1月14日，國(guó)際學(xué)術(shù)期刊Molecular Biology and Evolution在線發(fā)表了中國(guó)科學(xué)院生物化學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)研究所吳立剛實(shí)驗(yàn)室的研究成果：“Evolution of an X-linked miRNA family predominantly expressed in mammalian male germ cells”。在該項(xiàng)工作中，研究人員展示了有袋類哺乳動(dòng)物基因組中的一個(gè)轉(zhuǎn)座子如何演化成胎盤類哺乳動(dòng)物中在精子生成過程中特異性高表達(dá)的miRNA家族。

 

        microRNA（miRNA）在許多重要的生物學(xué)過程中都起著必不可少的作用，但對(duì)于精子發(fā)生過程中小RNA表達(dá)的種類、調(diào)控規(guī)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(gè)關(guān)鍵時(shí)期的生精細(xì)胞，并利用自主建立的微量小RNA深度測(cè)序技術(shù)繪制了小RNA表達(dá)譜。研究發(fā)現(xiàn)miRNA和piRNA是小鼠精子發(fā)生過程最主要的兩類小RNA，二者的表達(dá)量在整個(gè)精子生成過程中發(fā)生了巨大的動(dòng)態(tài)變化。從精原干細(xì)胞進(jìn)入減數(shù)分裂時(shí)期，一個(gè)位于X染色體上的miRNA家族的表達(dá)量顯著增加，在細(xì)線期高達(dá)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，并且spermiR家族成員始終位于X染色體上的Slitrk2和Fmr1基因之間。通過同源序列比對(duì)，研究人員在比胎盤類分歧年代略早的有袋類負(fù)鼠(opossum)中找到了spermiR的祖先，推測(cè)spermiR源于一個(gè)在有袋類動(dòng)物中活躍的反轉(zhuǎn)座子THER1。THER1在一次隨機(jī)的轉(zhuǎn)座事件中跳至Slitrk2和Fmr1基因之間，并逐漸獲得有利于miRNA前體加工酶Drosha識(shí)別的莖環(huán)區(qū)突變，被加工生成了新的miRNA。隨著物種進(jìn)化spermiR在胎盤類哺乳動(dòng)物中發(fā)生了物種特異性的擴(kuò)增，拷貝數(shù)逐漸增加，形成了在位置和序列不同的兩個(gè)分支，不同種類哺乳動(dòng)物在精子發(fā)生過程中兩支spermiR的表達(dá)量不同。有趣的是，spermiR在精子發(fā)生過程中活躍表達(dá)，而其祖先THER1卻隨著進(jìn)化在胎盤類物種中失去轉(zhuǎn)座活性而消亡了。

 

        為了研究spermiR的功能，研究人員在體外培養(yǎng)的精原干細(xì)胞中敲除了表達(dá)量最高的spermiR家族成員：miR-741，結(jié)果發(fā)現(xiàn)敲除對(duì)精子發(fā)生沒有影響。轉(zhuǎn)錄組分析發(fā)現(xiàn)基因表達(dá)幾乎沒有變化，但小RNA測(cè)序發(fā)現(xiàn)另一個(gè)spermiR家族成員miR-465的表達(dá)明顯上升，成為表達(dá)量最高的miRNA。預(yù)測(cè)發(fā)現(xiàn)spermiR的靶基因顯著富集在與精子發(fā)生相關(guān)的生物學(xué)通路，盡管miR-741和miR-465的seed序列（通常為第2-8位堿基，是miRNA識(shí)別靶基因的關(guān)鍵位點(diǎn)）差別較大，但80%以上的miR-741靶基因均可被miR-465調(diào)控。因此，當(dāng)miR-741被敲除后，miR-465可能通過調(diào)控與miR-741相同的靶基因?qū)崿F(xiàn)了功能性補(bǔ)償，并且這種功能性補(bǔ)償在多個(gè)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(jìn)化現(xiàn)象。

 

        生化與細(xì)胞所吳立剛研究員為本工作的通訊作者，博士生張鳳娟和博士后張英為共同第一作者，博士生呂小龍、張宏道及實(shí)驗(yàn)員徐蓓英等人對(duì)該工作亦作出貢獻(xiàn)。中科院計(jì)算生物學(xué)研究所李海鵬研究員、神經(jīng)所嚴(yán)軍研究員為本工作的數(shù)據(jù)分析和文章寫作給予指導(dǎo)和建議。研究得到了來自國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部、中科院和中國(guó)博士后科學(xué)基金的經(jīng)費(fèi)支持。

 

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