2024-08-14
一、研究背景 動植物基因表達(dá)的多層次調(diào)控是生物學(xué)研究中的一個重要領(lǐng)域，涉及到中心法則從DNA到RNA再到蛋白質(zhì)的各個層面。近年來，隨著分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是轉(zhuǎn)錄組學(xué)和表觀遺傳學(xué)的進(jìn)展，對基因表達(dá)調(diào)控的理解不斷深入。轉(zhuǎn)錄與表觀遺傳學(xué)共同解析動植物基因表達(dá)的多層次調(diào)控，是當(dāng)代生命科學(xué)研究中的一個前沿領(lǐng)域，其研究背景可以從以下幾個維度來理解： （1）基因表達(dá)調(diào)控的復(fù)雜性：基因表達(dá)調(diào)控是生物體發(fā)育、生長、分化及適應(yīng)環(huán)境變化的基礎(chǔ)，而這種調(diào)控遠(yuǎn)不止于簡單的轉(zhuǎn)錄起始。它涉及從DNA到RNA再到蛋白質(zhì)的一系列復(fù)雜過程，包括轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)錄后加工、翻譯以及翻譯后修飾等多個層次。 （2）表觀遺傳學(xué)的作用：表觀遺傳學(xué)是指不涉及DNA序列改變的遺傳信息調(diào)控方式，包括DNA甲基化、組蛋白修飾、染色質(zhì)重塑和非編碼RNA的作用等。這些表觀遺傳標(biāo)記能夠影響基因的可接近性和表達(dá)狀態(tài)，從而在不改變遺傳密碼的前提下，動態(tài)地調(diào)控基因活性，是理解基因表達(dá)調(diào)控機(jī)制的關(guān)鍵組成部分。 （3）環(huán)境適應(yīng)與進(jìn)化：動植物通過轉(zhuǎn)錄和表觀遺傳機(jī)制對環(huán)境變化做出快速響應(yīng)，如植物在遭遇干旱時通過改變特定基因的甲基化狀態(tài)來調(diào)節(jié)水分利用效率，動物則可能通過調(diào)控特定基因的表達(dá)來適應(yīng)溫度變化。這些機(jī)制對于物種的生存、繁衍和適應(yīng)性進(jìn)化至關(guān)重要。 （4）人類健康與疾病：在人類和其他動物中，異常的表觀遺傳調(diào)控與多種疾病（如癌癥、神經(jīng)退行性疾病）的發(fā)生密切相關(guān)。理解這些機(jī)制不僅可以增進(jìn)我們對疾病機(jī)理的認(rèn)識，也為疾病的預(yù)防、診斷和治療提供新的靶點(diǎn)和策略。 （5）農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)應(yīng)用：通過操控轉(zhuǎn)錄因子、改變表觀遺傳狀態(tài)等手段，可以改良作物的抗逆性、提高產(chǎn)量和改善品質(zhì)，或在醫(yī)藥領(lǐng)域通過基因工程生產(chǎn)治療性蛋白質(zhì)和抗體等。這為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生物制藥及合成生物學(xué)的發(fā)展提供了廣闊前景。 綜上所述，轉(zhuǎn)錄與表觀遺傳學(xué)解析動植物基因表達(dá)的多層次調(diào)控，不僅是生命科學(xué)基礎(chǔ)研究的核心內(nèi)容，也是促進(jìn)醫(yī)學(xué)進(jìn)步、農(nóng)業(yè)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)等眾多領(lǐng)域技術(shù)創(chuàng)新的關(guān)鍵所在。 圖1 轉(zhuǎn)錄組與表觀調(diào)控關(guān)聯(lián)分析
二、產(chǎn)品選擇 通過轉(zhuǎn)錄組測序和表觀遺傳學(xué)分析來研究動植物基因表達(dá)的多層次調(diào)控，是一種綜合運(yùn)用高通量測序技術(shù)和生物信息學(xué)方法的系統(tǒng)性研究策略。結(jié)合轉(zhuǎn)錄組和表觀遺傳學(xué)，構(gòu)建基因表達(dá)調(diào)控的多層次網(wǎng)絡(luò)模型，解析基因表達(dá)調(diào)控的精細(xì)機(jī)制。不僅能深入理解動植物基因表達(dá)的復(fù)雜調(diào)控機(jī)制，還能為種質(zhì)資源遺傳改良、活性成分的生物合成優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)和潛在靶點(diǎn)。 （1）轉(zhuǎn)錄組測序：真核有參、真核無參、lncRNA、circRNA、smallRNA 圖2 轉(zhuǎn)錄調(diào)控示意圖 （2）表觀調(diào)控：DNA甲基化、RNA甲基化、ChIP-seq、RIP-seq、ATAC-seq、Cut&Tag-seq 圖3 表觀調(diào)控示意圖
三、案例分享 案例一 轉(zhuǎn)錄組+代謝組+WGBS共同揭示丹參生長過程中丹參酮和酚酸的生物合成機(jī)制 DNA methylation regulates biosynthesis of tanshinones and phenolic acids during growth of Salvia miltiorrhiza 發(fā)表期刊：Plant Physiology 影響因子：6.5 通訊單位：浙江理工大學(xué) 組學(xué)技術(shù)：轉(zhuǎn)錄組、代謝組、全基因組甲基化 研究背景： 丹參(Salvia miltiorrhiza)是一種藥用模式植物，被廣泛用于治療代謝紊亂和心血管疾病，其治療效果與兩類次生代謝物高度相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)丹參中丹參酮的生物合成可能受DNA甲基化的調(diào)控。然而，全局DNA甲基化對丹參次生代謝物生物合成的影響仍然未知。 技術(shù)路線： 部分研究結(jié)果： 研究首先對丹參在根生長的40d、60d和90d的樣本(r40、r60和r90)進(jìn)行了丹參酮和酚酸的靶向檢測，發(fā)現(xiàn)大部分的丹參酮和酚酸的含量隨著根生長逐漸增加。隨后，研究對三組樣本進(jìn)行了WGBS分析，以研究丹參根中的動態(tài)全基因組甲基化譜及其與丹參酮和酚酸的關(guān)系。基于全局DNA甲基化分析，所有三種環(huán)境的DNA甲基化水平在TE富集區(qū)較高，但在基因富集區(qū)較低，與之前在擬南芥和水稻中的研究一致，表明丹參基因組中存在保守的甲基化特征。 使用甲基化組相同的樣本進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測序分析，從中鑒定到了24,102個差異表達(dá)基因，同時從甲基化數(shù)據(jù)中分析到了2,412個差異甲基化基因。根據(jù)Venn分析的結(jié)果，無論是在高或低DMGs中，都是更高比例的DEGs被下調(diào)。KEGG富集顯示，只有超甲基化調(diào)控的下調(diào)DEGs及低甲基化調(diào)控的上調(diào)DEGs才富集代謝相關(guān)途徑，且這兩種類型基因的DMRs主要發(fā)生在啟動子區(qū)。結(jié)果表明，伴隨著基因體或啟動子甲基化的增加，丹參酮和酚酸生物合成途徑基因上調(diào)，而酚酸合成抑制劑的下調(diào)，可能促進(jìn)了活性成分的積累。 圖4 不同階段丹參根的DNA甲基化全景 圖5 與DNA甲基化變化相關(guān)的基因表達(dá)分析 研究結(jié)論： 這項研究提供了關(guān)于丹參根生長過程中丹參酮和酚酸生物合成的表觀遺傳見解。一系列甲基化酶基因在根生長中高表達(dá)，導(dǎo)致全局DNA甲基化增加，尤其是CHH甲基化，這進(jìn)一步影響了丹參酮及酚酸生物合成基因的表達(dá)，最終造成丹參酮和酚酸在根中積累。未來可深入研究DNA甲基化影響這些基因表達(dá)變化的潛在分子機(jī)制。 案例二 RIP-seq科研利器促進(jìn)擴(kuò)張型心肌病進(jìn)展的機(jī)制研究 A Kaposi’s sarcoma-associated herpes virus-encoded microRNA contributes to dilated cardiomyopathy 發(fā)表期刊：Signal Transduction and Targeted Therapy 影響因子：40.8 通訊單位：華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院 組學(xué)技術(shù)：轉(zhuǎn)錄組、RIP-seq 研究背景： 擴(kuò)張型心肌病(DCM)是目前心衰的和心臟移植的主要病因之一。近幾十年來，隨著治療策略的實施和早期診斷，DCM患者的預(yù)后得到了改善，但治療仍然具有挑戰(zhàn)性。DCM的潛在病因多種多樣，包括基因突變、病毒感染、藥物化療、自身免疫性和全身性疾病等。 技術(shù)路線： 部分研究結(jié)果： 研究人員檢測了696例DCM患者血漿中的KSHV DNA含量和kshv-miR-K12-1-5p表達(dá)水平，并進(jìn)行隨訪。結(jié)果顯示，與非DCM組相比，DCM患者的KSHV血清陽性和定量滴度增加。在隨訪期間，KSHV DNA血漿陽性的DCM患者因心血管原因或心臟移植而死亡的可能性增加。在心臟組織中，與健康供體相比，DCM患者心臟中的KSHV DNA含量也增加。 通過Ago2抗體進(jìn)行RIP-seq，鑒定了67個與Ago2蛋白相關(guān)的mRNAs。通過GO富集分析及RNA pulldown、WB及熒光報告基因等實驗，I型干擾素信號通路上的多個基因，包括OAS1、OAS2、OAS3、MX1、IFIT1、IFIT3、IRF7和RSAD2，被確定為kshv-miR-K12-1-5p的下游潛在靶點(diǎn)，并且證實kshv-miR-K12-1-5p通過直接靶向這些基因，顯著降低其表達(dá)，從而阻斷了病毒感染激活的I型干擾素信號通路的活化，也就抑制了其抗病毒作用。 圖6 KSHV編碼miRNA和KSHV感染在DCM患者中升高 圖7 KSHV-miR-K12-1-5p靶向干擾素信號通路 研究結(jié)論： 揭示KSHV通過感染人心臟內(nèi)皮細(xì)胞并釋放其編碼的kshv-miR-K12-1-5p進(jìn)入心肌細(xì)胞，阻斷心肌細(xì)胞內(nèi)的I型干擾素信號通路，從而延緩心臟組織病毒清除、加重炎癥浸潤及心肌重塑，最終促進(jìn)DCM的發(fā)生發(fā)展。本研究表明KSHV感染是DCM的危險因素，為治療DCM提供了更多的可能性。
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