斑马鱼肌肉基因表达相关的非编码元件及遗传变异的鉴定

来源 :上海海洋大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:syameimaruda
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鱼类肌肉形成和生长性状相关因素是水生生物学和水产养殖领域的热点问题。鱼类肌肉组成型基因的表达调控是其组织形成及功能维持的关键,鉴定肌肉组织特异性非编码元件有助于解释肌肉形成的遗传基础。顺式调控是真核生物基因表达调控的方式之一。常见的顺式调控元件主要包括启动子、增强子、绝缘子等,它们通常位于基因组的非编码区域。非编码保守元件序列具有一定的保守性,同时还具有组织特异性,可以调控基因的时空表达。非编码区调控元件中的变异会导致其调控基因的表达量发生改变,这种表达量的改变可以出现在一对等位基因中,进而导致两个等位基因的表达量发生差异,这种现象称为等位基因差异性表达。通过检测等位基因差异性表达现象,我们可以预测与表达量相关的遗传变异,进而鉴定非编码调控元件的变异。我们通过分析公共数据库中两组包含有肌肉、心、脑、肝、肾、鳃、肠的斑马鱼转录组数据,筛选得到183个肌肉组织相对于其他组织高表达的基因。通过对这些基因的GO富集分析发现这些基因富集在肌肉发育的相关生物过程。在这些基因上游6000bp范围内寻找具有跨物种非编码区保守性序列的基因,并预测肌肉高表达基因间保守存在的基序(motif)。结果在5个肌肉高表达基因的转录起始位点上游均发现一段包含有6个排列顺序一致的DNA基序的序列,多序列比较显示这5段序列具有78%以上的相似度。我们克隆了zgc:92429基因上游的motif簇片段构建荧光表达载体注射至斑马鱼胚胎,在12 hpf,24 hpf,36 hpf,48 hpf四个发育时期通过荧光显微镜进行观察。发现在各时期,均有不同比例的胚胎显示出肌肉组织特异性荧光信号。根据鱼体内荧光信号情况,各时期的胚胎均可分为三类:无荧光、非肌肉特异性荧光、肌肉特异性荧光。对各时期三类胚胎进行计数统计发现,在四个时期注射dr334的胚胎可观察到荧光的个体相对无荧光个体的比例均高于对照组,且在24 hpf和48 hpf具有极显著统计学差异,且在发育后期更加明显。另外,dr334组胚胎的肌肉特异信号个体相对非肌肉特异信号个体也高于对照组,说明该DNA片段不仅具有增强报告基因表达的作用,且其增强作用带有肌肉组织特异性。为了探究斑马鱼检测斑马鱼肌肉中的非编码调控区的变异,我们利用三种不同品系的斑马鱼进行杂交,获得了具有杂合遗传变异的6组杂交后代。对亲本6个个体进行基因组测序,36个杂交后代的肌肉组织进行转录组测序。根据两个亲本基因组纯合位点信息,组合预测子代基因型信息。通过转录组测序,获取基因的表达量,并利用杂合位点区分不同的等位基因;通过比较杂合群体和纯合群体的等位基因表达差异度来预测e QTL。我们首先筛选到100个基因在编码区域具有共同的杂合位点,可用于检测等位基因表达的差异性,进一步筛选到18个具有非编码区e QTL的基因,并以肌肉中表达极其丰富的pvalb4作为研究对象。使用数据库中Chip-seq、ATAC-seq、跨物种非编码区保守性数据预测非编码调控元件存在的位置。在该基因上游发现了三段候选非编码功能区序列。我们选取距离pvalb4上游最近的一段序列进行研究。我们发现该序列中具有7个候选e QTL位点,遗传连锁分析发现7个位点形成两种碱基类型不同单倍型,分析其表达量发现两种纯合单倍型对应pvalb4低表达和高表达表型。通过构建荧光报告载体并注射至斑马鱼胚胎进行观察,发现无论是高表达单倍型还是低表达单倍型,相对于对照组均能特异性的增强荧光信号在肌肉中表达。高表达单倍型在增强荧光信号的比例上稍高于低表达单倍型。综上所述,我们通过序列保守信息预测了斑马鱼肌肉组织特异性非编码调控元件,通过等位基因差异性表达现象预测了肌肉基因的非编码调控元件的变异,并通过体内荧光报告基因表达系统检测了候选功能元件和变异位点的肌肉组织转录调控功能。本研究有助于解释鱼类肌肉基因转录调控的遗传基础,并为利用生物信息学预测组织特异性转录调控元件及遗传变异位点提供新思路。
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