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昆虫的表皮(即昆虫的外骨骼)是由蜡质层和几丁质层组成的。表皮细胞分泌的外骨骼一经硬化后,就不能继续扩大,从而使昆虫生长受到限制。因此,昆虫在生长发育过程中会出现蜕皮现象,即将旧表皮蜕去,形成新表皮的过程。蜕皮是昆虫生长发育的基本生理现象,主要受蜕皮激素诱导。蜕皮激素是昆虫体内最为重要的两类激素之一。在昆虫蜕皮期,蜕皮激素浓度呈现由低到高再降低的趋势,这种浓度的改变会激活不同的蜕皮激素响应因子,调控不同靶基因的表达,从而控制昆虫的蜕皮进程。因此,蜕皮激素信号转导通路随着激素浓度波动所发生的改变对昆虫蜕皮进程的正常进行是十分关键的。然而,对于该通路中的调控因子还有待进一步研究。microRNA(miRNA)是一类能够发挥转录后调控功能的内源单链RNA分子,广泛参与生物体内的生长发育和生理调控等重要的生命进程。然而,miRNA是否参与了昆虫的蜕皮进程以及如何与蜕皮激素信号转导通路相互关联的仍然不清楚。
如前所述,在昆虫蜕皮时,蜕皮激素滴度呈现波动,本文关注于激素滴度开始降低时,即蜕皮进程中后期,miRNA在其中的功能。首先通过高通量测序鉴定出在此过程中表达的miRNA,再分析出miRNA的差异表达模式,并对20-羟基蜕皮素(20-hydroxyecdysone,20E)介导的miRNA进行功能探究。主要研究结果如下:
①在家蚕幼虫体内蜕皮激素刚开始下降时,注射20E以延长激素作用时间。在处理后的6小时以及12小时时取表皮材料用于miRNA测序。基于miRBase数据库,利用miRDeep2在已测数据中共鉴定出323个已知的miRNA和174个新的miRNA。对鉴定出的miRNA进行差异表达分析,得到了8个受20E调控的差异表达miRNA,对其中差异最为显著的miR-282-5p进行了下一步的研究。
②使用RNAhybrid、pita、miranda和Targetspy四种靶基因软件预测miR-282-5p调控的靶基因。对预测的靶基因进行NR功能注释、GO功能富集以及KEGG通路富集。GO功能富集分析显示miR-282-5p靶基因主要为NADH脱氢酶(泛醌)活性、网格蛋白适配器复合物、Arp2/3复合物介导的肌动蛋白成核;KEGG富集则主要富集在代谢途径和剪接体这两条基因通路上。对预测的靶基因进行NR功能注释发现几丁质酶前体KWMTBOMO03966和转录因子MSTRG.4173是miR-282-5p的靶基因。
③通过双荧光素酶基因报告实验验证miR-282-5p对靶基因KWMTBOMO03966和MSTRG.4173的靶向调控关系,荧光活性结果表明miR-282-5p靶向KWMTBOMO03966的编码区和MSTRG.4173的3’UTR区,且miR-282-5p对两个靶基因的表达都是抑制作用。
④为验证miR-282-5p在幼虫蜕皮过程中的作用,在3龄幼虫蜕皮时期气孔指数为B时注射miR-282-5p agomir,以提高幼虫体内miR-282-5p的水平。通过miRNA与靶基因之间的定量结果显示,miR-282-5p能够抑制靶基因KWMTBOMO03966和MSTRG.4173的表达,这与双荧光素酶基因报告实验结果一致。但是注射agomir表皮切片的HE染色和几丁质染色结果并未显示与对照相比明显的差别,也并未观察到注射agomir后的家蚕存在蜕皮异常的现象。推测,可能是由于注射agomir后两个靶基因表达水平的降低仅约50%,而这种程度的降低不足以引起家蚕蜕皮时期的表型。还有一种可能是存在着功能的冗余,家蚕体内存在着一种补偿机制弥补了异常的miR-282-5p表达所带来的影响。例如,靶基因KWMTBOMO03966,它是几丁质酶前体,而家蚕体内有4种形式的几丁质酶,存在其它形式的几丁质酶弥补了KWMTBOMO03966表达降低所带来的影响。
综述所述,在4龄家蚕蜕皮期间受20E介导的差异表达miRNA有8个,其中差异最为显著的是miR-282-5p。miR-282-5p会显著抑制靶基因几丁质酶前体KWMTBOMO03966和转录因子MSTRG.4173的表达,这为研究miR-282-5p的功能提供了基础。但注射miR-282-5p agomir后并未观测到任何表型。因此,miR-282-5p的功能还需要进一步的深入探究,这将帮助认识20E影响的miRNA对家蚕蜕皮的生理调控机制。
如前所述,在昆虫蜕皮时,蜕皮激素滴度呈现波动,本文关注于激素滴度开始降低时,即蜕皮进程中后期,miRNA在其中的功能。首先通过高通量测序鉴定出在此过程中表达的miRNA,再分析出miRNA的差异表达模式,并对20-羟基蜕皮素(20-hydroxyecdysone,20E)介导的miRNA进行功能探究。主要研究结果如下:
①在家蚕幼虫体内蜕皮激素刚开始下降时,注射20E以延长激素作用时间。在处理后的6小时以及12小时时取表皮材料用于miRNA测序。基于miRBase数据库,利用miRDeep2在已测数据中共鉴定出323个已知的miRNA和174个新的miRNA。对鉴定出的miRNA进行差异表达分析,得到了8个受20E调控的差异表达miRNA,对其中差异最为显著的miR-282-5p进行了下一步的研究。
②使用RNAhybrid、pita、miranda和Targetspy四种靶基因软件预测miR-282-5p调控的靶基因。对预测的靶基因进行NR功能注释、GO功能富集以及KEGG通路富集。GO功能富集分析显示miR-282-5p靶基因主要为NADH脱氢酶(泛醌)活性、网格蛋白适配器复合物、Arp2/3复合物介导的肌动蛋白成核;KEGG富集则主要富集在代谢途径和剪接体这两条基因通路上。对预测的靶基因进行NR功能注释发现几丁质酶前体KWMTBOMO03966和转录因子MSTRG.4173是miR-282-5p的靶基因。
③通过双荧光素酶基因报告实验验证miR-282-5p对靶基因KWMTBOMO03966和MSTRG.4173的靶向调控关系,荧光活性结果表明miR-282-5p靶向KWMTBOMO03966的编码区和MSTRG.4173的3’UTR区,且miR-282-5p对两个靶基因的表达都是抑制作用。
④为验证miR-282-5p在幼虫蜕皮过程中的作用,在3龄幼虫蜕皮时期气孔指数为B时注射miR-282-5p agomir,以提高幼虫体内miR-282-5p的水平。通过miRNA与靶基因之间的定量结果显示,miR-282-5p能够抑制靶基因KWMTBOMO03966和MSTRG.4173的表达,这与双荧光素酶基因报告实验结果一致。但是注射agomir表皮切片的HE染色和几丁质染色结果并未显示与对照相比明显的差别,也并未观察到注射agomir后的家蚕存在蜕皮异常的现象。推测,可能是由于注射agomir后两个靶基因表达水平的降低仅约50%,而这种程度的降低不足以引起家蚕蜕皮时期的表型。还有一种可能是存在着功能的冗余,家蚕体内存在着一种补偿机制弥补了异常的miR-282-5p表达所带来的影响。例如,靶基因KWMTBOMO03966,它是几丁质酶前体,而家蚕体内有4种形式的几丁质酶,存在其它形式的几丁质酶弥补了KWMTBOMO03966表达降低所带来的影响。
综述所述,在4龄家蚕蜕皮期间受20E介导的差异表达miRNA有8个,其中差异最为显著的是miR-282-5p。miR-282-5p会显著抑制靶基因几丁质酶前体KWMTBOMO03966和转录因子MSTRG.4173的表达,这为研究miR-282-5p的功能提供了基础。但注射miR-282-5p agomir后并未观测到任何表型。因此,miR-282-5p的功能还需要进一步的深入探究,这将帮助认识20E影响的miRNA对家蚕蜕皮的生理调控机制。