2024-08-14
一、研究背景 动植物基因表达的多层次调控是生物学研究中的一个重要领域，涉及到中心法则从DNA到RNA再到蛋白质的各个层面。近年来，随着分子生物学技术的发展，特别是转录组学和表观遗传学的进展，对基因表达调控的理解不断深入。转录与表观遗传学共同解析动植物基因表达的多层次调控，是当代生命科学研究中的一个前沿领域，其研究背景可以从以下几个维度来理解： （1）基因表达调控的复杂性：基因表达调控是生物体发育、生长、分化及适应环境变化的基础，而这种调控远不止于简单的转录起始。它涉及从DNA到RNA再到蛋白质的一系列复杂过程，包括转录、转录后加工、翻译以及翻译后修饰等多个层次。 （2）表观遗传学的作用：表观遗传学是指不涉及DNA序列改变的遗传信息调控方式，包括DNA甲基化、组蛋白修饰、染色质重塑和非编码RNA的作用等。这些表观遗传标记能够影响基因的可接近性和表达状态，从而在不改变遗传密码的前提下，动态地调控基因活性，是理解基因表达调控机制的关键组成部分。 （3）环境适应与进化：动植物通过转录和表观遗传机制对环境变化做出快速响应，如植物在遭遇干旱时通过改变特定基因的甲基化状态来调节水分利用效率，动物则可能通过调控特定基因的表达来适应温度变化。这些机制对于物种的生存、繁衍和适应性进化至关重要。 （4）人类健康与疾病：在人类和其他动物中，异常的表观遗传调控与多种疾病（如癌症、神经退行性疾病）的发生密切相关。理解这些机制不仅可以增进我们对疾病机理的认识，也为疾病的预防、诊断和治疗提供新的靶点和策略。 （5）农业与生物技术应用：通过操控转录因子、改变表观遗传状态等手段，可以改良作物的抗逆性、提高产量和改善品质，或在医药领域通过基因工程生产治疗性蛋白质和抗体等。这为农业生产、生物制药及合成生物学的发展提供了广阔前景。 综上所述，转录与表观遗传学解析动植物基因表达的多层次调控，不仅是生命科学基础研究的核心内容，也是促进医学进步、农业发展和环境保护等众多领域技术创新的关键所在。 图1 转录组与表观调控关联分析
二、产品选择 通过转录组测序和表观遗传学分析来研究动植物基因表达的多层次调控，是一种综合运用高通量测序技术和生物信息学方法的系统性研究策略。结合转录组和表观遗传学，构建基因表达调控的多层次网络模型，解析基因表达调控的精细机制。不仅能深入理解动植物基因表达的复杂调控机制，还能为种质资源遗传改良、活性成分的生物合成优化提供科学依据和潜在靶点。 （1）转录组测序：真核有参、真核无参、lncRNA、circRNA、smallRNA 图2 转录调控示意图 （2）表观调控：DNA甲基化、RNA甲基化、ChIP-seq、RIP-seq、ATAC-seq、Cut&Tag-seq 图3 表观调控示意图
三、案例分享 案例一 转录组+代谢组+WGBS共同揭示丹参生长过程中丹参酮和酚酸的生物合成机制 DNA methylation regulates biosynthesis of tanshinones and phenolic acids during growth of Salvia miltiorrhiza 发表期刊：Plant Physiology 影响因子：6.5 通讯单位：浙江理工大学 组学技术：转录组、代谢组、全基因组甲基化 研究背景： 丹参(Salvia miltiorrhiza)是一种药用模式植物，被广泛用于治疗代谢紊乱和心血管疾病，其治疗效果与两类次生代谢物高度相关。研究发现丹参中丹参酮的生物合成可能受DNA甲基化的调控。然而，全局DNA甲基化对丹参次生代谢物生物合成的影响仍然未知。 技术路线： 部分研究结果： 研究首先对丹参在根生长的40d、60d和90d的样本(r40、r60和r90)进行了丹参酮和酚酸的靶向检测，发现大部分的丹参酮和酚酸的含量随着根生长逐渐增加。随后，研究对三组样本进行了WGBS分析，以研究丹参根中的动态全基因组甲基化谱及其与丹参酮和酚酸的关系。基于全局DNA甲基化分析，所有三种环境的DNA甲基化水平在TE富集区较高，但在基因富集区较低，与之前在拟南芥和水稻中的研究一致，表明丹参基因组中存在保守的甲基化特征。 使用甲基化组相同的样本进行转录组测序分析，从中鉴定到了24,102个差异表达基因，同时从甲基化数据中分析到了2,412个差异甲基化基因。根据Venn分析的结果，无论是在高或低DMGs中，都是更高比例的DEGs被下调。KEGG富集显示，只有超甲基化调控的下调DEGs及低甲基化调控的上调DEGs才富集代谢相关途径，且这两种类型基因的DMRs主要发生在启动子区。结果表明，伴随着基因体或启动子甲基化的增加，丹参酮和酚酸生物合成途径基因上调，而酚酸合成抑制剂的下调，可能促进了活性成分的积累。 图4 不同阶段丹参根的DNA甲基化全景 图5 与DNA甲基化变化相关的基因表达分析 研究结论： 这项研究提供了关于丹参根生长过程中丹参酮和酚酸生物合成的表观遗传见解。一系列甲基化酶基因在根生长中高表达，导致全局DNA甲基化增加，尤其是CHH甲基化，这进一步影响了丹参酮及酚酸生物合成基因的表达，最终造成丹参酮和酚酸在根中积累。未来可深入研究DNA甲基化影响这些基因表达变化的潜在分子机制。 案例二 RIP-seq科研利器促进扩张型心肌病进展的机制研究 A Kaposi’s sarcoma-associated herpes virus-encoded microRNA contributes to dilated cardiomyopathy 发表期刊：Signal Transduction and Targeted Therapy 影响因子：40.8 通讯单位：华中科技大学同济医学院 组学技术：转录组、RIP-seq 研究背景： 扩张型心肌病(DCM)是目前心衰的和心脏移植的主要病因之一。近几十年来，随着治疗策略的实施和早期诊断，DCM患者的预后得到了改善，但治疗仍然具有挑战性。DCM的潜在病因多种多样，包括基因突变、病毒感染、药物化疗、自身免疫性和全身性疾病等。 技术路线： 部分研究结果： 研究人员检测了696例DCM患者血浆中的KSHV DNA含量和kshv-miR-K12-1-5p表达水平，并进行随访。结果显示，与非DCM组相比，DCM患者的KSHV血清阳性和定量滴度增加。在随访期间，KSHV DNA血浆阳性的DCM患者因心血管原因或心脏移植而死亡的可能性增加。在心脏组织中，与健康供体相比，DCM患者心脏中的KSHV DNA含量也增加。 通过Ago2抗体进行RIP-seq，鉴定了67个与Ago2蛋白相关的mRNAs。通过GO富集分析及RNA pulldown、WB及荧光报告基因等实验，I型干扰素信号通路上的多个基因，包括OAS1、OAS2、OAS3、MX1、IFIT1、IFIT3、IRF7和RSAD2，被确定为kshv-miR-K12-1-5p的下游潜在靶点，并且证实kshv-miR-K12-1-5p通过直接靶向这些基因，显著降低其表达，从而阻断了病毒感染激活的I型干扰素信号通路的活化，也就抑制了其抗病毒作用。 图6 KSHV编码miRNA和KSHV感染在DCM患者中升高 图7 KSHV-miR-K12-1-5p靶向干扰素信号通路 研究结论： 揭示KSHV通过感染人心脏内皮细胞并释放其编码的kshv-miR-K12-1-5p进入心肌细胞，阻断心肌细胞内的I型干扰素信号通路，从而延缓心脏组织病毒清除、加重炎症浸润及心肌重塑，最终促进DCM的发生发展。本研究表明KSHV感染是DCM的危险因素，为治疗DCM提供了更多的可能性。
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