文昌鱼胚胎发育连续转录组的比较分析与神经系统发育关键基因的发现

Lancelets are generally acknowledged to provide indictions about the origins of vertebrates. They also serve as good animal model for inversigation of vertibrate organ development. To-date, the whole genome sequence of B. floridae is available; however, gene expression profiles during amphioxus embryo development are poorly studied. Previously, we have realized the culture of lancelets in lab and tempature-control of spawn. Here, we proposed to use next-generation-sequencing (NGS) and bioinformatic technologies to determine amphioxus transcriptomes under six key embryo stages during nerve system development. Upon these development-series gene expression profiles, gene expression patterns, e.g. co-expression and inverse expression, or pattern genes, e.g. specific genes, housekeeping genes, and repressed genes, can be identified computationally. These patterns or pattern genes are believed to play crucial roles in embryo nerve system devopment. Experimental validation of gene functions will be carried out as well when necessary. It is expected that the outcome of our project will: (1) provide a global and dynamic view of gene expression profiles during amphioxus embryo nerve system development which is not worldwide available yet; and (2) offer valuable molecular clues for further high-level investigation of vertebrate nerve system development via construction of gene interaction network.

脊椎动物神经系统的胚胎发育一直是生物学的研究热点，但目前缺乏合适的动物模型。文昌鱼胚胎是开展脊椎动物器官胚胎发育分子机制研究的理想模式。在前期工作中，我们已实现了对白氏文昌鱼的人工连续繁殖和产卵的温控，也建立了转录组数据分析工作流和基因表达模式分析方法。因此，在本项目中，我们将以白氏文昌鱼胚胎为研究对象，围绕神经系统胚胎发育这一重要问题，采用新一代测序技术，绘制6个神经系统胚胎发育关键时期的基因表达图谱，构建文昌鱼胚胎发育转录组数据库。并以此为基础，通过模式识别等数据挖掘算法发现神经系统胚胎发育过程中的基因表达模式；构建基因相互作用网络，发现与神经系统胚胎发育关联的重要基因；并从中选取若干基因，对其生理功能进行实验验证。本项目将：（1）为建立文昌鱼神经系统胚胎发育模型和开展脊椎动物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。

文昌鱼胚胎是开展脊椎动物器官胚胎发育分子机制研究的理想模式。但目前对文昌鱼胚胎发育过程中的基因表达情况缺乏一个全面和动态的了解。因此，在本项目中，我们选取了实验室繁代的佛罗里达文昌鱼（Branchiostoma floridae）为研究对象，提取从未受精卵到幼虫前的文昌鱼胚胎发育10个连续关键时期的样本，采用Illumina新一代测序技术，测定了16个基因表达转录组。为更好地开展组学研究，我们开发了一套构建整合cDNA文库的计算流程，在国际上首次提出了以cDNA文库替代不理想的基因组或无基因组参考的研究策略，构建了一个接近完整的佛罗里达文昌鱼整合cDNA文库。基于该cDNA文库，我们重新绘制了文昌鱼胚胎发育10个关键时期的基因表达图谱，初步构建了文昌鱼数据库，完成了项目的既定基础目标。此外，基于图谱，我们首次量化评估了文昌鱼个体之间的遗传差异水平为10%左右，或部分能回答文昌鱼基因组拼接不理想的原因。此外，我们完善了基于连续转录组的模式识别等数据挖掘算法，发现了模式表达基因与组织器官发育之间的关联。在进一步的研究中，我们发现，文昌鱼的合子表达或从256细胞期开始；有一系列的基因在原肠胚或神经胚的发育中起关键作用。以上工作加速了文昌鱼模式化工作进展，更深入的研究工作还在进行中。在基金项目的支持下，我们先后发表了8篇文章(基金标注)，3篇文章在投稿或给稿中；达到并超过了项目的预计目标。