【科研进展】康乐院士团队合作揭示piRNAs调控的新机制决定了飞蝗后代数量的变化

  自然界很多动物都会根据环境的变化来调节繁殖对策,产生不同数量的后代。动物种群的内在因素在调节繁殖对策方面也发挥着重要作用,比如种群密度、性比、亲缘关系和个体竞争强弱等都会影响所繁殖的后代数量。而后代的多少与种群的维持及动态密切相关,同时也是动物适应性的重要标志。人们对这种自然现象有所了解,但是对动物如何自主调控生殖策略的分子机制并不知晓。

  飞蝗是研究密度依赖生殖策略的理想模型。根据种群密度不同,飞蝗存在群居型和散居型两种生态型。群、散飞蝗尽管基因型完全相同,但是它们采取的生殖策略有显著差异,即高密度的群居型飞蝗生殖力较低,以便将能量投入到长距离迁飞来寻找新的栖息地。而低密度散居型飞蝗采取较高的生殖力以产下更多的后代个体,来维系种群稳定性。两型飞蝗之间可以根据密度的变化相互转变,生殖对策也随之发生转换,进而导致产卵量发生变化。飞蝗这种适应种群密度变化而导致后代数量改变的机制是一个非常有挑战性的问题。

  近日,康乐院士团队最新研究成果揭示了飞蝗适应种群密度变化而导致后代数量改变的分子机制。Piwi-interacting RNAs (piRNAs)是动物生殖系统中特异表达的一类非编码小RNA。群居型和散居型雌虫卵巢中piRNAs的表达差异非常明显。散居型飞蝗较高的产卵频率与piRNAs的高表达具有明显的关联性。特别是在散居型飞蝗卵小管尖端部位(原卵区和卵黄发生前期卵母细胞),piRNAs发生显著高表达。在散居型雌虫体内抑制飞蝗Piwi蛋白Liwi1、piRNAs或者piRNAs的靶标基因oo18 RNA-binding protein (Orb),都能够降低其产卵频率和卵块数。反之,在群居型雌虫体内过表达piRNAs,能够提高群居型雌虫的产卵频率和卵块数。有趣的是,piRNAs通过正调控模式影响靶标基因Orb的表达。目前国际上普遍认为Piwi/piRNAs通路经典的作用机制,是通过抑制转座子的转座来保证生殖系统内基因组的完整性。Piwi/piRNAs通路对蛋白编码基因的调控虽有报道,但大部分是抑制性的。那么散居型飞蝗中这些piRNAs是怎么实现对蛋白编码基因Orb转录本的正向调控呢?康乐院士团队研究发现,Liwi1/piRNAs作用的靶标是Orb内含子中一个不具有转座功能的残缺转座子“Copia”。飞蝗中Liwi1/piRNAs通过与剪切体蛋白U2AF35互作,促进内含子从前体mRNA中移除,导致产生更多的Orb成熟mRNA转录本,从而实现了Orb在散居飞蝗卵小管尖端的高表达。因此,piRNAs促进Orb前体mRNA剪切的这种非经典调控模式是导致散居型飞蝗高产卵频率和高产卵量的关键原因(图1)。

  飞蝗生殖系统中为什么会发展出这样一种由Piwi/piRNAs通路介导的序列特异性的前体mRNA剪切模式呢?研究人员通过利用最新发展的针对微量细胞内RNA与蛋白互作研究的LACE-seq技术,发现在飞蝗卵小管尖端中,大量与卵母细胞分裂和发育密切相关的mRNA前体共同结合在Liwi1和U2AF35这两个蛋白上,提示生殖系统这种piRNAs介导的特殊剪切机制可能对生殖细胞的成熟至关重要。

  Piwi/piRNAs参与的前体mRNA剪切模式是否在动物界普遍存在?研究人员进一步在果蝇及小鼠生殖细胞系中,验证了Piwi蛋白和剪切体蛋白的互作以及piRNAs介导的mRNA剪切机制的普遍性(图2)。这项研究也暗示了飞蝗中发现的Piwi/piRNAs介导的编码基因mRNA剪切新机制可能在其它动物调节繁殖对策中也是普遍存在的。

  这项最新研究是继康乐院士团队发现piRNAs是群居型、散居型飞蝗中表达差异最大的一类小RNA (Wei et al, Genome Biology, 2009)之后,进一步证明了piRNAs对飞蝗生殖策略可塑性的调控机制,并揭示了Piwi/piRNAs介导的前体mRNA剪切对生殖功能相关基因的加工调控作用。该团队近期的另一项研究还发现,脑中的piRNAs通过调控神经肽NPF1的表达来控制飞蝗的取食量(Wang et al., EMBO Reports, 2022)。飞蝗piRNAs研究在生殖细胞和体细胞中同时取得的重要进展,既能为开发蝗灾控制方法提供新思路,又将飞蝗发展成为研究非编码RNA的重要模式昆虫。该成果以“piRNA-guided intron removal from pre-mRNAs regulates density-dependent reproductive strategy”为题于2022年4月26日在国际学术期刊Cell Reports杂志在线发表,中国科学院动物研究所助理研究员何静为该论文的第一作者,复旦大学基础医学院青年研究员魏园园和中国科学院动物研究所康乐研究员为共同通讯作者。

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【科研进展】白明研究组合作揭示远缘物种具有更相似表型和基因型不一定是因为趋同演化

  近日,中国科学院动物研究所白明研究组、浙江大学张国捷团队联合深圳华大生命科学研究院、中国科学院昆明动物研究所、哥本哈根大学等中外多个课题组,公布了对有袋类哺乳动物的物种辐射性大爆发过程的研究结果。该结果重建了有袋类物种的演化关系,并揭示了物种快速分化过程中,一些随机事件有可能会导致远缘物种具有相似表型的现象,解释了利用形态和分子数据在构建物种树经常出现冲突的发生机制。

  早在19世纪,达尔文就在他的旷世著作《物种起源》中提出现在地球上的所有物种最初都是从同一种原始生命演化而来,即共同祖先理论。由这个共同祖先不断分叉演化形成现在物种类群的历程即构成了生命之树,从简单的单细胞生物到复杂的生命体,每个物种都可以找到它的最近缘物种和最近共同祖先。以人类为例,人类约在700万年前与黑猩猩从共同祖先古猿分化形成,古猿类和旧世界猴在约2800万年前拥有相同的祖先,最早的灵长类物种祖先可以追溯至8000万年前,而目前地球上的哺乳动物在约两亿多年前都有共同祖先。重构正确的物种关系树是演化生物学研究和开展跨物种比较研究的基础,对我们推理各种生物学现象的起源过程至关重要。

  DNA是绝大多数生物的遗传蓝图,按照达尔文提出的物种演化模型,物种间DNA序列的差异可以反映出物种的分化历程,即DNA序列越相似的物种在生命之树上就更接近。同时,表型由DNA来决定,理论上携带相同表型的物种演化关系也就越接近。依据这样的推论,形态数据和DNA数据都可以用来构建物种树。但实际上,DNA数据与形态特征在推断物种演化历程上经常出现相互矛盾的结果。自80年代以来,利用DNA数据重构物种演化历程逐渐成为主流,但仍缺乏研究来解释为什么会存在这样的矛盾,为什么形态信息经常会得到不可靠的物种关系树。

  分子树和与形态树的矛盾经常发生在经历过物种快速分化的类群里。不完全的谱系分选(incomplete lineage sorting)就是一种可以导致上述情况出现的原因。多个物种在极短的时间内从一个共同祖先里分化出来,使得某些祖先基因的多态性在随后的物种分化历程中被随机分选到分化出的不同物种里,从而使得部分分化后形成的多个物种随机保留了相同的基因型。以人、黑猩猩和大猩猩为例。我们知道,相较于大猩猩,人与黑猩猩的亲缘关系更近。如图所示,三者共同祖先的群体具有较高的遗传多样性,大猩猩在第一次物种分化后形成,随着时间的推移,大猩猩的群体最终固定了蓝色的基因型。人和黑猩猩的共同祖先群体继承了橙色和蓝色两种基因型,然而在第二次物种分化的时候,人可能最终随机固定了和大猩猩一样的蓝色的基因型,黑猩猩最终随机固定了橙色的基因型。这样一来,我们就会观察到人的一些基因组序列跟大猩猩更相似,而跟黑猩猩差异更大。尽管黑猩猩是与人最近缘的物种,在人的基因组里约超过15%的基因组区域,是跟大猩猩更相似的。这种不完全的谱系分选现象在许多经历过物种大爆发的类群里均出现过,比如各种哺乳动物类群、鸟类、昆虫、鱼类等,但这种现象对性状的演化是否存在影响一直没有研究。

  为了研究不完全的谱系分选对物种形态和性状演化的影响,研究团队利用有袋类动物开展研究。之前的一些研究指出现存有袋类物种起源的过程经历了物种大爆发,导致了长期以来对有袋类物种早期演化关系存在争议。而这一争议主要围绕着南美有袋类微兽目(Microbiotheria)的演化地位。小山猴是该目唯一的现存物种,其作为南美洲的有袋类动物,却在骨骼、生殖器官和大脑结构等诸多方面与澳洲的有袋类动物更相似,尤其是袋鼠、考拉等双门齿目动物。正是由于这种形态的相似性,早前基于形态特征推定的演化关系认为小山猴应该和双门齿目的袋鼠和考拉更近缘,进而推测美洲小山猴应起源于澳洲。然而,本研究利用小山猴和其他有袋类动物的全基因组数据,表明小山猴应该是澳洲所有有袋类动物的姐妹群,也就是它和是澳洲有袋类有共同祖先但不属于澳洲有袋类。进一步的分析揭示,有袋类基因组有超过50%区域构建出的分子树跟真实的物种分化过程不一致,即小山猴反而跟某些澳洲有袋类之间的相似度要大于澳洲有袋类之间的相似度。早前观察的那些与真实物种发生过程不符的性状特征很可能是由于物种快速分化的过程不完全的谱系分选导致的。

  这些有冲突的基因组区域包含了上百个与神经系统、免疫系统、骨骼形态等相关的基因,它们可能与现今物种性状特征与物种发生历程之间的矛盾有关。研究推测,不完全的谱系分选所引发的祖先多态性的随机固定可能会偶然地导致两个亲缘关系较远的物种继承相同的祖先基因型,如果不同的祖先基因型会产生不同的形态特征,那么这样一来,就可能会导致远缘物种具有更加相似的表型。为了验证上述猜想,研究人员利用博物馆馆藏标本确定了小山猴的肱骨弯曲形态、脊柱棘突高度、门牙形态都是跟双门齿目的袋鼠和考拉更为相似。随后,研究团队再利用比较基因组学分析手段筛选候选基因,采用基因编辑技术对受不完全的谱系分选影响的基因建立小鼠实验模型。通过实验小鼠和野生小鼠的骨骼性状扫描结果的比较,研究人员证实了受不完全的谱系分选影响的基因型替换确实产生了符合预期的表型结果。

  物种性状的演化被认为是物种长期适应环境的结果:突变产生新的基因与新的性状,新基因通过繁殖扩散开来,有利于生存与繁殖的性状及其基因会被自然选择保留下来。在远缘物种中出现相同的性状,过去往往会用趋同演化来解释这样现象。然而,这一研究则揭示不同类群间相同性状的出现也可能是随机遗传了祖先性状引起的。同时,这一研究还证明,仅依靠部分基因、部分性状的溯源来构建物种关系树是不可靠的,全基因组数据才是重构物种发生历程的金标准。通过全基因组数据可以充分揭示不完全的谱系分选作为一种可能的机制来解释基因组物种树和表型变异之间冲突的现象。此外,本研究还综合了古气候地理,物种分化、形态、DNA等多方面证据来佐证有袋类物种演化进程。

  此外,近年来,测序技术的发展将基因组学研究带入了完美参考基因组的新时代。但本研究是基于二代测序技术的基因组完成的,这也提示我们不要过分追求新技术,而忽视了科学问题的重要性。

  该成果已于2022年4月20日以题目为“Incomplete lineage sorting and phenotypic evolution in marsupials”的论文在线发表于国际顶级学术期刊《细胞》(Cell)杂志,深圳华大生命科学研究院冯少鸿博士和中国科学院动物研究所白明研究员为论文共同第一作者,论文通讯作者张国捷教授近日以讲席教授身份加盟浙江大学医学院。冯少鸿博士现任浙江大学“百人计划”研究员。

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#护肤科技# 射频抗炎亦抗糖!韩国学者最新研究提示,射频可以通过调控皮肤整体炎症状态帮助肌肤清除终末糖化产物和其对应受体,逆转肌肤糖化----射频是目前非常常用的医美手段,其可以通过激活胶原蛋白、弹力蛋白生成改善皮肤松弛和毛孔粗大;也有研究关注到射频对于皮肤炎症状态的调控,但其是否可以影响皮肤糖化尚不清楚。

韩国学者首次在动物层面证实,射频对于老化小鼠皮肤中AGEs具有促清除效果。射频能够通过上调皮肤中NRF2的激活,抑制亢奋的炎症状态,加速M2型抗炎巨噬细胞的极化,最终发挥抑制AGEs和其对应受体的产生,从而帮助肌肤逆转糖化状态。


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