MCP：多组学整合分析揭示miRNA在杂种优势中的关键作用 | 用户文章

联合分析新型杂交黄颡鱼转录组、miRNA和蛋白质组学的变化揭示miRNA在杂种优势中的关键作用

Integrated analysis of transcriptomic, miRNA and proteomic changes of a novel hybrid yellow catfish uncovers key roles for miRNAs in heterosis

发表单位：南京师范大学

发表期刊：MOLECULAR & CELLULAR PROTEOMICS

影响因子：5.232

技术手段：转录组测序，miRNA测序，TMT定量蛋白质组分析

研究背景

杂种优势是一种复杂的生物现象，其中杂交产生的后代与亲本相比表现出优异的表型特征。杂种优势广泛用于农业，例如养鱼；然而，其潜在的分子基础仍然是难以捉摸的。理论上认为，由于在杂种中没有产生新的基因，杂种优势可能是由基因表达的定性或定量修饰引起的差异引起的。miRNA在转录后水平的基因表达调控中起关键作用，特别是在表观遗传基因调控中。

近几年，许多鲶鱼品种得到广泛养殖，为解决产量和经济效益问题，杂交技术已被引入鲶鱼的人工繁殖。杂交产生的人工杂交黄鲶具有诱人的优点，表明它不仅是重要的水产养殖物种，也是研究杂种优势分子机制的潜在模式生物。

目前NGS和TMT标记定量技术提供了前所未有的资源，以解决杂交如何影响基因/蛋白质表达和改变分子途径的问题，以及导致新生杂种鱼产生更广泛的适应性以及miRNA是否参与这个过程的解决方案。

研究方法

为了获得对鱼类杂种优势的全面、公正的分子理解，本研究分析了三种鲶鱼：P. fulvidraco （雌性，F），P. vachelli（雄性，M）和它们的杂交种Huangyou-1（杂交种F1，H）的肝脏mRNA，miRNA和蛋白质组的数据。

取样：M，F和H的实验样本从3个不同水族箱各取3个样品（M1，M2，M3，F1，F2，F3，H1，H2和H3），每个样品由6个不同肝脏组织组成。样品后续分别进行mRNA-seq，miRNA-seq，TMT定量蛋白质组分析，qRT-PCR和PRM。

图1 研究流程图

研究结论

本研究数据中总共鉴定出57,510个独特基因，818个独特miRNA和4,528个独特的蛋白。F1中具有显著不同于中亲值表达水平的基因、miRNA和蛋白质，定义为非加性表达基因（NEG），非加性表达miRNA（NEM）和非加性表达蛋白质（NEP）。通过对NEG进行KEGG分析，总共40个途径显著富集。在这些途径中，免疫防御，抗氧化能力，代谢（维生素，氨基酸，脂类和碳水化合物）以及消化和吸收的功能是最常见的。对于NEP，富含12种途径，包括消化吸收和免疫防御。

差异分析结果显示，F1和两个亲本之间差异表达的基因/miRNA/蛋白质的百分比是不对称的，M和F之间的DEG、DEM和DEP明显高于M-H和F-H，这种差异提示了一种遗传模式，即杂种H中的亲本同源物表达偏倚（HEB）和表达水平优势（ELD）。

为了解HEB模式是否真实地反映杂交种H中的同源物表达偏倚，比较了亲本和杂种的11,789个同源基因的特异性SNP，结果显示杂种H中95.4％的同源物特异性SNP基因具有F/M偏倚。数据分析在亲本中鉴定了大量ELD模式，ELD模式在H鱼的单倍体中起重要作用，亲本ELD模式有助于杂交中的杂种优势，并与非加性机制一起起作用。ELD-F/M基因/蛋白质的KEGG分析显示生长发育，摄食调节，代谢能力和维生素代，消化系统，细胞增殖，免疫防御和抗氧化能力途径显著富集。

互作分析显示共有1,612个miRNA-mRNA相互作用，包括46个DEM和577个DEG，以及121个miRNA-mRNA-蛋白质相互作用，共涉及38个DEM和31个DEG。在这些miRNA-mRNA-蛋白质对中发现了几种具有良好表征功能的非加性miRNA，参与代谢，消化和吸收，免疫反应和机体发育等。

对6种选定的DEM/DEG/DEP进行了qRT-PCR和PRM分析验证，发现这些miRNA-mRNA-蛋白质对是参与生物体发育（miR-27a-Camk2d1），代谢（miR-30e-ACOT6和miR-181a-Retsat），免疫应答（miR-221-Cfi和miR-130c-CHL1）以及消化和吸收。

图2 miRNA-mRNA-蛋白质互作图

研究结论

本研究数据表明，高亲本基因表达以及蛋白质表达的潜在miRNA调节机制是杂种优势表型的基础。尽管miRNA-mRNA-蛋白质调节网络构图看似简单，但杂交种的遗传随机性，基因表达噪声，三个水平的相互作用等尚未得到充分表征。因此，多级高通量深度测序与生物信息学分析的结合可以作为构建更好分子模型的有力工具。总的来说，虽然这项研究不能完全解释鱼类杂种优势的所有分子机制，希望它能为分析方法学提供基础数据，并为未来的研究提供新的生物学和机械学的见解。

参考文献

Guosong Zhang，et al. (2019) Integrated analysis of transcriptomic, miRNA and proteomic changes of a novel hybrid yellow catfish uncovers key roles for miRNAs in heterosis. Mol Cell Proteomics, Published on May 15, 2019 as Manuscript RA118.001297

相关阅读