2024-08-14
一、研究背(bei)景 動(dong)(dong)植物基(ji)(ji)因表(biao)達的(de)多層次(ci)調控是生物學(xue)(xue)(xue)研(yan)究中(zhong)的(de)一個(ge)重(zhong)要(yao)領域，涉及(ji)到中(zhong)心法則從DNA到RNA再到蛋白質(zhi)的(de)各個(ge)層面(mian)。近年來(lai)，隨著分子生物學(xue)(xue)(xue)技術的(de)發展(zhan)，特別(bie)是轉錄(lu)組學(xue)(xue)(xue)和表(biao)觀遺傳(chuan)學(xue)(xue)(xue)的(de)進展(zhan)，對基(ji)(ji)因表(biao)達調控的(de)理解不斷深入。轉錄(lu)與表(biao)觀遺傳(chuan)學(xue)(xue)(xue)共同解析動(dong)(dong)植物基(ji)(ji)因表(biao)達的(de)多層次(ci)調控，是當代生命科學(xue)(xue)(xue)研(yan)究中(zhong)的(de)一個(ge)前(qian)沿領域，其研(yan)究背景(jing)可以從以下幾個(ge)維度來(lai)理解： （1）基因表達調控的復雜性：基因表達調控是生物體(ti)發育、生長、分化及適應環境變化的基礎，而這種調控遠(yuan)不(bu)止于簡單的轉錄(lu)(lu)起始(shi)。它涉及從DNA到RNA再(zai)到蛋(dan)白質的一系列復雜過程(cheng)，包括轉錄(lu)(lu)、轉錄(lu)(lu)后(hou)加(jia)工(gong)、翻譯(yi)以及翻譯(yi)后(hou)修(xiu)飾等多(duo)個層次。 （2）表觀(guan)遺(yi)(yi)傳學(xue)的作用：表觀(guan)遺(yi)(yi)傳學(xue)是(shi)指(zhi)不(bu)涉及(ji)DNA序列改變(bian)的遺(yi)(yi)傳信(xin)息(xi)調控(kong)(kong)方式，包(bao)括DNA甲基(ji)化、組蛋(dan)白修飾、染(ran)色質重(zhong)塑和非編碼(ma)RNA的作用等(deng)。這些(xie)表觀(guan)遺(yi)(yi)傳標(biao)記能夠影響基(ji)因的可接(jie)近性和表達狀(zhuang)態，從而在不(bu)改變(bian)遺(yi)(yi)傳密碼(ma)的前(qian)提下，動態地調控(kong)(kong)基(ji)因活性，是(shi)理解基(ji)因表達調控(kong)(kong)機制的關鍵組成部分。 （3）環境適應與進(jin)化(hua)：動植物(wu)(wu)(wu)通(tong)過(guo)轉錄和(he)表觀(guan)遺傳機(ji)制(zhi)對環境變(bian)化(hua)做(zuo)出快速(su)響應，如植物(wu)(wu)(wu)在遭(zao)遇干旱(han)時通(tong)過(guo)改變(bian)特定(ding)基因的甲基化(hua)狀(zhuang)態來(lai)調(diao)節水(shui)分利(li)用效(xiao)率，動物(wu)(wu)(wu)則(ze)可能通(tong)過(guo)調(diao)控特定(ding)基因的表達來(lai)適應溫(wen)度變(bian)化(hua)。這些機(ji)制(zhi)對于物(wu)(wu)(wu)種的生存、繁衍和(he)適應性進(jin)化(hua)至關重要。 （4）人類健(jian)康(kang)與(yu)疾(ji)病(bing)(bing)(bing)(bing)：在人類和(he)其他動(dong)物中(zhong)，異常的(de)表(biao)觀(guan)遺傳(chuan)調控與(yu)多(duo)種疾(ji)病(bing)(bing)(bing)(bing)（如癌(ai)癥、神(shen)經退行性疾(ji)病(bing)(bing)(bing)(bing)）的(de)發(fa)生密(mi)切相關。理解這些(xie)機(ji)制不僅可以增進我們對疾(ji)病(bing)(bing)(bing)(bing)機(ji)理的(de)認(ren)識，也為疾(ji)病(bing)(bing)(bing)(bing)的(de)預防、診斷和(he)治療提供新(xin)的(de)靶(ba)點和(he)策(ce)略。 （5）農(nong)業與生物技術應用：通過操控轉錄因(yin)子、改(gai)變表(biao)觀遺(yi)傳狀態(tai)等手段，可以改(gai)良作物的抗逆性(xing)、提高產(chan)量和改(gai)善品質(zhi)，或在醫藥領域通過基因(yin)工程生產(chan)治療性(xing)蛋白質(zhi)和抗體等。這為農(nong)業生產(chan)、生物制(zhi)藥及合成生物學的發展提供了廣闊前景。 綜上所(suo)述(shu)，轉(zhuan)錄與(yu)表觀遺傳學(xue)解析動植物基(ji)因(yin)表達的多層(ceng)次調控，不僅是(shi)生命科學(xue)基(ji)礎研究(jiu)的核心內容，也(ye)是(shi)促進醫學(xue)進步、農業發展和環境保護等眾多領域技(ji)術創(chuang)新的關鍵所(suo)在。 圖1 轉(zhuan)錄組與表觀調(diao)控(kong)關聯分析(xi)
二、產品選擇(ze) 通過轉錄組(zu)測(ce)序和表觀(guan)(guan)遺(yi)傳學(xue)分析來研究動植(zhi)物(wu)基(ji)因(yin)表達的多(duo)(duo)層次(ci)調(diao)控，是一種綜合運用高通量測(ce)序技術和生(sheng)物(wu)信息學(xue)方(fang)法的系(xi)統性(xing)研究策略(lve)。結(jie)合轉錄組(zu)和表觀(guan)(guan)遺(yi)傳學(xue)，構建(jian)基(ji)因(yin)表達調(diao)控的多(duo)(duo)層次(ci)網絡模型，解析基(ji)因(yin)表達調(diao)控的精細機(ji)制。不僅能深入理解動植(zhi)物(wu)基(ji)因(yin)表達的復雜(za)調(diao)控機(ji)制，還能為種質資(zi)源遺(yi)傳改良、活性(xing)成(cheng)分的生(sheng)物(wu)合成(cheng)優(you)化提供(gong)科學(xue)依(yi)據和潛在靶點。 （1）轉錄組測(ce)序：真核有參、真核無(wu)參、lncRNA、circRNA、smallRNA 圖2 轉(zhuan)錄(lu)調控(kong)示意圖 （2）表觀調控：DNA甲基(ji)化(hua)(hua)、RNA甲基(ji)化(hua)(hua)、ChIP-seq、RIP-seq、ATAC-seq、Cut&Tag-seq 圖(tu)3 表觀(guan)調控示意圖(tu)
三(san)、案例分(fen)享 案(an)例一 轉(zhuan)錄(lu)組+代謝組+WGBS共同揭示丹參生長過程中(zhong)丹參酮和酚酸(suan)的生物合成(cheng)機制 DNA methylation regulates biosynthesis of tanshinones and phenolic acids during growth of Salvia miltiorrhiza 發表期刊(kan)：Plant Physiology 影響因子：6.5 通訊單位：浙江理工大學 組(zu)(zu)學技術(shu)：轉錄組(zu)(zu)、代謝組(zu)(zu)、全(quan)基因組(zu)(zu)甲(jia)基化(hua) 研究(jiu)背景： 丹(dan)參(Salvia miltiorrhiza)是一種藥用(yong)模式植物(wu)(wu)(wu)，被廣泛(fan)用(yong)于治療(liao)代(dai)謝紊亂和心血管(guan)疾病，其治療(liao)效(xiao)果與兩類次生(sheng)代(dai)謝物(wu)(wu)(wu)高(gao)度相關。研(yan)究發現丹(dan)參中丹(dan)參酮的生(sheng)物(wu)(wu)(wu)合成可能受DNA甲基化的調(diao)控。然而，全(quan)局DNA甲基化對丹(dan)參次生(sheng)代(dai)謝物(wu)(wu)(wu)生(sheng)物(wu)(wu)(wu)合成的影響仍然未知。 技(ji)術路線： 部分研(yan)究結果(guo)： 研究首先對丹(dan)參在(zai)根生(sheng)長的40d、60d和(he)(he)(he)90d的樣本(r40、r60和(he)(he)(he)r90)進(jin)行了(le)丹(dan)參酮(tong)和(he)(he)(he)酚酸的靶向(xiang)檢測，發(fa)現(xian)大部(bu)分的丹(dan)參酮(tong)和(he)(he)(he)酚酸的含量隨著根生(sheng)長逐(zhu)漸(jian)增加(jia)。隨后，研究對三(san)組(zu)樣本進(jin)行了(le)WGBS分析，以研究丹(dan)參根中(zhong)(zhong)(zhong)的動態全基(ji)因組(zu)甲(jia)(jia)基(ji)化譜及其與丹(dan)參酮(tong)和(he)(he)(he)酚酸的關(guan)系。基(ji)于全局DNA甲(jia)(jia)基(ji)化分析，所有三(san)種(zhong)環境的DNA甲(jia)(jia)基(ji)化水平在(zai)TE富集(ji)區較高，但(dan)在(zai)基(ji)因富集(ji)區較低(di)，與之前在(zai)擬南芥(jie)和(he)(he)(he)水稻(dao)中(zhong)(zhong)(zhong)的研究一致(zhi)，表明丹(dan)參基(ji)因組(zu)中(zhong)(zhong)(zhong)存在(zai)保守的甲(jia)(jia)基(ji)化特征。 使用甲(jia)基(ji)化(hua)(hua)組相同(tong)的(de)(de)(de)樣(yang)本(ben)進(jin)行轉錄組測(ce)序分(fen)析，從(cong)中(zhong)鑒定到了(le)24,102個(ge)差異(yi)表(biao)達基(ji)因(yin)(yin)，同(tong)時從(cong)甲(jia)基(ji)化(hua)(hua)數據中(zhong)分(fen)析到了(le)2,412個(ge)差異(yi)甲(jia)基(ji)化(hua)(hua)基(ji)因(yin)(yin)。根(gen)據Venn分(fen)析的(de)(de)(de)結果(guo)，無論是在高或低DMGs中(zhong)，都是更(geng)高比例的(de)(de)(de)DEGs被下(xia)調。KEGG富(fu)集顯示，只有超甲(jia)基(ji)化(hua)(hua)調控的(de)(de)(de)下(xia)調DEGs及低甲(jia)基(ji)化(hua)(hua)調控的(de)(de)(de)上調DEGs才富(fu)集代謝相關(guan)途(tu)徑(jing)，且這(zhe)兩種類(lei)型基(ji)因(yin)(yin)的(de)(de)(de)DMRs主要發生在啟(qi)動子區。結果(guo)表(biao)明，伴(ban)隨著基(ji)因(yin)(yin)體或啟(qi)動子甲(jia)基(ji)化(hua)(hua)的(de)(de)(de)增加，丹參(can)酮和酚酸生物合成途(tu)徑(jing)基(ji)因(yin)(yin)上調，而酚酸合成抑制(zhi)劑的(de)(de)(de)下(xia)調，可能促進(jin)了(le)活(huo)性成分(fen)的(de)(de)(de)積累。 圖4 不同(tong)階段丹參根的(de)DNA甲基化全景 圖(tu)5 與DNA甲(jia)基(ji)化(hua)變化(hua)相關的基(ji)因表達分析 研究結(jie)論： 這項研究提供(gong)了(le)關(guan)于(yu)丹(dan)參(can)根生長(chang)過程中丹(dan)參(can)酮和酚酸生物(wu)合成(cheng)的表(biao)(biao)觀遺傳見解。一系列甲(jia)基(ji)化酶(mei)基(ji)因(yin)在根生長(chang)中高表(biao)(biao)達(da)，導致(zhi)全局DNA甲(jia)基(ji)化增加，尤(you)其是CHH甲(jia)基(ji)化，這進一步影(ying)響了(le)丹(dan)參(can)酮及(ji)酚酸生物(wu)合成(cheng)基(ji)因(yin)的表(biao)(biao)達(da)，最終造(zao)成(cheng)丹(dan)參(can)酮和酚酸在根中積累。未來可深入研究DNA甲(jia)基(ji)化影(ying)響這些基(ji)因(yin)表(biao)(biao)達(da)變化的潛在分子機制。 案例二 RIP-seq科研(yan)(yan)利(li)器促進擴張型(xing)心肌病進展的機制研(yan)(yan)究(jiu) A Kaposi’s sarcoma-associated herpes virus-encoded microRNA contributes to dilated cardiomyopathy 發表期刊：Signal Transduction and Targeted Therapy 影響因子：40.8 通訊單位：華中科技大學(xue)同濟醫學(xue)院 組學技術(shu)：轉錄組、RIP-seq 研究(jiu)背景： 擴張(zhang)型心肌病(bing)(bing)(DCM)是目(mu)前心衰(shuai)的(de)(de)和(he)心臟移植的(de)(de)主要病(bing)(bing)因之一。近幾十年來，隨著治療策(ce)略的(de)(de)實施(shi)和(he)早期診(zhen)斷，DCM患者的(de)(de)預后得到了改善，但治療仍然(ran)具有挑戰性。DCM的(de)(de)潛在病(bing)(bing)因多種多樣，包括基因突變、病(bing)(bing)毒感染、藥物化療、自身(shen)免(mian)疫性和(he)全(quan)身(shen)性疾病(bing)(bing)等。 技術路線： 部分研究結果： 研(yan)究人員(yuan)檢測(ce)了696例DCM患(huan)者(zhe)血(xue)漿(jiang)中的KSHV DNA含量和kshv-miR-K12-1-5p表(biao)達水平，并進行隨訪(fang)。結果顯示，與非DCM組相(xiang)比，DCM患(huan)者(zhe)的KSHV血(xue)清陽性(xing)和定(ding)量滴度增加(jia)(jia)。在(zai)隨訪(fang)期間，KSHV DNA血(xue)漿(jiang)陽性(xing)的DCM患(huan)者(zhe)因心血(xue)管(guan)原(yuan)因或心臟移植(zhi)而死亡的可(ke)能性(xing)增加(jia)(jia)。在(zai)心臟組織(zhi)中，與健康供體(ti)相(xiang)比，DCM患(huan)者(zhe)心臟中的KSHV DNA含量也增加(jia)(jia)。 通(tong)過(guo)Ago2抗體進行(xing)RIP-seq，鑒定(ding)(ding)了67個與Ago2蛋白相(xiang)關的mRNAs。通(tong)過(guo)GO富集分析及(ji)RNA pulldown、WB及(ji)熒光報告基(ji)因等實驗，I型干擾(rao)(rao)素信(xin)號通(tong)路(lu)上的多個基(ji)因，包括OAS1、OAS2、OAS3、MX1、IFIT1、IFIT3、IRF7和RSAD2，被確定(ding)(ding)為kshv-miR-K12-1-5p的下游潛在靶點，并且證實kshv-miR-K12-1-5p通(tong)過(guo)直(zhi)接靶向這些基(ji)因，顯著降(jiang)低其(qi)表達，從而阻斷了病毒(du)感(gan)染(ran)激活(huo)的I型干擾(rao)(rao)素信(xin)號通(tong)路(lu)的活(huo)化，也就(jiu)抑制了其(qi)抗病毒(du)作用。 圖(tu)6 KSHV編碼miRNA和KSHV感(gan)染在(zai)DCM患者中升高 圖(tu)7 KSHV-miR-K12-1-5p靶向干擾素(su)信號(hao)通路 研究結論(lun)： 揭示(shi)KSHV通過感染人心(xin)(xin)臟(zang)內(nei)皮細胞并釋放其編碼的(de)kshv-miR-K12-1-5p進(jin)入心(xin)(xin)肌細胞，阻斷心(xin)(xin)肌細胞內(nei)的(de)I型干擾素信號通路，從而延緩心(xin)(xin)臟(zang)組織(zhi)病毒清除(chu)、加重炎癥(zheng)浸潤及心(xin)(xin)肌重塑(su)，最終促進(jin)DCM的(de)發生(sheng)發展。本研(yan)究(jiu)表(biao)明(ming)KSHV感染是DCM的(de)危險因素，為治療(liao)DCM提供了(le)更多的(de)可(ke)能性(xing)。
派森諾生(sheng)物在表(biao)觀(guan)調控領域深耕多年，可提供DNA甲(jia)基化、RNA甲(jia)基化、轉(zhuan)錄(lu)因子(zi)研(yan)(yan)究和組蛋白(bai)修飾等多種(zhong)表(biao)觀(guan)遺傳學(xue)研(yan)(yan)究服(fu)務(wu)，歡(huan)迎(ying)各位老師咨詢(xun)！
