microRNA介导的ceRNA调控网络对共表达基因的作用及演化研究

The role of microRNAs in gene regulation network is an important topic in the fields of both molecular biology and genetics. From the perspective of system biology, this study aims to understand the function of miRNA in regulating the co-expression genes by constructing the gene co-expression network in Human and Drosophila based on public available transcriptome data. The comparative genomics approach will be combined with population genetic analysis to reveal the evolutionary dynamics of competing endogenous RNA (ceRNA) networks and the divergent miRNA-target regulation pairs between species. Moreover, the functional genomics approach will be used to identify the functional important nodes in ceRNA networks. By illustrating how miRNAs mediate the feedback between coexpressed genes, this study will help us understand the molecular mechanism of "canalization", which is a classical subject in development biology and genetics, and provide new insight into the function of miRNAs in regulatory network.

microRNA(miRNA)在基因表达调控网络中的作用是近年来分子生物学和遗传学研究的热点问题。本研究从系统演化生物学的角度，以模式生物果蝇和人为研究对象，分析转录组的共表达网络，探讨microRNA(miRNA)在共表达(gene co-expression)基因精细调控中的作用；通过比较基因组学和群体遗传学手段对competing endogenous RNA（ceRNA）调控网络进行演化分析，揭示ceRNA网络的动态变化规律和miRNA与靶基因的作用模式在不同物间的异同；进一步通过功能基因组学分析，鉴定ceRNA网络中的重要节点；阐明miRNA通过介导各共表达基因间的"交流"而建立的反馈机制，研究结果将在分子水平对遗传和发育生物学所关注的经典现象"渠化(canalization)效应" 进一步验证，从而为理解microRNA在基因表达调控网络中的作用提供新的分子证据。

本研究已基本完成研究计划的内容，并获得了预期的成果。在研究内容方面，针对古老的miRNA，完成了哺乳动物的miRNA靶基因及其介导的ceRNA调控网络的鉴定与演化分析；利用CLIP-Seq与PAR-Seq等技术鉴定出的与miRNA有物理相互作用的mRNA靶位点，结合RNA-seq技术，并利用比较基因组学分析，研究了miRNA靶基因和ceRNA调控网络的演化规律。而对于近期起源的miRNA，在已有的研究果蝇不同物种间miRNA的演化规律之基础上，深入研究了黑腹果蝇(D.melanogaster)和拟果蝇(D.simulans)特异的miRNA在群体内部的演化和基因表达规律；利用群体遗传学分析，鉴定了一些受正选择，并可能具有功能的miRNAs。在研究miRNA与靶基因的ceRNA调控网络与转录组稳定性方面，利用生态学中研究生态系统稳定性的相关理论，研究了miRNA与多个靶基因相互作用后对转录组的系统稳定性可能造成的影响，并构建了相应的数学模型。研究结果表明：1）古老的miRNA的靶位点在不同演化尺度上具有不同的可演化性 (evolvability)。靶位点可演化性不同这一特点提示了miRNA与靶基因的相互作用可能在物种的复杂度和多样性产生中扮演着重要角色。同时也提示miRNA介导的ceRNA调控网络在不同物种间也是可变的；2）新的miRNA通常是正选择的作用使其固定下来，但是在近邻种间会由于arm-switching和seed shifting等作用，导致最终mature miRNA不同，使得ceRNA调控网络不同；3）通过比较miRNA与siRNA对靶基因调控的强度与广度之比较，并利用生态学系统稳定性理论，发现如果miRNA能将抑制作用分散到调控网络中的各节点中，可以最有效的提高系统的稳定性。这一理论为miRNA是“canalizing agents”提供了重要的理论依据。这些结果为分析和理解miRNA与靶基因相互作用的调控网络提供了有意义的实例。尤其是对从分子水平理解”canalization”的具体机制，和转录组的稳定性研究都提供了重要理论依据。本项目共在国际著名基因组学和演化遗传学杂志Genome Research和Plos Genetics发表SCI论文2篇。另外，申请人参加了“国际植物演化遗传学研讨会”和“第三届生物信息学青年科学家研讨会”等重要学术会议。