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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)錄本來自于一個非常靈活多變且復(fù)雜的可變剪切加工系統(tǒng)。同時,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)控蜜蜂的級型分化。該研究不僅深入解析了蜜蜂級型分化過程中復(fù)雜的RNA加工和修飾,也為其它動物的表型可塑性研究以及其內(nèi)在的分子調(diào)控機制提供了科學(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個生物學(xué)重復(fù),使用 DRS分別對12個樣品進(jìn)行建庫測序。每個樣本的平均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比對到蜜蜂參考基因組(Amel HAv 3.1)。每組兩個生物學(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、1855個和1042個 DEIs,數(shù)量明顯高于 DEGs (分別為281個、1369個和645個)。為了比較 DEIs 和 DEGs 之間的差異,首先將 DEIs 比對到參考基因(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(34.72%)、977個(53.45%)和410個(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DEIs參與蜜蜂級型分化的幾個關(guān)鍵的KEGG 信號通路,如 mTOR,Notch,F(xiàn)oxO,Wnt,IIS,Hippo,TGF-beta 和 MAPK。這些信號通路在2d、4d 和 6d分別有7、34、33個 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個關(guān)鍵的 KEGG 信號通路(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個蛋白質(zhì)上,而DEGs存在于17個蛋白質(zhì)上。其中23個蛋白質(zhì)僅存在于 DEIs,而有5個僅存在于DEGs,12個蛋白質(zhì)同時存在于DEI 和 DEG 中。以上結(jié)果表明,與DEG相比,這5個關(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個關(guān)鍵的 KEGG 信號通路,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可能參與蜜蜂的級型分化。 4. DEIs 和可變剪接 在每個樣本中平均鑒定出21,574個isoform,比對到平均8509個參考基因上。表明蜜蜂基因組中,基因會產(chǎn)生了不同的isoform。通過對可變剪接事件進(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)控蜜蜂級型分化。 6. 兩個關(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isoform,與Poly(A)長度呈負(fù)相關(guān)。Ecr 基因有4個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 Ecr 基因的兩個isoform(Ecr.t1和 Ecr.t2)進(jìn)行 TaqMan 實時定量 PCR 驗證,結(jié)果與 DRS 結(jié)果基本一致,證實了在蜜蜂級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型分化過程中復(fù)雜的RNA加工和修飾,也為其它動物的表型可塑性研究以及其內(nèi)在的分子調(diào)控機制提供了科學(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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