奶山羊精子发生过程相关microRNA分子作用通路的生物信息学挖掘分析

The dairy goat which is with the production of milk as the main trait has an important nutrition and economic values. But the protection of dairy goat germplasm resources is facing grim situation, due to factors such as heterosis. The molecular mechanism of males spermatogenesis is remain unclear, which play an important role in the protection. In the preliminary studies, our laboratory has found that miRNAs may be related with the process of dairy goat spermatogenesis. For each stages of spermatogenesis, this project will make RNA-Seq deep sequencing about the transcriptome of miRNA and protein-coding genes, and take the miRNA pathways construction and analysis using bioinformatics. Based on integrating of multiple genetic information such as transcriptional regulation, protein-protein interactions, post-transcriptional regulation, the integrated miRNA pathway network may reflect the complex relationships during the dairy goat spermatogenesis. The project will be synergies from the two aspects of computing theory and experiment platform which can mine dairy goat spermatogenesis process related potential genetic factor and its role in the pathway, providing theoretical support and candidate targets for downstream biology. Meanwhile, the implementation of this project will make some contributions about the research of dairy goat reproduction and development, and provide theoretical support for the livestock industry which will have importantly potential application prospect.

奶山羊以产奶为主要性状，具有重要的营养和经济价值。然而当前其种质资源保护面临严峻形势，因此对优良品种的雄性个体生殖发育进行分子研究有重要意义。前期研究中，本实验室已经发现多个miRNA与奶山羊精子发生相关，然而其作用机理尚不明确。本项目选择奶山羊精子发生的精原干细胞、精母细胞以及成熟精子三种细胞形态为材料进行研究，对miRNA和编码蛋白基因进行转录组RNA-Seq深度测序。然后融合转录调控、蛋白质互作及转录后调控等多层次分子遗传信息，构建整合的miRNA分子作用通路网络。最后对所构建的通路网络进行拓扑性质分析，挖掘奶山羊精子发生相关miRNA功能模块，分析其作用机理。本项目以miRNA为切入点，从计算理论和实验平台两方面协同挖掘奶山羊精子发生过程潜在相关遗传因子及其作用通路，为下游生物学证实提供理论支撑和候选靶标，具有重要的研究价值，能够为畜牧产业的发展提供理论支撑。

本项目采用系统生物学的方法，整合多层次多角度多阶段生物大数据，构建了多种哺乳动物（包括山羊）包含精子发生在内的整个配子发生过程的分子作用通路网络，此生物分子网络的节点不仅包括了miRNA，同时还包含了DNA甲基化、组蛋白修饰以及常规的编码基因。在此基础上，我们提供了配子发生过程中的线性调控通路以及核心作用模块，这为进一步摸清配子发生过程的动态规律打下了扎实的基础。.1、任务完成情况.（1）初步掌握了包括山羊、绵羊、牛、猪等多种大型哺乳动物配子发生相关的编码基因、DNA甲基化修饰、组蛋白修饰以及miRNA调控因子等遗传因子，挖掘到了起核心作用的互作模块及线性通路。.（2）发现了配子发生过程相关蛋白网络所具有的动态性和模块性两大特征。.（3）建立了配子发生表观调控资源平台及其核心互作模块网络资源库。开发了统计算法，挖掘到了整合的配子发生相关线性作用通路和核心模块。.（4）结合新一代测序技术与传统细胞分子生物学技术，挖掘了以CD49f为分子标记的奶山羊精原干细胞相关miRNA及其下游靶基因，提供了Eif2s3y、Stra8、Plzf等性别决定和精子发生过程相关因子的互作蛋白和下游靶标。发现了Plzf、Nanos2、Dazl、CD49f、Stra8 和 miR-34c、miR-544 等精子发生过程相关遗传分子标记及其功能与作用通路。 .（5）针对包括精原干细胞在内的动物生殖发育分子生物学领域中的核心干性因子，发现了它们对于细胞多能性维持所具有的协同调控特征。发现了它们一起受到了转录调控和转录后调控的共同作用。发现了它们在生物分子网络中具有显著的中心性。开发了基于人工智能机器学习的算法，在全基因组范围内对三因子的靶基因分别进行了预测。.2、科学意义.本项目的完成促使项目执行团队无论是在技术方法的创新方面，还是在生物学问题的解决上均建立了初步成体系的研究方法、策略以及相对稳定的研究对象。项目负责人相信基于生物大数据的计算分析，在动物生殖发育生物学领域的不断耕耘和探索必将会为我国动物繁殖育种事业带来一份应有的贡献。