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| 中國(guó)海洋大學(xué)原生動(dòng)物學(xué)團(tuán)隊(duì)在小RNA介導(dǎo)的基因組DNA精確刪除領(lǐng)域取得新進(jìn)展 |
| http://massageforegolfers.com 2025年10月17日 來(lái)源：華禹教育網(wǎng) |
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近日，中國(guó)海洋大學(xué)海洋生物多樣性與進(jìn)化研究所原生動(dòng)物學(xué)團(tuán)隊(duì)高鳳教授課題組在Science Advances（《科學(xué)進(jìn)展》）雜志發(fā)表了題為“Soma-derived
30-nt small RNAs are coupled with chromosome breakage
and precisely target nontransposon DNA against
elimination in Euplotes vannus”（扇形游仆蟲(chóng)中母本體細(xì)胞系來(lái)源的30nt小RNA與染色體斷裂偶聯(lián)并精確靶向非轉(zhuǎn)座子DNA序列使其保留在子代體細(xì)胞核中）的研究成果。該研究以海洋纖毛蟲(chóng)為模式材料，鑒定了一類在有性生殖時(shí)期特異性合成的小RNA，系統(tǒng)闡明了這類小RNA的來(lái)源、加工機(jī)制及其在維持基因組穩(wěn)定性中的關(guān)鍵作用，為理解真核生物中小RNA介導(dǎo)的跨代遺傳信息傳遞提供了全新視角。
轉(zhuǎn)座子普遍存在于真核生物基因組中且占比豐富，其在生物多樣性的形成與演化過(guò)程中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。但轉(zhuǎn)座子對(duì)基因組的完整性與穩(wěn)定性存在威脅，因此大多數(shù)真核生物進(jìn)化出了小RNA介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄及轉(zhuǎn)錄后沉默機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)座子的抑制。纖毛蟲(chóng)原生生物作為一類古老但高度特化的單細(xì)胞真核生物，采用了一套更為激進(jìn)的策略：將生殖系基因組和體細(xì)胞系基因組“裝”進(jìn)兩種不同的細(xì)胞核（即生殖核與體細(xì)胞核），轉(zhuǎn)座子只保留在轉(zhuǎn)錄沉默的生殖核里，而在有性生殖的體細(xì)胞核發(fā)育過(guò)程中直接從體細(xì)胞核基因組中刪除，即在基因組水平進(jìn)行抑制。有關(guān)該過(guò)程的研究對(duì)于轉(zhuǎn)座子的起源、調(diào)控機(jī)制和演化過(guò)程的理解具有重要的科學(xué)意義，但相關(guān)的分子機(jī)制依然大量不明。
高鳳教授課題組前期與合作者一起，以纖毛蟲(chóng)模式生物—第四雙小核草履蟲(chóng)為材料，解析了多梳蛋白抑制復(fù)合體PRC2、配子特異性因子GTSF1等關(guān)鍵蛋白偶聯(lián)小RNA在轉(zhuǎn)座子識(shí)別和刪除過(guò)程中的作用機(jī)制（Nucleic Acids Research,2024; Cell Reports,2022）。為了更好地了解真核生物轉(zhuǎn)座子調(diào)控的分子機(jī)制和演化過(guò)程，高鳳教授帶領(lǐng)課題組成員建立了海洋纖毛蟲(chóng)新模式體系——扇形游仆蟲(chóng)（Euplotes vannus）（SCIENCE CHINA Life Sciences, 2025; Molecular Ecology Resources,2019）。
圖1.扇形游仆蟲(chóng)生殖系基因組特征
在本研究中，課題組成員進(jìn)一步通過(guò)PacBio高通量測(cè)序技術(shù)完成了對(duì)該海洋纖毛蟲(chóng)生殖系基因組的高質(zhì)量測(cè)序和組裝，發(fā)現(xiàn)其中超過(guò)80%的序列為轉(zhuǎn)座子等生殖系特異性序列，并且這些片段大多插在基因編碼區(qū)，因此必須在體細(xì)胞核發(fā)育過(guò)程中被精確刪除。
為了進(jìn)一步探究這些序列被精確刪除的分子機(jī)制，課題組成員鑒定了一類在有性生殖時(shí)期特異性合成的——30-nt小RNA，研究發(fā)現(xiàn)這些小RNA來(lái)自母代體細(xì)胞核，其前體長(zhǎng)鏈非編碼RNA的轉(zhuǎn)錄，起始于母代體細(xì)胞核染色體末端亞端粒區(qū)的一個(gè)高度保守的染色體斷裂位點(diǎn)（5′-TTGAA-3′）。這些前體被Dicer-like核酸內(nèi)切酶1（Dcl1）切割成長(zhǎng)度約為30nt的小RNA，形成整個(gè)體細(xì)胞核基因組的緩存副本。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)證明，這些成熟的小RNA能夠精確靶向并保護(hù)發(fā)育中子代體細(xì)胞核的同源DNA片段，而沒(méi)有被小RNA保護(hù)的轉(zhuǎn)座子等生殖系特異DNA片段則被全部刪除，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)座子的抑制和遺傳信息的精準(zhǔn)跨代傳遞。該發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步揭示了小RNA系統(tǒng)的靈活性——既能適應(yīng)不同長(zhǎng)度的RNA片段，又可兼容基因組雜合位點(diǎn)，這可能有助于物種在進(jìn)化過(guò)程中維持遺傳多樣性。
利用這一發(fā)現(xiàn)，課題組成員首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)游仆類纖毛蟲(chóng)的基因敲除技術(shù)。通過(guò)顯微注射人工合成的小RNA，“欺騙”細(xì)胞保留特定序列，從而成功突變了Dcl1的編碼區(qū)，獲得了Dcl1功能缺失型突變體，進(jìn)一步驗(yàn)證了該蛋白在小RNA產(chǎn)生過(guò)程中的功能。最后，結(jié)合全時(shí)期轉(zhuǎn)錄組分析和同源基因鑒定，提出了游仆蟲(chóng)中小RNA介導(dǎo)的DNA精準(zhǔn)刪除的分子模型。這一研究推進(jìn)和拓展了人們有關(guān)轉(zhuǎn)座子調(diào)控的認(rèn)知，為理解小RNA在跨代遺傳信息傳遞及基因組穩(wěn)定性維持中的作用提供了新視角。
圖2.30nt小RNA在扇形游仆蟲(chóng)DNA精確刪除過(guò)程中的作用模型
高鳳教授（前排左三）和論文第一作者呂立平（后排左三）、丁畢佳（前排左一）
該研究由海洋生物多樣性與進(jìn)化研究所原生動(dòng)物學(xué)團(tuán)隊(duì)高鳳教授課題組完成。高鳳教授為本文通訊作者，博士研究生呂立平、丁畢佳為共同第一作者，博士畢業(yè)生付錦玉、德國(guó)馬普生物研究所Estienne C. Swart博士、瑞士伯爾尼大學(xué) Mariusz Nowacki 教授、Iwona Rzeszutek博士亦對(duì)本研究有重要貢獻(xiàn)。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、山東省泰山學(xué)者青年專家計(jì)劃、嶗山實(shí)驗(yàn)室科技創(chuàng)新項(xiàng)目等資助。
文：張川
文章鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adx3690
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