斯坦福发现重塑古老基因的转录调控体系可导致脊椎动物的滞育现象

• 全文链接

关键词：

来源：

Cell

全文链接：

//agri.nais.net.cn/topic/downloadFile/9897f070-1f7c-43b0-8d43-fe7f4f715107

来源地址：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.04.048

资源所属：

农业生物技术专题

类型：

学术文献

语种：

英语

原文发布日期：

2024-06-20

摘要：

2024年6月20日，斯坦福大学Anne Brunet实验室在Cell杂志发表了题为 Evolution of diapause in the African turquoise killifish by remodeling the ancient gene regulatory landscape的研究文章，为了理解以滞育为代表的生物体适应极端环境的进化机制，作者对鳉鱼胚胎进行了多组学整合研究（基因表达、染色质可及性和脂质组学）。作者发现，滞育通过对所有脊椎动物中都存在的非常古老的基因重复（旁系同源基因）的染色质开放性进行特异性重塑，从而影响了重要调控元件对以脂类代谢为代表的转录表达体系的调控。通过对受影响的基因表达调控元件的敲除并结合脂质组学分析，作者发现了转录因子REST/NRSF和FOXOs在滞育基因的转录程序中具有关键作用，最终影响了滞育发生时的脂质代谢特征，导致了某些脂肪含量的特异性增加，促进了极端环境下非洲鳉鱼的生存。本研究揭示了以滞育现象为代表的生物适应复杂环境的系统性进化机制。为解析非洲鳉鱼滞育表型产生的适应性进化机制，作者首先分析了滞育潜在相关基因的进化起源。旁系同源基因的产生往往伴随着基因的新功能化【5】，作者推测非洲鱂鱼滞育性状的出现可能伴随着新的旁系同源基因的产生。通过分析非洲鳉鱼旁系同源基因对（pair）的数量和进化历史，作者发现虽然非洲鳉鱼旁系同源基因对数量众多，但绝大多数进化历史久远，通过复制产生新基因而导致滞育表型产生的可能性不大。与非洲鳉鱼类似，具有滞育性状的南美鳉鱼和胚胎期滞育的哺乳动物同样存在众多与滞育相关的旁系同源基因表达（如与脂肪代谢相关的基因），但这些旁系同源基因同样非常古老。因此，滞育性状形成过程中，古老的旁系同源物的专门化和重新利用（specialization and repurposing）是一种特异性的进化机制，在远缘物种的滞育性状进化中存在趋同性。接下来作者探究了滞育性状相关的旁系同源基因在滞育型和非滞育型鳉鱼中转录调控格局的差异。通过ATAC-seq解析染色质可及性，作者发现发育期和滞育期非洲鳉鱼胚胎的染色质开放性差异很大，且在滞育胚胎中存在调控差异的古老旁系同源基因的调控区域在非洲鳉鱼近期进化中才表现出染色质可及性的上调。进一步挖掘开放的染色质区域所结合的转录因子 (TF)，并与存在趋同进化的滞育型南美鳉鱼相比较，作者发现一些转录因子，如REST、FOXO和PPAR等的染色质结合区域在发生滞育的非洲鳉鱼和南美鳉鱼中的开放度均上升，这一现象的进化历史较新。继续分析这些TF结合位点的产生机制，作者发现滞育特异性旁系同源基因的转录因子结合位点是通过祖先序列的突变而从头 (de novo) 产生的，且这些结合区域在非洲鳉鱼中受到了正选择的影响。除了突变因素外，作者还发现转座子介导的序列重排 (reshuffling) 也会导致非洲鳉鱼中与滞育相关的转录因子结合位点的爆发式出现，这比渐进式突变和正选择作用更快地将 TF 结合位点“传递”到新的调控区域。接下来作者验证了通过进化基因组学分析确定的 TF 是否对滞育转录程序有因果调节作用。为此，作者开发了一个基于 CRISPR-Cas9 的平台，用于在注射的鳉鱼胚胎（F0）中敲除这些 TF，并使用单胚胎 RNA 测序评估每个 TF 敲除后的滞育和发育程序。作者发现REST、FOXO3a 或 FOXO3b 的敲除会导致滞育期间的转录调控网络发生显著变化，导致滞育基因表达程序从滞育状态转向更“类似发育”的状态，而对发育期间的转录表达变化很小，这表明这些 TF 优先影响滞育。相比之下，PPARAb 敲除对发育期间的基因转录格局的影响比滞育期间更大，而 PPARG 敲除对这两种状态均无影响。事实上，滞育期下调的基因在这些敲除中被上调（反之亦然）。然而，由于滞育期程序的复杂性，这些转录因子敲除本身都不足以逆转胚胎从滞育期到发育期的命运。通过对 REST、FOXO3a 和 FOXO3b 敲除中差异调控基因的功能富集分析，作者发现3种 TF对滞育表达程序的正常运行至关重要，并调节与滞育特征有关的基因，尤其涉及脂质代谢相关基因的转录。具体来说，滞育期特异性旁系同源基因的基因表达和染色质可及性分析显示与脂质代谢相关的功能发生富集，滞育期基因表达程序的上游调节因子分析显示脂质代谢调节因子发生富集，此外许多受滞育期 FOXO3 和 REST 敲除影响的基因都与脂质代谢有关。为探究滞育与发育期的脂质谱是否确实产生了差异，作者对不同时期的非洲鳉鱼胚胎进行了非靶向脂质组学分析，结果表明非洲鳉鱼滞育期以极长链脂肪酸和具有抗氧化特性的膜脂质为代表的脂肪丰度显著上升，这可能对长期能量储备和使用至关重要。因此，滞育导致与脂类代谢有关的关键 TF 结合位点（例如 FOXO3 和 REST）的开放性上升，胚胎脂肪丰度增加，促进了特定脂肪酸的有效储存和利用，保证了滞育其鳉鱼的能量供应。综上所述，通过对多种包括发生滞育的非洲绿松石鳉鱼在内的多种鳉鱼的滞育期和正常发育期胚胎进行多组学分析（基因表达、染色质可及性和脂质组学），作者发现非洲绿松石鳉鱼中古老且保守的旁系同源基因的染色质可及性在近期的进化过程中升高，导致与脂类代谢等有关的转录因子与染色质的结合发生了重塑。基于 CRISPR-Cas9 的转录因子编码基因敲除明确了转录因子 REST/NRSF和 FOXO等对滞育状态下脂质代谢基因的转录表达程序至关重要，导致滞育状态下甘油三酯和极长链脂肪酸丰度增加，确保了滞育状态下非洲鳉鱼的能量代谢与细胞功能的稳态。本研究以脊椎动物的滞育现象为切入点，揭示了生物对复杂环境适应性的多维度进化机制。