海洋所揭示miRNA進化在脊椎動物起源和分化中的關鍵作用
國際分子進化領域期刊Molecular Biology and Evolution刊發(fā)了中國科學院海洋研究所李富花研究團隊題為“Coding Genes Helped the Origination and Diversification of Intragenic MicroRNAs”的研究成果。該工作揭示了基因內含子中miRNA的發(fā)生和分化推動性狀進化的機制,并首次闡釋了其在脊椎動物起源和早期分化中的關鍵作用。
miRNA是一類不編碼蛋白的小分子RNA,每個miRNA能調控數(shù)百個編碼基因的表達,因其進化發(fā)生頻率遠高于編碼基因,所以在動物適應性加速改變的進程中可發(fā)揮重要作用。新發(fā)生的miRNA的一個顯著特征是它們大多位于編碼基因的內含子中,并借用編碼基因現(xiàn)成的轉錄機制,形成一種嵌合的基因結構,這種嵌合結構中的miRNA和編碼基因之間常存在共表達和功能協(xié)作關系。該結構的維持和變化是自然選擇的結果,因而研究其進化有助于理解它所調控的性狀的進化,但是之前對此過程的研究十分缺乏。
通過分析34個后生動物類群的miRNA與編碼基因的位置關系,研究團隊發(fā)現(xiàn)miRNA和編碼基因形成的嵌套結構呈現(xiàn)出不斷發(fā)生、消亡、重組和解體的動態(tài)演化軌跡。在脊椎動物起源時發(fā)生了后生動物進化史上最劇烈的內含子miRNA擴張事件,有21個新miRNA家族在神經(jīng)發(fā)育調控基因的內含子中發(fā)生。這些全新的調控因子在神經(jīng)細胞表達,改變了細胞的基因調控網(wǎng)絡,使之進化成脊椎動物特有的、可遷移的多能干細胞——神經(jīng)嵴細胞。神經(jīng)嵴細胞遷移到胚胎多個部位,經(jīng)過分化發(fā)育成為多種與捕食行為密切相關的組織器官,包括周圍神經(jīng)系統(tǒng)(感知和運動)、色素細胞(偽裝)、腎上腺髓質(興奮與攻擊性)、顱面的骨、軟骨和牙本質(捕食)以及腸神經(jīng)系統(tǒng)(消化節(jié)律)等,從而徹底改變了動物的形態(tài)、行為和生理模式,使脊椎動物祖先由被動的濾食者進化成為活躍的捕食者,形成動物進化史上的分水嶺(圖1)。在隨后的脊椎動物早期分化事件中,圓口類動物(七鰓鰻和盲鰻)有12個內含子miRNA所在宿主基因的外顯子序列退化,而其轉錄起始序列與內含子miRNA被保留了下來,這些miRNA從此獲得了獨立轉錄的能力,其進化不再受原來的編碼基因約束,這些miRNA的獨立進化改變了圓口類動物頭部的神經(jīng)嵴發(fā)育調控,使其口器特化以適應寄生的生活方式(圖1c;圖2)。
上述發(fā)現(xiàn)表明,在特定生物學過程中表達的編碼基因內含子中新生miRNA的出現(xiàn),可與編碼基因共表達,將自身整合進該生物學過程的調控網(wǎng)絡,從而改變了相關性狀(圖3)。該研究為理解動物復雜表型進化創(chuàng)新的分子機制提供了全新視角。

圖1 脊椎動物起源和分化過程中miRNA的進化驅動了神經(jīng)嵴(neural crest, NC)的起源和分化

圖2 全基因組加倍之后,對冗余編碼基因的清洗推動了神經(jīng)嵴發(fā)育相關miRNA在有頜類與圓口類之間的分化

圖3 內含子miRNA在脊椎動物起源和分化中的作用模型
該工作是團隊針對非編碼RNA與其他基因的協(xié)同進化問題發(fā)表的第三篇論文,前兩篇分別闡述了不同miRNA之間以及tRNA與編碼基因之間的協(xié)同進化機制和意義。這一系列工作揭示了動物的不同類型基因之間的位置連鎖、數(shù)量匹配、表達相關、功能協(xié)作以及協(xié)同進化機制。
中國科學院海洋研究所柳承璋副研究員為文章第一作者,李富花研究員和張曉軍研究員為共同通訊作者。研究得到了中國科學院先導專項、蝦蟹產業(yè)技術體系和國家自然科學基金等項目的共同資助。
論文信息:
Liu C, Zhang X*, Yuan J, Xiang J, Li F*: Coding Genes Helped the Origination and Diversification of Intragenic MicroRNAs. Molecular Biology and Evolution 2025, 42(2).
文獻信息:
Liu C, Yuan J, Zhang X*, Jin S, Li F*, Xiang J: tRNA copy number and codon usage in the sea cucumber genome provide insights into adaptive translation for saponin biosynthesis. Open Biology 2021, 11(11):210190.
Liu C, Yuan J, Zhang X*, Jin S, Li F, Xiang J*: Clustering genomic organization of sea cucumber miRNAs impacts their evolution and expression. Genomics 2021, 113(6):3544-3555.
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