海洋所揭示miRNA進(jìn)化在脊椎動(dòng)物起源和分化中的關(guān)鍵作用
國(guó)際分子進(jìn)化領(lǐng)域期刊Molecular Biology and Evolution刊發(fā)了中國(guó)科學(xué)院海洋研究所李富花研究團(tuán)隊(duì)題為“Coding Genes Helped the Origination and Diversification of Intragenic MicroRNAs”的研究成果。該工作揭示了基因內(nèi)含子中miRNA的發(fā)生和分化推動(dòng)性狀進(jìn)化的機(jī)制,并首次闡釋了其在脊椎動(dòng)物起源和早期分化中的關(guān)鍵作用。
miRNA是一類不編碼蛋白的小分子RNA,每個(gè)miRNA能調(diào)控?cái)?shù)百個(gè)編碼基因的表達(dá),因其進(jìn)化發(fā)生頻率遠(yuǎn)高于編碼基因,所以在動(dòng)物適應(yīng)性加速改變的進(jìn)程中可發(fā)揮重要作用。新發(fā)生的miRNA的一個(gè)顯著特征是它們大多位于編碼基因的內(nèi)含子中,并借用編碼基因現(xiàn)成的轉(zhuǎn)錄機(jī)制,形成一種嵌合的基因結(jié)構(gòu),這種嵌合結(jié)構(gòu)中的miRNA和編碼基因之間常存在共表達(dá)和功能協(xié)作關(guān)系。該結(jié)構(gòu)的維持和變化是自然選擇的結(jié)果,因而研究其進(jìn)化有助于理解它所調(diào)控的性狀的進(jìn)化,但是之前對(duì)此過(guò)程的研究十分缺乏。
通過(guò)分析34個(gè)后生動(dòng)物類群的miRNA與編碼基因的位置關(guān)系,研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)miRNA和編碼基因形成的嵌套結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出不斷發(fā)生、消亡、重組和解體的動(dòng)態(tài)演化軌跡。在脊椎動(dòng)物起源時(shí)發(fā)生了后生動(dòng)物進(jìn)化史上最劇烈的內(nèi)含子miRNA擴(kuò)張事件,有21個(gè)新miRNA家族在神經(jīng)發(fā)育調(diào)控基因的內(nèi)含子中發(fā)生。這些全新的調(diào)控因子在神經(jīng)細(xì)胞表達(dá),改變了細(xì)胞的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò),使之進(jìn)化成脊椎動(dòng)物特有的、可遷移的多能干細(xì)胞——神經(jīng)嵴細(xì)胞。神經(jīng)嵴細(xì)胞遷移到胚胎多個(gè)部位,經(jīng)過(guò)分化發(fā)育成為多種與捕食行為密切相關(guān)的組織器官,包括周圍神經(jīng)系統(tǒng)(感知和運(yùn)動(dòng))、色素細(xì)胞(偽裝)、腎上腺髓質(zhì)(興奮與攻擊性)、顱面的骨、軟骨和牙本質(zhì)(捕食)以及腸神經(jīng)系統(tǒng)(消化節(jié)律)等,從而徹底改變了動(dòng)物的形態(tài)、行為和生理模式,使脊椎動(dòng)物祖先由被動(dòng)的濾食者進(jìn)化成為活躍的捕食者,形成動(dòng)物進(jìn)化史上的分水嶺(圖1)。在隨后的脊椎動(dòng)物早期分化事件中,圓口類動(dòng)物(七鰓鰻和盲鰻)有12個(gè)內(nèi)含子miRNA所在宿主基因的外顯子序列退化,而其轉(zhuǎn)錄起始序列與內(nèi)含子miRNA被保留了下來(lái),這些miRNA從此獲得了獨(dú)立轉(zhuǎn)錄的能力,其進(jìn)化不再受原來(lái)的編碼基因約束,這些miRNA的獨(dú)立進(jìn)化改變了圓口類動(dòng)物頭部的神經(jīng)嵴發(fā)育調(diào)控,使其口器特化以適應(yīng)寄生的生活方式(圖1c;圖2)。
上述發(fā)現(xiàn)表明,在特定生物學(xué)過(guò)程中表達(dá)的編碼基因內(nèi)含子中新生miRNA的出現(xiàn),可與編碼基因共表達(dá),將自身整合進(jìn)該生物學(xué)過(guò)程的調(diào)控網(wǎng)絡(luò),從而改變了相關(guān)性狀(圖3)。該研究為理解動(dòng)物復(fù)雜表型進(jìn)化創(chuàng)新的分子機(jī)制提供了全新視角。

圖1 脊椎動(dòng)物起源和分化過(guò)程中miRNA的進(jìn)化驅(qū)動(dòng)了神經(jīng)嵴(neural crest, NC)的起源和分化

圖2 全基因組加倍之后,對(duì)冗余編碼基因的清洗推動(dòng)了神經(jīng)嵴發(fā)育相關(guān)miRNA在有頜類與圓口類之間的分化

圖3 內(nèi)含子miRNA在脊椎動(dòng)物起源和分化中的作用模型
該工作是團(tuán)隊(duì)針對(duì)非編碼RNA與其他基因的協(xié)同進(jìn)化問(wèn)題發(fā)表的第三篇論文,前兩篇分別闡述了不同miRNA之間以及tRNA與編碼基因之間的協(xié)同進(jìn)化機(jī)制和意義。這一系列工作揭示了動(dòng)物的不同類型基因之間的位置連鎖、數(shù)量匹配、表達(dá)相關(guān)、功能協(xié)作以及協(xié)同進(jìn)化機(jī)制。
中國(guó)科學(xué)院海洋研究所柳承璋副研究員為文章第一作者,李富花研究員和張曉軍研究員為共同通訊作者。研究得到了中國(guó)科學(xué)院先導(dǎo)專項(xiàng)、蝦蟹產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系和國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的共同資助。
論文信息:
Liu C, Zhang X*, Yuan J, Xiang J, Li F*: Coding Genes Helped the Origination and Diversification of Intragenic MicroRNAs. Molecular Biology and Evolution 2025, 42(2).
文獻(xiàn)信息:
Liu C, Yuan J, Zhang X*, Jin S, Li F*, Xiang J: tRNA copy number and codon usage in the sea cucumber genome provide insights into adaptive translation for saponin biosynthesis. Open Biology 2021, 11(11):210190.
Liu C, Yuan J, Zhang X*, Jin S, Li F, Xiang J*: Clustering genomic organization of sea cucumber miRNAs impacts their evolution and expression. Genomics 2021, 113(6):3544-3555.
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