康樂(lè)院士PLOS發(fā)表miRNA重要成果

2016年08月28日訊 近期，來(lái)自山西大學(xué)、中科院動(dòng)物研究所和中科院北京生命科學(xué)研究院的研究人員，在國(guó)際著名遺傳學(xué)期刊《PLOS Genetics》在線刊登了題為“miR-71 and miR-263 Jointly Regulate Target Genes Chitin synthase and Chitinase to Control Locust Molting”的研究成果。這項(xiàng)研究的結(jié)果表明，在蝗蟲中，兩個(gè)miRNA可能在CHS1和CHT10介導(dǎo)的蛻皮過(guò)程調(diào)控中，發(fā)揮重要作用。中科院動(dòng)物研究所的康樂(lè)院士和山西大學(xué)的張建珍博士，是本文的共同通訊作者。

蛻皮是昆蟲生長(zhǎng)和發(fā)育的一個(gè)關(guān)鍵過(guò)程。幾丁質(zhì)（Chitin），作為表皮的角質(zhì)層的一個(gè)重要組成部分，在維持形態(tài)和蛻皮過(guò)程中起著關(guān)鍵性的作用。由于幾丁質(zhì)在植物和脊椎動(dòng)物中是不存在的，昆蟲的生長(zhǎng)和發(fā)育嚴(yán)格依賴于幾丁質(zhì)的生物合成和降解，因此，幾丁質(zhì)代謝是開發(fā)安全有效的殺蟲劑的一個(gè)有吸引力的靶標(biāo)。

飛蝗Locusta migratoria是一種世界性的害蟲，在其生命周期經(jīng)過(guò)五個(gè)蛻皮階段。幾丁質(zhì)介導(dǎo)的蛻皮過(guò)程被認(rèn)為取決于兩個(gè)關(guān)鍵基因--幾丁質(zhì)合成酶（CHS）和幾丁質(zhì)酶（CHT），它們都是由蛻皮激素20 -hydroxyecdysone（20E）和保幼激素調(diào)節(jié)的。在昆蟲中，幾丁質(zhì)合成酶是幾丁質(zhì)合成的關(guān)鍵調(diào)節(jié)酶，并且是殺蟲劑的一個(gè)特定靶標(biāo)。

從飛蝗克隆的LmCHS1基因，在蛻皮期在表皮中是特異表達(dá)的。LmCHS1基因敲除可增加非蛻皮和異常蛻皮若蟲的數(shù)量。然而，另一個(gè)旁系同源基因LmCHS2有助于圍食膜基質(zhì)相關(guān)的幾丁質(zhì)生物合成。此外，幾丁質(zhì)酶是幾丁質(zhì)糖苷鍵降解所需的水解酶。在所有的發(fā)展階段，TcCHT10可防止幼蟲蛻皮，并在蛻皮過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用；其他旁系同源基因，CHT5和CHT7，僅在成蟲中防止蛻皮和翅膀正常折疊。CHS1和CHT10在蝗蟲中的一個(gè)有趣特點(diǎn)是，在每一個(gè)若蟲階段結(jié)束時(shí)（蛻皮前）轉(zhuǎn)錄水平突然增加和減少，表明這兩個(gè)關(guān)鍵酶在蛻皮過(guò)程中有可能是被精確調(diào)節(jié)的。然而，酶依賴性的幾丁質(zhì)代謝和蛻皮過(guò)程，其背后的分子調(diào)控機(jī)制，仍不明確。

microRNA（miRNA）是小的非編碼調(diào)控RNAs，已成為多個(gè)生物過(guò)程中基因表達(dá)的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄后調(diào)節(jié)因子，因?yàn)樗鼈兛梢酝ㄟ^(guò)與靶基因的3’UTRs進(jìn)行較低的互補(bǔ)堿基配對(duì)，而直接引起翻譯抑制或mRNA的的降解。然而，最近的研究表明，在動(dòng)物或昆蟲中，miRNAs可廣泛地靶定mRNA的的蛋白編碼區(qū)。許多研究表明，miRNAs嚴(yán)重影響昆蟲的蛻皮，從而導(dǎo)致蛻皮缺陷表型。例如，mir-8-5p和mir-2a-3p可負(fù)向調(diào)節(jié)幾丁質(zhì)生物合成途徑中的膜結(jié)合海藻糖酶和乙酰葡糖胺磷酸變位酶，從而在半翅目昆蟲褐飛虱中造成顯著減少的存活率，連同蛻皮缺陷表型。

幾個(gè)不同的miRNA在昆蟲變形的調(diào)控中發(fā)揮作用。Mir-2的缺失可上調(diào)kr-h1 mRNA，從而導(dǎo)致受損的變形。此外，在果蠅中，let-7和miR-125突變體可誘導(dǎo)特定變形過(guò)程的時(shí)間錯(cuò)誤調(diào)節(jié)。在飛蝗中，該研究小組曾報(bào)道，抑制Dicer-1--催化miRNA生物合成最后一步的酶，可誘導(dǎo)蛻皮的缺陷。結(jié)果表明，miRNAs對(duì)于調(diào)節(jié)蝗蟲的蛻皮過(guò)程，起著至關(guān)重要的作用。然而，在蛻皮過(guò)程中miRNA如何影響轉(zhuǎn)錄后修飾，根本機(jī)制仍然尚未完全闡明。

在許多昆蟲中，CHS1和CHT10是平衡幾丁質(zhì)代謝的至關(guān)重要的蛻皮依賴酶，所以，該研究小組選擇了CHT10和CHS1作為候選基因。他們推測(cè)，miRNA可能在CHS1和CHT10介導(dǎo)的蛻皮過(guò)程調(diào)控中，發(fā)揮重要作用。在這項(xiàng)研究中，他們進(jìn)行了小RNA轉(zhuǎn)錄組測(cè)序，來(lái)鑒定蝗蟲體壁中表達(dá)的miRNAs。研究人員發(fā)現(xiàn)，體壁表達(dá)的mir-71和mir-263，直接靶定兩個(gè)關(guān)鍵基因CHS1和CHT10，并在蛻皮過(guò)程中調(diào)節(jié)著幾丁質(zhì)的生產(chǎn)，從而導(dǎo)致飛蝗的成功蛻皮。這些研究結(jié)果揭示了一種分子機(jī)制，miRNA通過(guò)這種機(jī)制，對(duì)于平衡CHT10和CHS1依賴性的幾丁質(zhì)代謝調(diào)控，發(fā)揮重要的作用。

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