miRNA介导基因调控网络的进化及其对种间表型差异的影响

The evolution of Gene Regulation Networks（GRNs）is genetic mechanism of organism complexity and speciation. miRNAs are the main source of GRN complexity, but it remains unclear how miRNA mediate evolution of GRN and their contribution of phenotypic variation. To tackle this question, we will focus on fast evolving miRNAs in Drosophila, to study the evolution of miRNAs and miRNA-mediated regulation, combining with phenotypic evolution. Firstly, we will perform phylogeny and molecular evolution analysis of these miRNAs. Then predict their targets in multiple species, evaluating the conservation of target pools of single miRNAs and whole miRNA clusters. Next, the effects of miRNAs evolution on transcriptome would be validated through in vivo and in vitro assays. Finally, phenotypic effects of fast evolving miRNAs would be analyzed in D. melanogaster and then compared with other Drosophila species. These studies may help to elucidate the mechanism about how miRNA mediate evolution of GRNs, and provide key insight about the genetic mechanism of complex trait evolution.

基因调控网络（Gene Regulation Networks，GRNs）的进化是生物产生复杂表型的遗传学基础。miRNA的调控是GRN复杂性的重要来源，但对于miRNA如何介导GRN的进化以及对表型变异有何贡献，目前仍缺乏了解。我们将在miRNA序列、靶基因调控关系和表型差异三个层次对果蝇中快速进化的miRNA进行研究，探索miRNA影响GRN和表型进化的具体机制。我们首先对这些miRNA进行系统发育和分子进化分析；在多个物种预测靶基并评估靶基因的保守程度，比较单个miRNA和整个基因簇在靶基因库进化模式上的差异；接着在转录组水平验证靶基因调控关系的种间差异；最后，对miRNA的表型进行种间比较，结合靶基因的功能分析，揭示miRNA的进化与表型变异的关系。这将有助于揭示miRNA介导基因调控网络进化的具体机制，对进一步阐明生物复杂性状的产生和进化的遗传学机制有着重要的生物学意义。

新miRNA的出现及进化,是引起基因调控网络进化和种间表型差异的一种重要机制,但过去对这一问题的研究不多.一方面,这类miRNA往往低表达或者具有组织特异性,似乎不具有重要功能.另一方面,实验技术的困难限制了miRNA表型的种间比较,给功能进化的研究造成了一定障碍.为了探究这一问题,我们研究了果蝇中一个适应性进化的miRNA基因簇——miR-972C.结果显示,miR-972C成员的种子区域和其他区域都经历了快速的进化,靶基因预测和体外细胞实验都证实,这种序列进化导致其调控的靶基因在物种间出现巨大改变.而不同物种的miR-975在同一物种的细胞中过表达后,对靶基因的影响程度也有差异,而这种差异仅仅是由非种子区域一个核苷酸位点的改变引起的.这些结果显示miRNA序列的进化对靶基因调控网络产生重大影响,这很可能带来表型层面的差异. 而我们在D.melanogaster和D.simulans中分别切敲除了miR-975后,确实观察到雄性的精子发生过程出现不同程度的异常.. 有趣的是,miR-972C作为一个整体,其靶基因在物种间改变较小.miR-972C可能通过协同调控影响更多的靶基因,从而增加其在自然选择下存活的机会.这种推测跟miRNA的canalization假说是相符的.该假说认为miRNA会倾向分散影响更多的靶基因,从而起到稳定基因调控网络的作用,而不是调控单个基因或者表型.为了进一步探究这种可能性,我们分析了果蝇、小鼠、人类的miRNA和靶基因数据,发现单个miRNA的靶基因数量确实很大且调控效果普遍很弱. 这些微弱调控的靶基因却占用了大部分的miRNA调控能力,显然canalization假说更能解释这种现象.我们进一步通过Dicer敲降整体下调miRNA的表达,发现果蝇无法适应环境的扰动以及发育阶段的转换,为这种假说提供了更多的实验证据.