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中国农业大学揭示玉米可变剪接自然变异遗传调控机制

近日,The Plant Cell杂志在线发表了中国农业大学国家玉米改良中心田丰教授团队与杨小红教授团队合作题为“Genome-Wide Association Analyses Reveal the Importance of Alternative Splicing in Diversifying Gene Function and Regulating Phenotypic Variation in Maize”的研究论文。该研究揭示了可变剪接在丰富基因功能和调控表型变异方面发挥的重要作用。


可变剪接,又称选择性剪接,是指前体mRNA通过选择不同的剪接位点,将内含子切除,把不同的外显子连接在一起从而产生多种成熟mRNA剪接异构体的过程。可变剪接在真核生物中广泛存在,是调节基因表达和产生蛋白质组多样性的重要机制。为了解析可变剪接自然变异的遗传调控基础,揭示可变剪接如何与其他分子调控机制偶联以及可变剪接对表型变异的贡献,研究团队以368份玉米自交系的未成熟籽粒为研究材料,利用先前发表的转录组数据分析了玉米全基因组水平的可变剪接情况,并利用全基因组关联分析(GWAS)方法进行了可变剪接变异数量性状位点(splicing quantitative trait locus, sQTL)定位。研究发现玉米基因组中超过50%的基因存在可变剪接,内含子保留为最主要的可变剪接方式。可变剪接自然变异遗传结构相对简单,顺式调控效应远远高于反式调控效应。分析sQTL的效应发现仅有25%的sQTL存在不同基因型间主要转录本的转换,大部分sQTL仅涉及到较小剪接比的变化。深入分析sQTL的调控特征发现,sQTL所调控的转录本倾向具有不同的蛋白功能,并且无义介导的mRNA降解(nonsense-mediated mRNA decay, NMD),microRNA以及小干扰多肽(small interfering peptides, siPEPs)频繁参与sQTL调控,说明可变剪接除了增加转录组和蛋白质组的多样性外,也通常与不同层次的分子调控机制偶联调控基因的表达和翻译。研究还观察到可变剪接与基因总体表达水平受相对独立的遗传调控,体现在对顺式调控元件的不同偏好性上。通过鉴定全基因组反式剪接调控因子,发现一个编码甘氨酸富集RNA结合蛋白ZmGRP1调控大量下游基因的可变剪接,并利用CRISPR/Cas9敲除系证实了ZmGRP1对可变剪接的调控作用。研究进一步发现很多sQTL直接与表型性状QTL共定位,并且大多数共定位的sQTL不影响基因总体表达水平的变化,说明可变剪接对表型变异发挥了重要作用。该研究为理解可变剪接的遗传与分子调控机制提供了重要参考,同时也为研究表型变异提供了重要线索。


该研究由中国农业大学和华中农业大学合作完成,中国农业大学陈秋月博士、韩英佳博士和华中农业大学刘海军博士为论文共同第一作者,中国农业大学田丰教授和杨小红教授为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、青年千人计划和中央高校基本科研业务费专项资金的支持。

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