文昌鱼胚胎发育过程中长非编码RNA动态表达谱的绘制及其功能研究

The long non-coding RNAs (lncRNAs) are acknowledged to play crucial role in tissue/organ development. However, their exact functions in development have not been fully and dynamically explored yet. Amphioxus is the idea invertibrate animal model for exploring vertibrate organ development. Previously, we have realized laboratory culture of amphioxus and tempature-control of their spawn. As well, computational work flows were built to assemble and annotate RNA-seq based transcriptomes. Here, we propose to determine amphioxus transcriptomes under 10 key embryonic development stages using next generation sequencing (NGS). Upon these development-serial transcriptome data, computational strategies will be introduced to identify the lncRNAs and their expression patterns in different development stages. Furthermore, lncRNA-gene interaction network will be constructed for extracting key lncRNAs that are associated with development of nerve system. Experimental validation will be carried out on selected lncRNAs. It is expected that the outcome of our project will: (1) provide a global and dynamic view of lncRNA expression profiles during amphioxus embryo nerve system development; and (2) offer molecular clues for further investigation of lncRNA roles in vertebrate nerve system development.

长非编码RNA（lncRNAs）在脊椎动物的器官发育中扮演着重要角色，但其功能尚不清晰。文昌鱼是开展脊椎动物器官胚胎发育分子机制研究的理想模式动物。在本项目中，我们将在前期研究基础上，以文昌鱼胚胎为研究载体，围绕脊椎动物神经系统胚胎发育中lncRNAs的作用这一重要科学问题，结合新一代测序技术及生物信息学技术，绘制出10个文昌鱼胚胎发育关键时期的非编码RNA（ncRNAs）表达图谱；发现和鉴定文昌鱼胚胎发育过程中的lncRNA基因及其表达模式；构建和分析lncRNA-编码基因相互作用网络；发现与神经系统胚胎发育关联的lncRNAs；选取若干关键lncRNAs，开展理论分析和动物实验验证。本项目将：（1）为深入探索lncRNAs在脊椎动物器官，尤其是神经系统，胚胎发育的分子基础研究提供数据支持及线索；（2）发表3-5篇高水平研究论文；（3）培养一批研究生。

脊椎动物的神经系统胚胎发育是当前研究的热点，但其底层分子机制仍不清楚。本项目选取了实验室繁代培养的佛罗里达文昌鱼为研究对象，以发现神经系统胚胎发育相关基因，尤其是长非编码RNAs (lncRNAs)，并开展功能研究。文昌鱼是开展无脊椎动物-脊椎动物演化过程中器官胚胎发育的首选模式动物。本项目选取了文昌鱼胚胎发育的16个关键时期，提取相应的细胞和组织样本。利用Illumina和三代PacBio深度测序技术，测定了这16个时期的链特异性全RNA转录组以及1个混合时期的全cDNA转录组。基于这些深度测序数据，我们开发了一个新的计算方法TransIntegrator，构建了全球第一个文昌鱼全转录本文库，解决了基因组质量不佳情况下开展可靠系统研究的难题。该方法也发现了一批在基因组中未曾正确注释的新mRNAs、lncRNAs和gene isoforms，补充了文昌鱼基因组的不足。基于文库，我们绘制了文昌鱼胚胎发育16个关键时期的精确基因和lncRNAs等表达图谱。为更好地展示文库和表达图谱，我们开发了一个在线数据库InTrans。随后，我们开展了发育连续转录组的模式表达分析，发现文昌鱼胚胎发育过程中基因表达模式和模式表达基因（包括蛋白编码基因和lncRNAs等），并揭示了各转录因子在胚胎发育过程中的活性变化和调控模式。进而，我们通过基因权重共表达网络分析，结合人及其他物种已知的神经系统发育相关基因，发现了42个潜在的文昌鱼神经系统发育关键基因，包括了5个lncRNAs，进一步的功能研究进行中。此外，我们意外发现在文昌鱼胚胎发育过程中存在大量的稳定或差异表达的环状RNA（circular RNA，circRNA）；为此我们开发了一个新的circRNA发现与注释的新方法Cirit。以上工作将大幅促进文昌鱼的模式化进程，为脊椎动物的神经系统等器官发育的机制研究奠定数据和技术基础。总而言之，本项目按原有计划顺利开展研究，完全达到了预定研究目标。目前已发表基金标注SCI索引通讯作者论文共4篇，包括一区论文2篇；培养研究生共15人。