中大新聞網(wǎng)訊（通訊員黃玉梅）基因表達(dá)的進(jìn)化在生物適應(yīng)中起到重要作用。基因表達(dá)同時(shí)受順式作用元件（cis-acting elements）和反式作用因子（trans-acting elements）的調(diào)控。順式作用因子（如啟動(dòng)子、增強(qiáng)子）變異引起的表達(dá)改變被認(rèn)為是物種間表型進(jìn)化的主要原因之一；而反式作用因子（如轉(zhuǎn)錄因子和非編碼小RNA）通常受到相互拮抗的基因多效性作用，被認(rèn)為是進(jìn)化保守的。由于基因多效性廣泛存在、順式和反式作用的效應(yīng)經(jīng)常相互補(bǔ)償，基因特異的反式作用對(duì)物種間進(jìn)化的貢獻(xiàn)仍不清楚。目前常用的研究手段中，基于雜交F1代的等位基因特異性表達(dá)（allele-specific expression, ASE）研究無(wú)法區(qū)分單個(gè)調(diào)控元件的作用，而表達(dá)數(shù)量性狀位點(diǎn)（expression quantitative trait loci, eQTL）研究難以準(zhǔn)確定位引起表達(dá)差異的因果變異，因此研究單個(gè)反式作用因子在物種間基因表達(dá)進(jìn)化中的作用仍存在一定困難。
中山大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院唐恬教授課題組以常見(jiàn)的反式作用因子microRNA（miRNA）為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)果蠅屬快速進(jìn)化的miR-983通過(guò)時(shí)空特異的表達(dá)調(diào)控，貢獻(xiàn)于姐妹種黑腹果蠅（Drosophila melanogaster）和擬果蠅（D. simulans）間精子發(fā)生的基因表達(dá)差異及精子表型差異。該結(jié)果揭示了反式作用因子減少基因多效性的分子機(jī)制，為揭示自然選擇驅(qū)動(dòng)下單個(gè)反式作用因子對(duì)表型進(jìn)化的貢獻(xiàn)提供了實(shí)證。
該研究利用基于CRISPR/Cas9技術(shù)的基因敲除、基因替換和精巢轉(zhuǎn)錄組測(cè)序，拆分了單個(gè)反式作用因子miR-983及遺傳背景差異對(duì)黑腹果蠅與擬果蠅之間表達(dá)進(jìn)化的貢獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)盡管遺傳背景效應(yīng)占主導(dǎo)且與miR-983的效應(yīng)負(fù)相關(guān)，但是miR-983的效應(yīng)確實(shí)增加了物種間基因表達(dá)的分歧。進(jìn)一步對(duì)精子發(fā)生過(guò)程中的不同細(xì)胞類(lèi)型進(jìn)行單包囊轉(zhuǎn)錄組測(cè)序（single-cyst RNA-seq），發(fā)現(xiàn)精子發(fā)生相關(guān)的特定功能基因在歧化選擇或多樣化選擇下時(shí)空特異地獲得或丟失miR-983調(diào)控（圖1），有助于減少拮抗的基因多效性。有意思的是，在基因表達(dá)變化最為劇烈的圓形精細(xì)胞時(shí)期，miR-983效應(yīng)的強(qiáng)度最弱但獲得miR-983調(diào)控的基因數(shù)目最多，暗示miR-983的調(diào)控特異性取決于發(fā)育過(guò)程中的基因表達(dá)動(dòng)態(tài)。
圖1. miR-983在果蠅精子發(fā)生過(guò)程中的調(diào)控動(dòng)態(tài)
此外，研究還發(fā)現(xiàn)在黑腹果蠅中敲除miR-983會(huì)導(dǎo)致精子變短并降低其在精子競(jìng)爭(zhēng)中的防御能力，而在擬果蠅中敲除miR-983上述特征并沒(méi)有發(fā)生顯著改變，這可能與精子長(zhǎng)度在兩個(gè)物種中受到不同程度的渠化作用相關(guān)。同時(shí)，該研究鑒定了一批基因表達(dá)在特定時(shí)期受正選擇的基因，為后續(xù)研究果蠅精子表型進(jìn)化的分子機(jī)制提供了潛在靶點(diǎn)。
該研究成果“Spatiotemporal Regulation of a Single Adaptively Evolving Trans-Regulatory Element Contributes to Spermatogenetic Expression Divergence in Drosophila”近日發(fā)表在Molecular Biology and Evolution學(xué)術(shù)期刊上。生命科學(xué)學(xué)院博士生黃玉梅為論文第一作者，唐恬教授為通訊作者。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目資助。
