運(yùn)決定、增殖和組織發(fā)育等不同過(guò)程的蛋白質(zhì)。作為轉(zhuǎn)錄后基因表達(dá)的基本調(diào)節(jié)因子，miRNAs也可以促進(jìn)環(huán)境適應(yīng)、表型多樣化和物種形成。大多數(shù)蛋白質(zhì)編碼基因由miRNAs調(diào)控，miRNAs的表達(dá)通常受到嚴(yán)格的時(shí)空控制。此外，當(dāng)存在各自的結(jié)合位點(diǎn)時(shí)，單個(gè)基因可以由多個(gè)miRNAs調(diào)節(jié)。在動(dòng)物中，通常這些成熟的miRNAs是通過(guò)其5’端種子區(qū)與轉(zhuǎn)錄mRNA的3’ UTRs區(qū)域堿基互補(bǔ)配對(duì)的。然而，前體miRNA序列可以存在于基因組中的任何地方，這使得miRNAs在面對(duì)基因流的均質(zhì)化效應(yīng)時(shí)，對(duì)于適應(yīng)和物種形成具有特殊的意義。

 

本研究利用尼加拉瓜火山口湖泊中快速多樣化的慈鯛魚(yú)類(lèi) (Amphilophus spp.)，研究了miRNAs在其轉(zhuǎn)錄后的調(diào)節(jié)作用。研究者通過(guò)對(duì)五種慈鯛魚(yú)類(lèi)物種胚胎的miRNA和mRNA測(cè)序，在mRNAs中鑒定了miRNA結(jié)合位點(diǎn)，并強(qiáng)調(diào)了在這些適應(yīng)性輻射物種中存在數(shù)量驚人的新miRNA。然后，通過(guò)對(duì)表達(dá)水平的分析，研究確定了推定的表達(dá)水平呈負(fù)相關(guān)的miRNA/基因靶對(duì)，它們與miRNA在下調(diào)基因中的作用一致。此外，研究者確定的幾個(gè)miRNAs/基因?qū)︼@示出與海底/湖沼同域物種分化相關(guān)的表達(dá)模式，暗示這些miRNAs是同域分化潛在的分子機(jī)制。最后，由于這些候選miRNA/基因?qū)赡茉谶@些慈鯛魚(yú)的表型多樣化中發(fā)揮中心作用，研究者通過(guò)原位雜交來(lái)表征所選miRNA及其靶基因的表達(dá)，進(jìn)一步證明miRNA調(diào)節(jié)可能在慈鯛魚(yú)類(lèi)的適應(yīng)性輻射中發(fā)揮作用。這些結(jié)果表明，快速進(jìn)化的miRNA調(diào)節(jié)作用即便在基因流存在的情況下也會(huì)對(duì)物種的快速進(jìn)化分歧具有重要作用。

 

 

材料和方法

 

本研究使用5個(gè)魚(yú)類(lèi)物種1天齡15個(gè)樣本(每個(gè)物種3個(gè)樣本)及1月齡對(duì)應(yīng)的12個(gè)樣本。利用illumina平臺(tái)進(jìn)行的miRNA-Seq及mRNA-Seq檢測(cè)。之后進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組組裝、表達(dá)差異分析、序列特征分析、mRNA與miRNA結(jié)合位點(diǎn)分析、miRNA/基因負(fù)相關(guān)對(duì)的鑒定及免疫組化驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

 

 

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

 

實(shí)驗(yàn)取樣情況根據(jù)圖1所示。樣本經(jīng)過(guò)RNA-seq和miRNA-Seq之后，使用有參和從頭組裝方法進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組分析。檢測(cè)到了15，024個(gè)具有顯著差異的基因，平均每個(gè)有1，502.4個(gè)，范圍從188個(gè)(A. sagittae vs. A. amarillo)到3，671個(gè)差異基因(A. astorquii vs. A. amarillo)(圖2a)。主成分分析表明有很強(qiáng)的系統(tǒng)遺傳信號(hào)(圖2b-c)。

圖1、尼加拉瓜的湖泊和五種慈鯛魚(yú)群體的代表性標(biāo)本的照片

圖2、跨物種的慈鯛樣本基因表達(dá)模式。a)成對(duì)物種比較(用箭頭連接)中mRNAs差異表達(dá) (圓圈上面數(shù)字)和差異表達(dá)miRNAs(圓圈下面數(shù)字)的數(shù)量。湖間比較中差異mRNA數(shù)量最高，這反映了它們的系統(tǒng)發(fā)育差異。b)樣本mRNA PCA散點(diǎn)圖。c) 樣本miRNA PCA散點(diǎn)圖。

 

對(duì)于每個(gè)物種，鑒定的成熟miRNAs的數(shù)量從178到289個(gè)不等，由241-369個(gè)miRNA基因編碼。miRNAs和miRNA基因數(shù)量之間觀察到差異的原因可以在miRNA生物發(fā)生中找到，因?yàn)橄嗤某墒靘iRNAs可以由不同的miRNA基因編碼。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)這些慈鯛魚(yú)類(lèi)共有147個(gè)成熟miRNAs，而3-21個(gè)相同的成熟miRNAs顯示出物種特異性表達(dá)(圖3)。

 

圖3、miRNA在一個(gè)物種中唯一表達(dá)和在五個(gè)物種中共有表達(dá)情況。五個(gè)物種的顏色代碼與圖2中使用的相同。點(diǎn)描繪了哪些物種共享miRNAs集。連接點(diǎn)的每一行上方的條顯示了存在的miRNAs的數(shù)量。在條線圖中，每個(gè)條的橙色部分表示數(shù)據(jù)集中與miRBase中已知miRNAs同源的表達(dá)miRNAs的數(shù)量。黑色代表miRBase中并不存在的miRNAs。

 

 

通過(guò)成對(duì)的物種比較，檢測(cè)到了從3對(duì)到58對(duì)強(qiáng)負(fù)相關(guān)的miRNA/基因，總共158對(duì)。由于在一個(gè)以上的物種對(duì)比較中檢測(cè)到了其中的23個(gè)，在整個(gè)數(shù)據(jù)集上識(shí)別的唯一負(fù)相關(guān)對(duì)的絕對(duì)數(shù)量是124。這158個(gè)強(qiáng)負(fù)相關(guān)對(duì)涉及87個(gè)獨(dú)特的基因和48個(gè)獨(dú)特的miRNAs。其中，64個(gè)基因被單個(gè)miRNA靶向，而其余23個(gè)基因被多個(gè)miRNA靶向。值得注意的是，這五種miRNAs在與它們負(fù)相關(guān)的靶基因上顯示了相同的假定效應(yīng)信號(hào)。

 

表1、13個(gè)mRNA-miRNA強(qiáng)負(fù)相關(guān)對(duì)的注釋。

 

之后使用ISH驗(yàn)證了部分基因/miRNA強(qiáng)負(fù)相關(guān)對(duì)。第一個(gè)基因/miRNA強(qiáng)負(fù)相關(guān)對(duì)包括眾所周知的miRNA let-7d(mir-69)及其預(yù)測(cè)的基因(igdcc3)。如圖4所示，igdcc3的表達(dá)從孵化日降低到1日齡，而let-7d的表達(dá)在發(fā)育過(guò)程中增加，這與負(fù)調(diào)節(jié)相互作用一致。特別是在大腦的最前部，igdcc3的下調(diào)和let-7d的上調(diào)之間有明顯的相關(guān)性。

圖4、miRNA let-7d及其靶基因igdcc3的ISH驗(yàn)證。當(dāng)魚(yú)胚胎第一次孵化時(shí)，miRNA let-7d在頭部和身體的整個(gè)背部區(qū)域顯示低表達(dá)(a)。然而，其靶基因igdcc3表達(dá)相對(duì)較高(b)。在1 dph時(shí)，let-7d在胚胎頭部的表達(dá)明顯增加(c)，而在同一發(fā)育階段，其靶基因的表達(dá)減少(d)。黑色箭頭表示該結(jié)構(gòu)域是let-7d miRNA最顯著的調(diào)節(jié)作用。

 

 

本研究驗(yàn)證的第二個(gè)強(qiáng)負(fù)相關(guān)對(duì)為一個(gè)新的miRNA (mir-250)及其靶標(biāo)(cyp3A40)，其預(yù)測(cè)靶的表達(dá)在頭部區(qū)域顯示出彌漫的無(wú)處不在的表達(dá)模式，但是mir-250表達(dá)區(qū)域有明顯的下調(diào)。因此，mir-250和cyp3A40顯示了負(fù)相關(guān)。

圖5、miRNA mir-250及其靶基因cyp3A40的ISH。

 

 

 

關(guān)于天昊：

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