刺参再生的基因组特征解析与关键调控基因分析

The regenerative phenomenon is commonly seen in animal kingdom, but the regenerative capacities varies greatly across different animal species. “What factors determine the regenerative capacity in animals?” is one of the most important scientific questions regarding regeneration studies. Due to the amazing abilities to regenerate all the missing intestinal organs, sea cucumber is universally acknowledged as an excellent new model for regeneration studies. This project is designed to investigate the mechanisms why A. japonicus has super regenerative potential. On base of A.japonicus genome, transcriptome and proteome, comparative genomics, adaptive evolution analysis and WGBS technology are used to identify the roles of specific genes, significant expansion genes or epigenetic regulator in shaping the regenerative capacity of A. japonicus. Then, using western blot, immuno-histochemical etc techniques, we study the regulatory characteristics of the candidate genes in the regenerative process. And recombinant activated protein will be analyzed the effect on the proliferation of cultured A. japonicus cell. Moreover, we study the potential function of candidate genes according to its characteristics and verify its regulation function using RNA interference technology. All the work mentioned above will contribute to the construction of key regulatory network in A. japonicus regeneration and to preliminary analysis in regulation mechanism of A. japonicus regenerative ability. The study will provide novel insights into the regeneration of animals including A. japonicus and theoretical basis for promoting the development of regeneration matrix.

再生现象在动物界是普遍存在的，但不同动物的再生潜能差异巨大，什么决定着动物的再生能力是再生领域最重要的科学问题之一。刺参具有超强的再生能力，几乎可以再生出所有的内脏器官，已逐渐成为研究再生的新模型。本项目拟从已有刺参基因组和再生多组学数据的基础上，利用比较基因组学、适应性进化分析、WGBS技术等从基因组层面上解析刺参具有超强再生潜能的原因，分析其是否具有特有基因、显著扩张基因、表观调控子等支持其再生能力。针对候选基因，利用Western Blot、免疫组化等技术研究其在再生过程中的调控特征；重组活性蛋白，分析其对培养的刺参细胞的增殖作用；分析候选基因的基本特征，采取相应手段如受体配体实验等研究其潜在功能，利用RNA干扰技术，验证其调控功能；最终构建刺参再生的关键调控网络，以期初步解析刺参再生能力的调控机制。该研究将为刺参再生乃至动物再生的研究提供新认知，为促再生基质的开发提供理论基础。

刺参具有超强的再生能力，其关键的再生调控基因仍未被揭示。本研究以刺参基因组为基础，挖掘了刺参特有基因（PSP94基因家族）、显著扩张基因（刺参特化的免疫基因FREP基因家族）、正选择基因（Wnt信号通路）对刺参肠道再生的调控作用。发现刺参肠道再生过程中DNA 甲基化和DNA去甲基化同时参与刺参肠道再生初期的基因调控，具体表现为Dnmt1、Dnmt3b、Tet2和TDG mRNA表达量都在24h之前的时间点显著上调。明确了DNA甲基化在刺参肠道再生中的作用，DNA 甲基化的抑制显著降低刺参原代细胞的增殖，抑制刺参肠道再生。以不同再生阶段刺参肠道为材料，构建了刺参再生全基因组DNA甲基化图谱，查明差异DNA甲基化基因在刺参肠道再生过程中的种类和分布特征，刺参DNA甲基化基因以CG甲基化类型为主，主要分布在开放阅读框中间和后半部位的外显子区域。差异DNA甲基化调控基因RIPK1、FGFR3、KRAB1和ROBO4在刺参肠道再生过程中不同程度地上调表达，体外细胞转染发现刺参基因KRAB1能通过抑制JUN的表达抑制细胞增殖，FGFR3基因本体的高甲基化能促进基因转录表达，上调JUN基因表达，促进细胞增殖，进而促进刺参肠道再生。进一步利用RT-qPCR、免疫组化、RNA干扰等技术查明了关键基因WntA基因和关键甲基化调控基因等在肠道再生过程中的时空表达特征，并明确了其关键的调控作用。本研究从解析了刺参具有超强再生能力的遗传基础入手，分析了关键再生基因的调控功能，为刺参再生机制的研究提供新认知，为棘皮动物特殊生理行为的调控研究开拓新途径。