RNA | 陸劍研究組揭示動物microRNA復(fù)制之后的功能分化及與靶位點的協(xié)同進化
2018年3月6日，北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心陸劍課題組在國際知名學(xué)術(shù)期刊《RNA》上以長文形式在線發(fā)表題為“MicroRNA Duplication Accelerates the Recruitment of New Targets During Vertebrate Evolution” （doi:10.1261/rna.062752.117）的研究論文。該論文報道了脊椎動物中miRNA復(fù)制之后發(fā)生的功能分化及miRNA復(fù)制在進化過程中對新靶位點招募的促進作用。
miRNA是一類生物體內(nèi)源表達的長約22堿基的非編碼小RNA，通過種子序列互補配對的方式識別靶基因mRNA并調(diào)控其表達。由于這種較短的配對方式，一種miRNA通常有上百個靶基因，一個靶基因也可以同時被多個miRNA調(diào)控。這種“多對多”的作用方式?jīng)Q定了miRNA：mRNA相互作用調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性。那么miRNA是如何起源和演化的呢？早在2008年，陸劍研究員便開始從演化生物學(xué)角度研究動物中非編碼小RNA的調(diào)控機理和演化模式。他提出的“出生-死亡”模型，揭示了絕大部分新miRNA在演化中快速產(chǎn)生和快速死亡 (Lu et al. 2008a)，并發(fā)現(xiàn)正向選擇是果蠅中新miRNA產(chǎn)生的驅(qū)動力(Lu et al. 2008b)，之后在群體基因組學(xué)水平上系統(tǒng)地研究了miRNA調(diào)控系統(tǒng)變異和人類轉(zhuǎn)錄組多態(tài)性的關(guān)系 (Lu & Clark, 2012)。
那么，哪些特征可以使新產(chǎn)生的miRNA在演化過程中更容易被保留下來呢？近年來陸劍課題組對這一問題進行了研究?；蚪M中很多miRNA是成簇存在的，形成多順反子結(jié)構(gòu)被共同轉(zhuǎn)錄。陸劍課題組發(fā)現(xiàn)同簇不同家族的miRNA在功能上有趨同進化的現(xiàn)象，并提出了“功能共適應(yīng)模型”來說明成簇存在的miRNA在演化過程中更容易積累適應(yīng)性突變并被自然選擇所保留下來 (Wang et al. 2016)。在剛剛發(fā)表的這項研究中，陸劍課題組通過系統(tǒng)性地研究人類不同組織中小RNA的表達譜，并結(jié)合靶基因的預(yù)測以及已發(fā)表的實驗數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)基因復(fù)制產(chǎn)生的旁系同源miRNA在基因表達和靶基因偏好上存在廣泛差異，具有相同種子序列的旁系同源miRNA（Duplicated miRNAs）比單拷貝的miRNA擁有顯著更多的靶基因。通過比較基因組學(xué)分析，他們認為miRNA復(fù)制為新產(chǎn)生的靶位點提供了更為廣泛的共進化環(huán)境，從而使那些靶位點更容易產(chǎn)生功能并在進化過程中保留下來。
圖. microRNA復(fù)制之后的功能分化及與靶位點的協(xié)同進化
A.人類基因組中各種不同類型保守miRNA的數(shù)目。B.旁系同源多拷貝miRNA比單拷貝的miRNA 擁有顯著更多的靶基因。C.旁系同源多拷貝miRNA與單拷貝miRNA的靶基因進化過程差異比較示意圖。
通過在四種哺乳動物（人，恒河猴，非洲綠猴，大鼠）的腎源細胞系中過表達let-7a和let-7b，結(jié)合高通量測序和轉(zhuǎn)錄組深度分析，進一步驗證了miRNA復(fù)制之后不同拷貝對靶基因有不同的偏好性，并發(fā)現(xiàn)let-7靶位點的獲得和丟失與不同物種間基因表達演化相關(guān)。
陸劍研究員為該論文的通訊作者。生科院博士后羅俊杰（現(xiàn)為中國農(nóng)業(yè)大學(xué)北京市食品營養(yǎng)與人類健康高精尖創(chuàng)新中心崗位科學(xué)家）、生命科學(xué)聯(lián)合中心博士生王奕蓉、袁健是論文的共同第一作者，生科院本科生趙志磊（現(xiàn)就讀于普林斯頓大學(xué)）參與了該研究。該工作得到了國家科技部、國家自然科學(xué)基金委以及北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心的資助。
原文鏈接：
http://rnajournal.cshlp.org/content/early/2018/03/06/rna.062752.117.abstract
https://academic.oup.com/mbe/article/33/9/2232/2578711
參考文獻
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Lu J, Clark AG. 2012. Impact of microRNA regulation on variation in human gene expression. Genome Res 22:1243-1254.
Wang Y, Luo J, Zhang H, Lu J. 2016. microRNAs in the Same Clusters Evolve to Coordinately Regulate Functionally Related Genes. Mol Biol Evol 33:2232-2247.
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