1月14日，國際學術(shù)期刊Molecular Biology and Evolution在線發(fā)表了中國科學院生物化學與細胞生物學研究所吳立剛實驗室的研究成果：“Evolution of an X-linked miRNA family predominantly expressed in mammalian male germ cells”。在該項工作中，研究人員展示了有袋類哺乳動物基因組中的一個轉(zhuǎn)座子如何演化成胎盤類哺乳動物中在精子生成過程中特異性高表達的miRNA家族。

 

        microRNA（miRNA）在許多重要的生物學過程中都起著必不可少的作用，但對于精子發(fā)生過程中小RNA表達的種類、調(diào)控規(guī)律及其演化卻知之甚少。吳立剛研究組分離純化了小鼠精子生成過程中幾個關(guān)鍵時期的生精細胞，并利用自主建立的微量小RNA深度測序技術(shù)繪制了小RNA表達譜。研究發(fā)現(xiàn)miRNA和piRNA是小鼠精子發(fā)生過程最主要的兩類小RNA，二者的表達量在整個精子生成過程中發(fā)生了巨大的動態(tài)變化。從精原干細胞進入減數(shù)分裂時期，一個位于X染色體上的miRNA家族的表達量顯著增加，在細線期高達miRNA總量的70%，研究人員將其命名為spermiR (spermatogenesis-related miRNA family)。在目前已有注釋基因組的所有胎盤類物種中均能找到spermiR的同源基因，并且spermiR家族成員始終位于X染色體上的Slitrk2和Fmr1基因之間。通過同源序列比對，研究人員在比胎盤類分歧年代略早的有袋類負鼠(opossum)中找到了spermiR的祖先，推測spermiR源于一個在有袋類動物中活躍的反轉(zhuǎn)座子THER1。THER1在一次隨機的轉(zhuǎn)座事件中跳至Slitrk2和Fmr1基因之間，并逐漸獲得有利于miRNA前體加工酶Drosha識別的莖環(huán)區(qū)突變，被加工生成了新的miRNA。隨著物種進化spermiR在胎盤類哺乳動物中發(fā)生了物種特異性的擴增，拷貝數(shù)逐漸增加，形成了在位置和序列不同的兩個分支，不同種類哺乳動物在精子發(fā)生過程中兩支spermiR的表達量不同。有趣的是，spermiR在精子發(fā)生過程中活躍表達，而其祖先THER1卻隨著進化在胎盤類物種中失去轉(zhuǎn)座活性而消亡了。

 

        為了研究spermiR的功能，研究人員在體外培養(yǎng)的精原干細胞中敲除了表達量最高的spermiR家族成員：miR-741，結(jié)果發(fā)現(xiàn)敲除對精子發(fā)生沒有影響。轉(zhuǎn)錄組分析發(fā)現(xiàn)基因表達幾乎沒有變化，但小RNA測序發(fā)現(xiàn)另一個spermiR家族成員miR-465的表達明顯上升，成為表達量最高的miRNA。預(yù)測發(fā)現(xiàn)spermiR的靶基因顯著富集在與精子發(fā)生相關(guān)的生物學通路，盡管miR-741和miR-465的seed序列（通常為第2-8位堿基，是miRNA識別靶基因的關(guān)鍵位點）差別較大，但80%以上的miR-741靶基因均可被miR-465調(diào)控。因此，當miR-741被敲除后，miR-465可能通過調(diào)控與miR-741相同的靶基因?qū)崿F(xiàn)了功能性補償，并且這種功能性補償在多個spermiR家族成員間都存在，提示spermiR家族與靶基因間可能存在共進化現(xiàn)象。

 

        生化與細胞所吳立剛研究員為本工作的通訊作者，博士生張鳳娟和博士后張英為共同第一作者，博士生呂小龍、張宏道及實驗員徐蓓英等人對該工作亦作出貢獻。中科院計算生物學研究所李海鵬研究員、神經(jīng)所嚴軍研究員為本工作的數(shù)據(jù)分析和文章寫作給予指導(dǎo)和建議。研究得到了來自國家自然科學基金委、科技部、中科院和中國博士后科學基金的經(jīng)費支持。

 

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