鸡microRNA和snoRNA的鉴定及结构与功能进化的分析

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微RNA(microRNA)和核仁小分子RNA(snoRNA)是真核生物中两类具有典型结构、进化保守的内源性小分子非编码RNA(ncRNA)。microRNA通过调控靶基因的表达从而参与不同生物的发育时序转变、神经系统分化、细胞凋亡、脂肪生成代谢、造血作用甚至是物种形成;snoRNA指导靶RNA特异位点的2’-O-核糖甲基化和假尿嘧啶化修饰,参与rRNA前体的加工。microRNA和snoRNA在不同物种中所具有的结构特征和进化上的保守性使其成为研究脊椎动物ncRNA结构与功能进化的模式分子。 鸡作为一个典型的羊膜动物,填补了哺乳动物和其他脊椎动物之间进化空缺,成为与人类基因组进行比较基因组学研究的良好中介;鸡的发育过程与哺乳动物相类似,并且鸡胚在发育过程的可观察性和易操作性使其成为研究胚胎学和发育生物学研究的理想模式系统。但最近红原鸡(Gallusgallus)基因组测序工作表明鸡ncRNA数目被大大低估,其结构与功能进化等特征仍缺乏详细地分析。本研究选取鸡为研究对象,采用计算机RNA组学和实验RNA组学的相结合方法,对鸡microRNA和snoRNA进行鉴定与分析,获得以下结果: 1.利用同源搜索的方法,在鸡基因组中共鉴定15种新的microRNA。新鉴定的部分microRNA是由脊椎动物中保守microRNA的“种子序列”发生突变而形成的,推测这些microRNA执行新功能并参与新的基因调控网络。为了估算鸡microRNA在基因组中的数量,本研究开发了一个microRNA的预测程序,在鸡基因组中预测了140个microRNA候选基因座位,并推算鸡microRNA的总数至少超过300个。为了验证计算机程序的预测结果以及鉴定更多新的microRNA,本研究进一步构建了鸡胚不同发育阶段microRNA的cDNA文库,测序分析共获得12种新的和45种已知的microRNA。为了研究miRNA的表达在鸡生理发育过程中可能的作用,本研究使用Northern杂交方法,首次获得49种microRNA在鸡胚不同发育阶段和成鸡不同组织的表达谱。实验结果表明,鸡microRNA的表达与胚胎发育和器官生成的具有很好的协同性。本研究还详细地分析了19个鸡microRNA间隔区基因簇及其转录启动元件和8个内含子基因簇,发现同一基因簇中的不同microRNA表达具有多样性。 2.使用snoSeeker软件包扫描鸡与其他脊椎动物基因组保守区域,鉴定了201个编码93种boxC/D和62种boxH/ACAsnoRNA的基因变体,其中包括20种“孤儿snoRNA”。预测这些snoRNA可指导rRNA和snRNA上的86个2-O-核糖甲基化和69个假尿嘧啶化修饰,其中预测可分别指导2个2-O-核糖甲基化(18SrRNA-C757和snRNAU2-U47)和3个假尿嘧啶化位点(28SrRNA-Ψ3751、snRNAU2-Ψ58和snRNAU2-Ψ91)的5个snoRNA尚未在其他物种中没有报道。采用Wilcoxon秩和检验分析表明,编码boxC/D和boxH/ACAsnoRNAs的内含子GC含量没有显著差异。采用比较基因组学方法对比分析其他6种脊椎动物(人、小鼠、负鼠、鸭嘴兽、蜥蜴和非洲爪蟾)基因组中的snoRNA同源位点,发现鸡50个boxC/D和31个boxH/ACAsnoRNA是羊膜动物中保守的类型,22个snoRNA基因是鸡物种特异的,并揭示了基因内复制和序列变异是鸡产生新snoRNA基因的主要推动力。本研究改进了可用于特异性地检测两类snoRNA的、基于RT-PCR的方法,分别验证了鸡向导snoRNA和“孤儿”snoRNA的表达。对鸡和人基因组中的同源snoRNA基因簇进行共线性分析,发现鸡成簇的snoRNA常与人同源基因互为保守的共线性。根据共线性特征,将鸡snoRNA基因簇划分为4大类,发现snoRNA簇存在谱系特异性基因内转位的现象。分析鸡与人snoRNA所指导的功能后发现,鸡两类snoRNA在进化过程中存在功能重组与分离现象,揭示鸡snoRNA的功能序列与其所指导的修饰位点存在协同进化关系。本研究还鉴定了非蛋白编码的snoRNA宿主基因“gas5-like”,发现gas5-like编码的snoRNA具有可塑性和高移动性特征,推测gas5-like可能是snoRNA新基因产生的热点区域。 3.本研究比较了鸡基因组中microRNA和snoRNA基因,详细分析这两类ncRNA基因的异同点及相关性。 本研究完善了鸡microRNA和snoRNA的基因注释,为进一步研究鸟类与其他脊椎动物中ncRNA的结构与功能进化提供重要的参考。
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