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小迷糊栗子新蟲 (初入文壇)
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cell子刊發(fā)表Nanopore Direct RNA測序揭示蜂王和工蜂發(fā)育過程中RNA 加工復(fù)雜性文章 已有2人參與
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文獻(xiàn)解讀 | cell子刊發(fā)表Nanopore Direct RNA測序揭示蜂王和工蜂發(fā)育過程中RNA 加工復(fù)雜性文章 近日，貝納基因合作項(xiàng)目：蜜蜂Direct RNA測序研究成果以“Extent and complexity of RNA processing in honey bee queen and worker caste development”為題，在《Cell》子刊《iScience》期刊上發(fā)表。本項(xiàng)目由貝納基因攜手江西農(nóng)業(yè)大學(xué)等多家單位共同合作完成。 文章概述 蜜蜂蜂王和工蜂來自于相同的受精卵，因幼蟲期食物營養(yǎng)水平不同而分化為兩種不同的表型。這一現(xiàn)象稱為“級(jí)型分化”，是表觀遺傳學(xué)的典型模型。該研究采用Nanopore Direct RNA 測序（DRS）技術(shù)發(fā)現(xiàn)蜂王和工蜂在幼蟲發(fā)育過程中存在十分復(fù)雜的RNA加工和修飾過程。該研究首次發(fā)現(xiàn)蜜蜂級(jí)型分化過程受到了更為精確的轉(zhuǎn)錄本表達(dá)差異調(diào)控，并證明這些差異的轉(zhuǎn)錄本來自于一個(gè)非常靈活多變且復(fù)雜的可變剪切加工系統(tǒng)。同時(shí)，該研究首次發(fā)現(xiàn)每條轉(zhuǎn)錄本的Poly(A)尾可以通過負(fù)調(diào)控轉(zhuǎn)錄本的表達(dá)來參與調(diào)控蜜蜂的級(jí)型分化。該研究不僅深入解析了蜜蜂級(jí)型分化過程中復(fù)雜的RNA加工和修飾，也為其它動(dòng)物的表型可塑性研究以及其內(nèi)在的分子調(diào)控機(jī)制提供了科學(xué)借鑒。 主要結(jié)果 1. Direct RNA 測序數(shù)據(jù)質(zhì)量 作者分別選取了2日齡、4日齡和6日齡的蜂王和工蜂幼蟲樣本，各2個(gè)生物學(xué)重復(fù)，使用 DRS分別對(duì)12個(gè)樣品進(jìn)行建庫測序。每個(gè)樣本的平均clean reads數(shù)為5,416,798。平均 N50長度為1296bp，平均reads質(zhì)量為10.63 ，表明測序RNA的完整性很高。平均98.13% 的clean reads比對(duì)到蜜蜂參考基因組(Amel HAv 3.1)。每組兩個(gè)生物學(xué)重復(fù)的Pearson相關(guān)系數(shù)均在0.85以上，樣本聚類樹也顯示每組兩個(gè)重復(fù)聚集在一起，表明生物重復(fù)性良好。 2. 鑒定顯著差異表達(dá)的isoform(DEIs)和基因(DEGs) 結(jié)果表明，在蜜蜂級(jí)型分化中存在著全基因組差異表達(dá)的isoform。和蜂王相比，在2d、4d 和6d的工蜂幼蟲中，分別鑒定了662個(gè)、1855個(gè)和1042個(gè) DEIs，數(shù)量明顯高于 DEGs (分別為281個(gè)、1369個(gè)和645個(gè))。為了比較 DEIs 和 DEGs 之間的差異，首先將 DEIs 比對(duì)到參考基因(DEIGs)上，發(fā)現(xiàn)在2d、4d 和6d 工蜂中，DEIGs 和 DEGs 之間分別只有271個(gè)(34.72%)、977個(gè)(53.45%)和410個(gè)(38.32%)重疊。表明，在蜂王和工蜂的分化上DEIs 和 DEGs有很大差異。 分別在 2d、4d 和 6d 比較組中鑒定到 24、54、48 個(gè)DEIs參與蜜蜂級(jí)型分化的幾個(gè)關(guān)鍵的KEGG 信號(hào)通路，如 mTOR，Notch，F(xiàn)oxO，Wnt，IIS，Hippo，TGF-beta 和 MAPK。這些信號(hào)通路在2d、4d 和 6d分別有7、34、33個(gè) DEGs富集。在2d、4d 和6d 的比較組中， Poly(A)長度與isoform數(shù)量成負(fù)相關(guān)，蜂王較多 ，工蜂較少。 DEIs 和 DEGs 在5個(gè)關(guān)鍵的 KEGG 信號(hào)通路(mTOR，Notch，F(xiàn)oxO，Wnt，IIS)中富集，這些通路以前被證明參與了蜂王的分化。DEIs 存在于這5條通路中的35個(gè)蛋白質(zhì)上，而DEGs存在于17個(gè)蛋白質(zhì)上。其中23個(gè)蛋白質(zhì)僅存在于 DEIs，而有5個(gè)僅存在于DEGs，12個(gè)蛋白質(zhì)同時(shí)存在于DEI 和 DEG 中。以上結(jié)果表明，與DEG相比，這5個(gè)關(guān)鍵通路中顯著差異表達(dá)了更多的isoform。 3. 蜂王和工蜂之間特異性表達(dá)的isoform 作者分別在2日齡、4日齡和6日齡蜂王和工蜂幼蟲中鑒定了187、357和364個(gè)特異性表達(dá)的isoform，其中蜂王比工蜂多。蜂王特異性表達(dá)的isoform數(shù)量在第4天達(dá)到最大值，而工蜂在第6天達(dá)到最大值。這表明在幼蟲早期，蜂王發(fā)育分化較快，而工蜂發(fā)育分化較晚。 特異性表達(dá)的isoform被富集到8個(gè)關(guān)鍵的 KEGG 信號(hào)通路，如 mTOR 和 IIS，以及一些關(guān)鍵基因，如 DNA甲基轉(zhuǎn)移酶3(Dnmt3)和 Ecr (圖3)。表明在蜂王或工蜂的發(fā)育過程中，存在特異性表達(dá)的isoform，這些isoform可能參與蜜蜂的級(jí)型分化。 4. DEIs 和可變剪接 在每個(gè)樣本中平均鑒定出21,574個(gè)isoform，比對(duì)到平均8509個(gè)參考基因上。表明蜜蜂基因組中，基因會(huì)產(chǎn)生了不同的isoform。通過對(duì)可變剪接事件進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)DEIs (2d、4d和6d的DEIs分別為73.26%、67.98%和63.53%)包含AS事件，其中絕大多數(shù)存在至少兩種類型的AS。最常見的類型是 RI、A5和A3組合。表明在蜜蜂發(fā)育過程中轉(zhuǎn)錄本的形成比以前所知的更為復(fù)雜。 通過對(duì)2d、4d 和6d的工蜂和蜂王的比較，發(fā)現(xiàn)9.82% (65)、5.71% (106)、9.50% (99)的DEIs存在顯著差異AS 事件。其中有很多包含至少兩種顯著差異的AS事件。 5. Poly(A)長度與 DEIs 和 DEGs 表達(dá)的相關(guān)性 通過對(duì)Poly(A)長度分析，發(fā)現(xiàn)isoform表達(dá)與其Poly(A)尾長呈負(fù)相關(guān)。DEIs和 DEGs的表達(dá)也與其 Poly(A)長度呈負(fù)相關(guān)，且這種負(fù)相關(guān)性在DEI中強(qiáng)于DEG。表明，Poly(A)尾通過負(fù)調(diào)控DEI，進(jìn)而參與調(diào)控蜜蜂級(jí)型分化。 6. 兩個(gè)關(guān)鍵基因的isoform表達(dá)與Poly(A)長度的相關(guān)性 以參與蜂王分化的兩個(gè)關(guān)鍵基因：Jhe 和 Ecr為例，展示isoform表達(dá)與Poly(A)長度之間的相關(guān)性。Jhe 只有一個(gè)isoform，與Poly(A)長度呈負(fù)相關(guān)。Ecr 基因有4個(gè)isoform，選擇最顯著差異表達(dá)的isoform(Ecr.t4)來展示，同樣，Ecr.t4 的表達(dá)也與其Poly(A)長度呈負(fù)相關(guān)。通過對(duì) Ecr 基因的兩個(gè)isoform(Ecr.t1和 Ecr.t2)進(jìn)行 TaqMan 實(shí)時(shí)定量 PCR 驗(yàn)證，結(jié)果與 DRS 結(jié)果基本一致，證實(shí)了在蜜蜂級(jí)型分化中存在偏向性的isoform表達(dá)。 總結(jié) 總之，RNA加工在蜜蜂表型可塑性方面起著重要作用，該研究使用DRS技術(shù)，顯示了蜂王和工蜂之間isoform表達(dá)的差異程度，轉(zhuǎn)錄本剪接的復(fù)雜性和Poly(A)長度的相關(guān)性。該研究不僅深入解析了蜜蜂級(jí)型分化過程中復(fù)雜的RNA加工和修飾，也為其它動(dòng)物的表型可塑性研究以及其內(nèi)在的分子調(diào)控機(jī)制提供了科學(xué)借鑒。 參考文獻(xiàn)： Xu Jiang He, et al., Extent and complexity of RNA processing in honey bee queen and worker caste development. iScience, 2022. https://doi.org/10.1016/j.isci.2022.104301. |
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