家蚕在人工驯化过程中基因组的表观遗传学进化

除了DNA序列改变，表观遗传学改变也能影响物种的性状。家蚕是重要的经济昆虫，在长期驯化过程中相对野蚕发生了剧烈的变化。我们推测驯化过程可能会作用于表观遗传来迅速获得有利于人类的性状。作为一种重要表观遗传学标记，DNA甲基化在动植物生长中有重要作用。然而昆虫DNA甲基化由于其水平相对很低，功能一直存在争议。我们前期工作得到家蚕的全基因组甲基化谱，首次证明家蚕基因区CG甲基化可能具有重要功能。本项目在此基础上首先通过对更多家蚕和野蚕样本的DNA甲基化谱和基因表达谱的比较，寻找出一批受人工选择而有表观遗传改变的基因。此外我们将通过家蚕甲基转移酶的RNAi深入探讨昆虫DNA甲基化建立和维持的机制及其意义；同时通过对受人工选择基因的RNAi，验证表观遗传改变是否能导致可观察的人工选择性状的改变。研究结果将为表观遗传学这一崭新的领域和人工选择遗传机制这一古老问题增添新的内容，开辟新的研究道路。

家蚕是重要的家养动物和经济昆虫，在长期的人工驯化和育种过程中，家蚕的重要经济性状例如茧丝质量不断的得到改进。相对于自然选择，人工选择下物种往往在相对短的时间内进化出与野生物种差别很大的驯化性状，并且很多驯化性状常常表现出不稳定。除了遗传学改变，随着目前表观遗传学研究的兴起，表观遗传学改变是否在进化过程中发挥作用成为一个广泛引起科学家们兴趣的课题。作为一种表观遗传学机制，DNA甲基化被证实在哺乳动物和植物的胚胎发育、转座子防御等众多生物学过程中发挥作用，然而昆虫中DNA甲基化是否具有功能意义一直是个未解之谜。一方面，对于DNA甲基化转移酶系统，尤其昆虫中广泛存在的dnmt1，仍无任何功能研究。另一方面，缺乏昆虫甲基化组的描述。这些都大大阻碍了人们对昆虫DNA甲基化系统的认识。.本研究首先证实家蚕DNA甲基化的建立和维持系统——甲基转移酶的存在和功能。在此基础上，我们首次将Methy-Seq技术应用于测定低甲基化水平的物种——家蚕，从而构建了一张昆虫的单碱基分辨率甲基化谱——家蚕丝腺甲基化谱。我们保守估计家蚕基因组0.11%的C被不同程度的甲基化，几乎全部发生在CG二核苷酸。 DNA甲基化在基因组呈现镶嵌式分布，主要富集在基因内部尤其编码区与smRNA的基因组位点，TE区和rDNA区则甲基化水平相当低。基因内部的甲基化水平与表达水平呈正相关，提示其对基因表达具有调控作用，而启动子区甲基化与表达没有显著相关性。在上述研究的基础上，我们一方面利用RNAi技术深入探讨了DNA甲基转移酶的生物学功能，发现Dnmt1敲减以后家蚕卵的孵化率显著降低，为昆虫甲基转移酶的生物学功能提供了重要实验证据。另一方面，我们开展了家蚕和野蚕丝腺甲基化谱的比较。我们发现家蚕和野蚕的基因区DNA甲基化倾向于保守，而TE区则倾向于种间变化。我们筛选到一批甲基化差异区域，并通过BS-PCR 及454高通量测序验证，进一步将鉴定了5个甲基化差异相对一致基因。其中一个基因在家蚕中一致的无甲基化而野蚕中具有一定水平的甲基化，且家蚕丝腺中表达水平低于野蚕。尤其有趣的是，该基因是一个候选的驯化基因，经过SNP分析，我们推测可能表观遗传学差异引起该基因的表达差异。研究结果提示，驯化过程中表观遗传学改变也在发挥作用，这位长期有争议的获得性遗传假说提供一个启示性的例子。目前我们对该基因的转基因过表达功能研究正在进行中。