農(nóng)學(xué)院史曉雯研究員在Nature Communications上合作發(fā)文揭示MIRNA拷貝數(shù)變異調(diào)控玉米非整倍體基因表達(dá)的新機(jī)制
早在一個(gè)多世紀(jì)以前，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)基因組部分染色體區(qū)域的拷貝數(shù)變異（非整倍體）比全部區(qū)域的拷貝數(shù)變異（單倍體或多倍體）對植物造成更多的不利影響（Blakeslee et al., 1920）。該現(xiàn)象被稱為基因組失衡或劑量效應(yīng)，是由基因、染色體或染色體片段的拷貝數(shù)變異造成的（圖1）。由此提出了基因平衡假說：非整倍體中部分染色體區(qū)域的拷貝數(shù)變異導(dǎo)致相關(guān)蛋白質(zhì)復(fù)合體化學(xué)計(jì)量（Stoichiometry）的變化，影響復(fù)合體的組裝模式和整體功能，而該變化通過轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和信號(hào)級(jí)聯(lián)反應(yīng)傳遞，造成基因組表達(dá)失衡，最終對植物生長發(fā)育造成不利影響（Birchler and Veitia, 2012）。轉(zhuǎn)錄組分析結(jié)果顯示植物非整倍體中部分區(qū)域的拷貝數(shù)變異不僅影響區(qū)域內(nèi)的基因表達(dá)（cis），同時(shí)也影響拷貝數(shù)無變異區(qū)域基因的表達(dá)（trans）（Hou et al., 2018; Shi et al., 2021; Yang et al., 2021）。然而，microRNA編碼基因（MIRNA）的拷貝數(shù)變異對于其自身表達(dá)及宏觀基因調(diào)控造成的影響尚不明確。
圖1：基因組失衡的概念。
近日, 美國密蘇里大學(xué)James A. Birchler院士研究團(tuán)隊(duì)與浙江大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院史曉雯研究員在Nature Communications合作發(fā)表了題為Dosage-sensitive miRNAs trigger modulation of gene expression during genomic imbalance in maize的研究論文。該研究發(fā)現(xiàn)玉米miRNA具有對劑量變化高度敏感的特性，并參與非整倍體基因組失衡狀態(tài)下的基因調(diào)控。該研究成果填補(bǔ)了植物非整倍體中MIRNA拷貝數(shù)變異如何影響基因表達(dá)這一領(lǐng)域的空白。
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研究團(tuán)隊(duì)分析了含不同拷貝數(shù)染色體片段的非整倍體玉米以及玉米單倍體、二倍體、三倍體和四倍體的miRNA表達(dá)量。非整倍體拷貝數(shù)變異的區(qū)域覆蓋玉米W22基因組的82%。研究發(fā)現(xiàn)MIRNA應(yīng)答染色體拷貝數(shù)變異的模式與蛋白編碼基因相似。非整倍體中染色體片段的拷貝數(shù)變異不僅導(dǎo)致拷貝數(shù)變異區(qū)域cis?miRNA表達(dá)量的變化，而且造成拷貝數(shù)變異區(qū)域以外的trans?miRNA表達(dá)量的變化；然而，單倍體或多倍體中的miRNA表達(dá)量與二倍體相比幾乎沒有差別。同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)拷貝數(shù)變異的cisMIRNA主要呈現(xiàn)劑量效應(yīng)（gene-dosage effect），其表達(dá)量大多與MIRNA拷貝數(shù)成正比，少數(shù)cisMIRNA呈現(xiàn)劑量補(bǔ)償（dosage compensation）或其它效應(yīng)。拷貝數(shù)變異區(qū)域以外的transMIRNA的表達(dá)量變化呈現(xiàn)多種方式，主要表現(xiàn)為反向劑量效應(yīng)（inverse dosage effect），其表達(dá)量與MIRNA拷貝數(shù)負(fù)相關(guān)。此外，該研究通過對miRNA靶基因的預(yù)測及降解組測序的數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)非整倍體中受劑量變化影響的miRNA表達(dá)量與其調(diào)控靶基因的表達(dá)量存在顯著相關(guān)性（圖2），闡明了miRNA參與非整倍體的基因調(diào)控，而且其表達(dá)失調(diào)是造成非整倍體基因組失衡的原因之一。非整倍體中染色體拷貝數(shù)的變異導(dǎo)致對劑量敏感的miRNA表達(dá)量的變化，從而導(dǎo)致其調(diào)控的靶基因表達(dá)量的變化，而該變化可能通過信號(hào)級(jí)聯(lián)反應(yīng)途徑傳遞，從而影響更多基因的表達(dá)。
圖2：拷貝數(shù)發(fā)生變異的cis?miRNA及其trans靶基因表達(dá)模式和表達(dá)量。
以上研究為非整倍體導(dǎo)致的基因組失衡的分子機(jī)制研究提供了新的思路。同時(shí)，文章提出可以通過調(diào)節(jié)miRNA的劑量來中和基因組失衡中關(guān)鍵劑量效應(yīng)調(diào)節(jié)因子表達(dá)失調(diào)導(dǎo)致的宏觀基因表達(dá)變化。最后，該研究產(chǎn)生的miRNA和mRNA的拷貝數(shù)變異關(guān)聯(lián)分析數(shù)據(jù)可以用于關(guān)鍵miRNA及其靶基因的挖掘與利用。
浙江大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院研究員史曉雯和美國密蘇里大學(xué)生物科學(xué)系博士后楊華為該論文的共同第一作者，美國密蘇里大學(xué)生物科學(xué)系James A. Birchler院士為該論文的通訊作者，浙江大學(xué)為本文的第一作者單位。美國密蘇里大學(xué)電子工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)系Jianlin Cheng教授及其博士研究生Chen Chen, Jie Hou，以及統(tǒng)計(jì)系Tieming Ji副教授參與了本研究的部分工作。
史曉雯現(xiàn)為浙江大學(xué)“新百人”計(jì)劃研究員、博士生導(dǎo)師。2016年獲得美國康奈爾大學(xué)遺傳學(xué)博士學(xué)位，師從美國科學(xué)院院士Maureen R. Hanson。畢業(yè)后加入美國科學(xué)院院士James A. Birchler課題組從事博士后研究。近五年以第一作者或共同第一作者在Plant Cell、Nature Communications、PNAS、Plant Physiology、Plant Journal等國際主流雜志發(fā)表多篇論文。擔(dān)任Plant Cell等27家期刊的審稿人以及Plant Cell的編委。研究興趣主要包括利用基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)與表觀遺傳組學(xué)等手段探索作物染色體功能以及基因組平衡機(jī)制，挖掘調(diào)控作物農(nóng)藝性狀的關(guān)鍵基因并對其功能和分子機(jī)制進(jìn)行研究等。團(tuán)隊(duì)招收碩士、博士研究生，詳情見個(gè)人主頁https://person.zju.edu.cn/xiaowenshi。
論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-30704-x
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