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切磋揭穿基因在灵长类脑区的上空发挥和调整机

发布时间:2019-07-12 01:35编辑:科学浏览(77)

    金莎娱乐,3月23日,国际学术期刊Genome Biology and Evolution 发表了中国科学院上海生命科学研究院计算生物学研究所Philipp Khaitovich研究组的研究论文“Changes in snoRNA and snRNA abundance in the human, chimpanzee, macaque and mouse brain”。该研究首次绘制了哺乳动物大脑snRNA和snoRNA表达图谱,发现哺乳动物大脑snRNA和snoRNA表达水平存在广泛差异。

    2015年6月15日,北京大学生命科学学院伊成器研究组在Nature Chemical Biology杂志在线发表题为“Chemical pulldown reveals dynamic pseudouridylation of the mammalian transcriptome”的研究论文(DOI:10.1038/nchembio.1836)。文章报道了一种通过化学标记和富集手段实现全转录组水平上假尿嘧啶RNA修饰的单碱基分辨率测序技术CeU-Seq,并绘制了人和小鼠细胞转录组中假尿嘧啶RNA修饰的谱图。

    6月13日,国际期刊Genome Research 在线发表了由中国科学院上海营养与健康研究院马普计算生物学伙伴研究所Philipp Khaitovich研究组和日本国立自然科学研究所认知基因组学Yasuhiro Go研究组合作发表的论文Human-specific features of spatial gene expression and regulation in eight brain regions

    近日,中国科学院昆明动物研究所李家立、胡新天和郑永唐课题组与中国科学技术大学生命科学学院汪香婷课题组、武汉生命之美生物科技公司合作,揭示了长链非编码RNAs在灵长类大脑发育和老化过程中表达动态变化和作用。该研究成果以Annotation and cluster analysis of spatiotemporal- and sex-related lncRNA expression in Rhesus macaque brain 为题,于7月7日在线发表在《基因组研究》(Genome Research)上。

    snRNA和snoRNA是功能和进化保守的转录调控元件,但长期以来缺乏其在人脑转录组水平的系统研究。Philipp Khaitovich研究组与俄罗斯莫斯科大学教授Mikhail S. Gelfand合作,利用高通量测序技术系统地测定了人、黑猩猩、恒河猴和小鼠大脑前额叶皮质组织中snRNA和snoRNA的表达量,通过比较分析发现snRNA和snoRNA在基因家族水平上非常保守,但是其中U1和SNORA29表达量在人脑中却发生了巨大变化。SNORA29 在人脑中表现为特异表达缺失,并且实验发现SNORA29在非人灵长类的神经元中特异表达,提示其在人脑认知功能形成中的潜在作用。同时,该研究发现与mRNA的表达主要受启动子调控不同,二级结构稳定性是snoRNA表达调控的重要机制。

    转录后修饰在生命体中广泛存在(已发现100多种),而假尿嘧啶RNA修饰就是其中最主要的一种。假尿嘧啶在多种非编码RNA(tRNA、rRNA、snRNA等)上的功能与机制已有较多研究;然而,对于信使RNA(messenger RNA,mRNA)上假尿嘧啶的分布和潜在生物学功能,目前知之甚少。最主要的难题,就是如何实现假尿嘧啶在mRNA上的精准定位。

    长期以来,基因表达水平的变化一直都被认为是表型特征快速进化的分子基础。迄今为止,此方向的研究着重于将人类大脑与其他物种的大脑进行比较,并已揭示了不少人脑表达特异性的基因。如果将人类与关系较远的物种进行大脑的转录组比较,由于存在基因表达水平的迭代式变化,因此很可能导致差异表达的基因的种系分配出现不合理甚至不准确的情况。因此,在此项研究中,使用两种十分接近人类和黑猩猩的猿类,即大猩猩和长臂猿,来代替常用的灵长类模式生物如恒河猴和食蟹猴,可以得到更为可靠的大脑种间变化差异的种系分配。

    大脑发育和老化过程十分复杂,涉及遗传、年龄和环境等多个因素的调控和影响,其中由年龄和环境等主要因素导致的表观遗传调控的变化被认为是重要环节之一。基因组中大约90%DNA都具有转录活性,这当中仅有1.5%的基因具有编码蛋白质的功能,而大部分是不具有编码蛋白质功能的,其中就包括长链非编码RNAs 。近年来,越来越多的研究证据揭示lncRNAs介导的表观遗传调控在机体的许多生命过程和疾病的发生和发展过程中发挥重要的作用。研究表明lncRNAs介导的调控作用主要是通过作为架构分子与靶分子结合改变染色质构象以及影响mRNAs稳定和翻译等方式实现的。尽管已有研究发现,lncRNAs在哺乳动物脑内神经元中呈现非常丰富的表达和变化,但是对其在神经元中的功能,特别是灵长类动物大脑发育和老化过程中表达变化和功能的认识仍然未知。

    该研究是对snRNA和snoRNA在人脑进化中作用的多物种系统性研究,对于探寻人脑认知功能的分子调控机制具有重要意义。

    为了研究哺乳动物转录组中的假尿嘧啶修饰,伊成器课题组首先利用高分辨质谱对mRNA中的假尿嘧啶修饰进行定量,发现其广泛存在于各种细胞系及小鼠的组织当中,并且在哺乳动物mRNA中丰度相当高。该研究继而通过化学生物学、高通量测序等手段,发展了“CeU-Seq”——一种利用小分子化合物实现特异性标记与富集的假尿嘧啶高通量测序技术。利用这一技术,该研究成功实现了人细胞系以及小鼠(大脑与肝脏组织)全转录组水平的单碱基分辨率假尿嘧啶检测,发现在数千个mRNA与长非编码RNA(lncRNA)上都含有假尿嘧啶修饰。该研究进一步确定了多个可以作用于mRNA上的假尿嘧啶合成酶(其中PUS1、DKC1两种酶之前被发现与线粒体肌病、先天性角化不良等人类疾病相关),并且发现转录组中假尿嘧啶的含量与分布均会受到各种环境刺激的调控,呈现出“刺激条件特异性”的诱导修饰。因此,该研究不但揭示了假尿嘧啶的广泛存在、绘制了转录组中假尿嘧啶RNA修饰的高清谱图,也为这一转录后修饰参与基因表达调控的研究提供了重要工具、为近年来兴起的“RNA表观遗传学”领域提供了崭新的研究方向。

    鉴于此,Philipp Khaitovich研究组的许川、李倩等研究人员分析了从人类、黑猩猩、大猩猩、长臂猿和恒河猴的八个脑区收集的基因表达和H3K27ac染色质修饰数据。通过对这些数据的综合分析,研究人员揭示了1,851个人类转录组特异性基因及240个黑猩猩转录组特异性基因的存在。其中,一半以上的人类特异性基因在海马区的神经元和星形胶质细胞中显著上调,而其他人类特异性基因则影响了额叶皮层和小脑的小神经胶质细胞的功能。随后,通过研究驱动这些差异的调控元素,研究人员揭示了转录因子在物种特异性基因表达变化中的作用,而与之相反,表观遗传修饰则与物种间保守的空间表达有关。

    为此,李家立课题组及其合作者以中国猕猴作为对象,通过RNA-seq和CAGE-seq深度测序及分析,同时结合原位杂交与原代神经元系统的功能验证等一系列实验方法和手段,成功地解析了在中国猕猴大脑发育和老化过程中的动态变化特征。研究发现,大脑特异性lncRNAs呈现出高度的区域、性别和年龄表达差异性;依据这些表达差异性,总共发现18个不同的lncRNAs和14个不同的mRNAs表达模块式。相对于mRNAs的表达变化特征,猕猴脑特异性lncRNAs的表达性状在发育和老化过程中呈现出更高的动态变化特征。在此基础上,利用CAGE-seq对lncRNA和mRNA启动子区域进行测序和分析,发现lncRNAs的启动子区域变化比mRNA呈现出更明显的性别差异和时空变化性状。进一步研究发现,lncRNAs和mRNAs之间存在多重的正相关和负相关调控关系,其中在大脑皮层区域特异性表达的lncRNAs和mRNAs之间负相关的调控关系对发育和老化过程中大脑皮层的结构和神经元功能变化具有重要的调控作用。以上研究结果为进一步认识和理解灵长类动物复杂的大脑结构和高级认知功能的表观调控基础提供了新的实验依据,也为进一步探索与脑发育和衰老相关的神经系统疾病的发病机理和治疗新靶点提供了新的研究方向。

    该研究得到了国家自然科学基金委、中国科学院和俄罗斯科学基金会的资助。

    北京大学生命科学学院博士生李笑雨(PTN-BBS联合培养项目),生命中心博士生朱平、博士生马士清是这篇论文的并列第一作者,生命科学学院伊成器研究员是该论文的通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、科技部973计划和北大-清华生命科学联合中心的资助。

    综上所述,此研究通过将人类大脑与近缘灵长类比较,更可靠地揭示了比较学意义上的大脑特征,且提供了关于大脑在种间进化的分子图谱的新见解,并进一步探索了构成人类大脑独特性的分子特性。该研究的原始及处理数据存储于GEO Accession no. GSE100796。该研究得到了中科院战略性先导科技专项、外籍千人计划和科技部等经费支持。

    该文共同第一作者为昆明动物所博士生刘斯灵、助理研究员王正波和田仁荣、武汉生命之美生物公司博士陈栋、中国科大生命科学学院博士生张博文,通讯作者为昆明动物所研究员李家立、中国科大教授汪香婷和武汉生命之美生物公司博士张翼。该项目得到中科院百人计划、科技部“973”项目、国家自然科学基金以及中科院B类先导专项等基金项目的支持。昆明动物所灵长类研究中心为该研究提供了重要的资源和技术支持。

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    CeU-Seq绘制人及小鼠全转录组假尿嘧啶RNA修饰谱图。(a)CeU-Seq流程图;(b)人细胞系及小鼠大脑和肝脏组织全转录组水平假尿嘧啶修饰分布;(c)转录组中假尿嘧啶修饰呈现出“刺激条件特异性”的特点。

    在共表达网络中的24个模块的可视化视图

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    snoRNA表达量调控机制示意图:mRNA表达量主要由启动子和增强子的转录活性高决定。snoRNA表达量不依赖宿主基因,而主要由自身结构稳定性高决定。

    编辑:歆琴

    图:猕猴大脑发育和老化过程中脑特异性lncRNAs表达的动态变化特征和功能的解析

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