非編碼RNA中的miRNA和tRNA在基因表達(dá)調(diào)控中扮演重要角色，然而在棘皮動(dòng)物中相關(guān)研究非常缺乏。中科院海洋所李富花課題組通過多組學(xué)數(shù)據(jù)整合分析，揭示了棘皮動(dòng)物miRNA和tRNA基因的組織結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、進(jìn)化歷史和表達(dá)調(diào)控機(jī)制，以及它們在海參腸道再生和皂苷合成等生物學(xué)過程中的重要作用。相關(guān)研究成果分別發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊Genomics和英國皇家學(xué)會(huì)會(huì)刊Open Biology。
研究人員鑒定和注釋了112個(gè)仿刺參miRNA家族，其中70個(gè)為新家族；提出了miRNA基因簇進(jìn)化的“功能性表達(dá)”新模型，揭示了表達(dá)量控制和背景選擇作用在miRNA基因簇形成中的重要作用，發(fā)現(xiàn)仿刺參表達(dá)量最高的新miRNA家族聚集在一個(gè)特殊的n2基因簇中，通過抑制RFP和CTBP進(jìn)而激活Wnt通路促進(jìn)腸道再生。在tRNA研究方面，發(fā)現(xiàn)各種tRNA的拷貝數(shù)與其翻譯的特定氨基酸的轉(zhuǎn)錄組豐度成正比，提示二者之間通過協(xié)同進(jìn)化提高翻譯效率；其中參與快速響應(yīng)的臨時(shí)表達(dá)基因傾向于犧牲其功能以提高翻譯速度，包括半壽期較短的各種免疫響應(yīng)基因和消化酶。海參tRNA基因與其特有的皂苷合成通路基因之間發(fā)生了高度的協(xié)同進(jìn)化，其中三萜骨架合成、氧化和糖基化的關(guān)鍵酶LAS、CYP和UGT翻譯優(yōu)化程度顯著高于其他棘皮動(dòng)物。同時(shí)，海參tRNA基因組成與其食物來源-海水顆粒有機(jī)物的氨基酸組成相匹配，這種適應(yīng)性進(jìn)化提高了其利用低養(yǎng)分的海洋碎屑生存的能力。
miRNA基因簇進(jìn)化發(fā)生機(jī)制新模型
海參特有高表達(dá)miRNA基因簇的表達(dá)模式、進(jìn)化發(fā)生過程和調(diào)控機(jī)制
海參的皂苷合成通路基因發(fā)生了適應(yīng)性翻譯優(yōu)化
海參在應(yīng)激響應(yīng)過程中需要及時(shí)表達(dá)的不穩(wěn)定蛋白翻譯優(yōu)化程度最高
這些研究對仿刺參的miRNA和tRNA基因信息進(jìn)行了全面解析，闡述了其基因結(jié)構(gòu)特征和表達(dá)調(diào)控機(jī)制，為今后海參轉(zhuǎn)錄后水平和翻譯水平的基因表達(dá)調(diào)控研究提供了理論基礎(chǔ)。同時(shí)，本研究首次發(fā)現(xiàn)調(diào)控海參腸道再生的關(guān)鍵miRNA基因簇，并通過揭示海參整個(gè)皂苷合成通路發(fā)生了高度的適應(yīng)性進(jìn)化，確認(rèn)海參可以自身合成皂苷，鎖定了海參皂苷合成的關(guān)鍵酶CYPs和UGTs，為海參再生和皂苷合成研究提供了重要線索。
上述兩篇論文第一作者均為中科院海洋所柳承璋博士。
論文鏈接：
Liu C, Yuan J, Zhang X, Jin S, Li F, Xiang J. (2021). "Clustering genomic organization of sea cucumber miRNAs impacts their evolution and expression." Genomics 113(6): 3544-3555. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0888754321003104
Liu C, Yuan J, Zhang X, Jin S, Li F, Xiang J. (2021). "tRNA copy number and codon usage in the sea cucumber genome provide insights into adaptive translation for saponin biosynthesis." Open Biology 11(11): 210190. https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsob.210190
