果蠅miRNA的演化研究——miRNA的動(dòng)態(tài)演化、保守性原因及功能假說.pdf

1、MiRNA是一類負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)錄后調(diào)控的內(nèi)源小分子RNA。在本研究中，我們首先研究了果蠅miRNA基因的演化過程。使用高通量測(cè)序技術(shù)，我們?cè)谌齻€(gè)不同物種的雄果蠅頭部中分別獲得了16436，86535和44395個(gè)小分子RNA表達(dá)標(biāo)簽。在這些小分子RNA中，總共有107100條序列標(biāo)簽可以被對(duì)應(yīng)到miRNA基因的座位，其中至少有300個(gè)miRNA的基因座位是本研究首次發(fā)現(xiàn)的。通過研究這些miRNA的演化過程，我們提出miRNA基因和其它基因一樣，

2、也經(jīng)歷著“產(chǎn)生”和“消亡”的過程。另外，大量物種特異的miRNA表明，miRNA基因的“產(chǎn)生率”是相當(dāng)高的，我們估計(jì)大概是每百萬(wàn)年產(chǎn)生12個(gè)miRNA。然而，由于這些新產(chǎn)生的miRNA在產(chǎn)生后會(huì)很快消失，只有不到4％能夠被保存下來(lái)，并且在歷經(jīng)更長(zhǎng)的演化之后，保存下來(lái)的miRNA中只有60％能夠最終整合進(jìn)物種的轉(zhuǎn)錄組。故miRNA的“凈產(chǎn)生”（net gain）率只有每千萬(wàn)年產(chǎn)生3個(gè)新miRNA，是非常低的。進(jìn)一步的研究表明，在果蠅中產(chǎn)生

3、新miRNA的主要生化機(jī)制是“點(diǎn)突變”，非miRNA的序列將由一系列的點(diǎn)突變而形成新的miRNA。 對(duì)于果蠅中那些高度保守的miRNA，我們研究了可能導(dǎo)致其“骨架”（backbone）序列高度保守的原因。一個(gè)miRNA基因包括了“成熟 miRNA”（mature miRNA，用miR代表），而其它部分則是“骨架”序列。“骨架”的作用在miR加工合成中能形成特定的二級(jí)結(jié)構(gòu)。我們分析了所有果蠅12個(gè)物種中miR都沒有發(fā)生改變的mi

4、RNA，輔以計(jì)算機(jī)模擬，發(fā)現(xiàn)二級(jí)結(jié)構(gòu)不足以提供足夠的約束力來(lái)導(dǎo)致“骨架序列”具有較低的演化速率。為此我們檢驗(yàn)了其它的可能約束力。特別的，我們假設(shè)對(duì)于具有相同二級(jí)結(jié)構(gòu)的不同序列，其產(chǎn)生miR時(shí)的error rate可能不同。當(dāng)miR加工時(shí)產(chǎn)生5’端不同的變體可能會(huì)對(duì)生物有不利的影響。通過比較三個(gè)果蠅物種miRNA的高通量測(cè)序結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)加工miR的error rate在高表達(dá)的miRNA基因中具有較高的保守性。面對(duì)于低表達(dá)的miRNA，

5、其error rate則有演化的空間，暗示高error rate對(duì)于低表達(dá)的miRNA是可以容忍的。綜合這些觀察結(jié)果，我們提出miRNA的backbone的高度保守性是受到三維結(jié)構(gòu)的約束，約束的原因在于特定的三維結(jié)構(gòu)則能減小miR加工過程中的error rate。 最后，為了解釋miRNA基因一方面高度保守，另一方面其功能又可有可無(wú)的特點(diǎn)，我們提出了“雙重功能”（dual function）的假設(shè)來(lái)理解miRNA在調(diào)控中的這一

6、非傳統(tǒng)角色。miRNA可以被看做是候選的“canalization”基因。具體的，我們建立了一系列反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型來(lái)描述miRNA的靶基因在不同的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中的行為。結(jié)果表明，1）Incoherent motif可以緩沖環(huán)境因素和“反式調(diào)控”效應(yīng)所引起的噪音，然而這種緩沖效果不能增加遺傳率（heritability）；2）不管是Incoherent motif還是Coherent motif都不能減小由于“順式調(diào)控”效應(yīng)引起的嗓音（發(fā)生在p

7、romoter或miRNA結(jié)合位點(diǎn)區(qū)域的遺傳變異導(dǎo)致的噪音）；3）帶有miRNA的Incoherent motif由于可以減少環(huán)境因素導(dǎo)致的變異，并同時(shí)還能增加遺傳度，從而更具有演化性（evolvability）。故我們認(rèn)為在某種情況下，miRNA的功能可以是“canalization”基因，以增加自然選擇的效率。進(jìn)一步的，由于這些新產(chǎn)生的miRNA由于其表達(dá)量較低，不太可能會(huì)直接調(diào)控基因表達(dá)的開關(guān)，反倒是這種能減弱噪音的特點(diǎn)提供了新產(chǎn)