研究揭示精子生成過程中特異性高表達的miRNA家族進化史

2020-11-30 生物谷

 

近期國際學術期刊Molecular Biology and Evolution 在線發表了中國科學院生物化學與細胞生物學研究所吳立剛實驗室的研究成果：Evolution of an X-linked miRNA family predominantly expressed in mammalian male germ cells。在該項工作中，研究人員展示了有袋類哺乳動物基因組中的一個轉座子如何演化成胎盤類哺乳動物精子生成過程中特異性高表達的miRNA家族。

microRNA（miRNA）在許多重要的生物學過程中都起著必不可少的作用，但對於精子發生過程中小RNA表達的種類、調控規律及其演化卻知之甚少。吳立剛研究組分離純化了小鼠精子生成過程中幾個關鍵時期的生精細胞，並利用自主建立的微量小RNA深度測序技術繪製了小RNA表達譜。研究發現miRNA和piRNA是小鼠精子發生過程最主要的兩類小RNA，二者的表達量在整個精子生成過程中發生了巨大的動態變化。從精原幹細胞進入減數分裂時期，一個位於X染色體上的miRNA家族的表達量顯著增加，在細線期高達miRNA總量的70%，研究人員將其命名為spermiR (spermatogenesis-related miRNA family)。在目前已有注釋基因組的所有胎盤類物種中均能找到spermiR的同源基因，並且spermiR家族成員始終位於X染色體上的Slitrk2和Fmr1基因之間。通過同源序列比對，研究人員在比胎盤類分歧年代略早的有袋類負鼠(opossum)中找到了spermiR的祖先，推測spermiR源於一個在有袋類動物中活躍的反轉座子THER1。THER1在一次隨機的轉座事件中跳至Slitrk2和Fmr1基因之間，並逐漸獲得有利於miRNA前體加工酶Drosha識別的莖環區突變，被加工生成了新的miRNA。隨著物種進化spermiR在胎盤類哺乳動物中發生了物種特異性的擴增，拷貝數逐漸增加，形成了在位置和序列不同的兩個分支，不同種類哺乳動物在精子發生過程中兩支spermiR的表達量不同。有趣的是，spermiR在精子發生過程中活躍表達，而其祖先THER1卻隨著進化在胎盤類物種中失去轉座活性而消亡了。

為了研究spermiR的功能，研究人員在體外培養的精原幹細胞中敲除了表達量最高的spermiR家族成員：miR-741，結果發現敲除對精子發生沒有影響。轉錄組分析發現基因表達幾乎沒有變化，但小RNA測序發現另一個spermiR家族成員miR-465的表達明顯上升，成為表達量最高的miRNA。預測發現spermiR的靶基因顯著富集在與精子發生相關的生物學通路，儘管miR-741和miR-465的seed序列（通常為第2-8位鹼基，是miRNA識別靶基因的關鍵位點）差別較大，但80%以上的miR-741靶基因均可被miR-465調控。因此，當miR-741被敲除後，miR-465可能通過調控與miR-741相同的靶基因實現了功能性補償，並且這種功能性補償在多個spermiR家族成員間都存在，提示spermiR家族與靶基因間可能存在共進化現象。

吳立剛為該論文的通訊作者，博士生張鳳娟和博士後張英為共同第一作者，博士生呂小龍、張宏道及實驗員徐蓓英等人對該工作亦作出貢獻。中科院計算生物學研究所研究員李海鵬、中科院神經科學研究所研究員嚴軍為該工作的數據分析和文章寫作給予指導和建議。研究得到來自國家自然科學基金委、科技部、中科院和中國博士後科學基金的經費支持。(生物谷Bioon.com）

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