猪脂肪干细胞及其诱导多能干细胞中circRNA表达谱解析

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猪诱导多能干细胞(pig induced pluripotent stem cells,piPSCs)具有与胚胎干细胞(embryonic stem cells,ESCs)相似的特性,能够进行自我更新,并且分化形成多种类型的细胞,在畜牧学、医学和生物学基础研究等领域具有重要价值。然而,piPSCs目前仍然存在诱导效率低、质量差等一系列问题,归根结底是对piPSCs多能性建立和维持、诱导过程中细胞重编程等机制缺乏足够的了解。因此,对猪体细胞重编程涉及到的表观修饰、非编码RNA(noncoding RNA,ncRNA)等调控机制的研究已成为piPSCs的热点之一。CircRNA作为一类新发现的特殊ncRNA,可参与到竞争性内源RNA间互作,且具有作为蛋白质翻译模板的功能,而关于circRNA在猪多能干细胞中的表达及其作用至今未见报道。因此,本研究采用RNA-seq技术对piPSCs和猪脂肪干细胞(pig adipose-derived stem cells,pADSCs)中的circRNA表达谱进行了发掘、鉴定与分析,旨在发现调控猪的细胞多能性的关键circRNA,以期为揭示circRNA在细胞多能性建立、维持方面发挥的潜在功能,提高piPSCs诱导效率和质量提供理论参考。  (1)piPSCs和pADSCs测序文库构建及测序质量与结果的初步分析。取三株piPSCs(C4-6/30/36)和三株pADSCs(pADSCs-2/3/4),将多能性程度不同的两种类型的干细胞各设置三个生物学重复,成功建立出piPSCs和pADSCs的circRNA文库。测序结果显示:在三株pADSCs中,ADSCs-2文库测序得到46034204条原始序列(raw reads),41360597条高质量纯净序列(clean reads,占总序列数的89.8%);ADSCs-3文库测序获得37048694条原始序列,32915704条高质量纯净序列(占总序列的88.8%);ADSCs-4文库测序获得39056370条原始序列,35183381条高质量纯净序列(占总序列数的90.1%)。而在三株piPSCs中,C4-6文库测序获得40181317条原始序列,36990041条是高质量纯净序列(占总序列数92.1%);C4-30文库测序获得34200381条原始序列,32471150条为高质量序列(占总序列数94.9%);C4-36文库测序得到54694359条原始序列,50352883条是高质量序列(占总序列数92.1%)。将测序结果对比到基因组,发现各个文库的circRNA在基因组上的来源分布均匀,主要分布于内含子,其次是外显子、基因间区。另外,circRNA的长度均处于100-20000nt不等,大多数circRNA趋向于分布在较短的长度区间。  (2)piPSCs、pADSCs中circRNA的表达谱及差异表达情况。此次测序共鉴定到27005个新circRNA,其中在piPSCs与pADSCs中共同表达6983种circRNA,在piPSCs中特异性表达13138种circRNA,pADSCs中特异性表达6884种circRNA。根据padj<0.05的条件进行筛选后,最终得到243个显著性差异表达的circRNA,在piPSCs中上调表达的circRNA有88个,下调表达的有155个。  (3)piPSCs、pADSCs中circRNA的KEGG及GO分析。KEGG分析发现,iPSCs与ADSCs之间差异基因共富集到了137个信号通路,其中有22个信号通路显著性富集(p<0.05)并且有多条富集到多能性相关的通路。通过将差异circRNA与KEGG富集通路对比发现,9个在piPSCs、pADSCs中显著差异表达的circRNA富集于miRNA癌症相关通路。这一结果暗示着circRNA与miRNA之间存在一定关联性,并且可能参与到了癌症的发生和细胞多能性的维持。GO分析结果表明,iPSCs与ADSCs之间的差异基因共富集了2356个生物过程功能团,其中509个差异显著(p<0.05);386个分子功能功能团,其中90个差异显著;237个细胞组分功能团,其中28个差异显著。  (4)高通量测序结果的验证。随机选取10个circRNA转录本设计反向扩增引物,进行实时荧光定量PCR验证。验证结果表明,10个circRNA的PCR结果与测序结果一致,说明circRNA转录本测序数据真实准确。  总而言之,本研究首次揭示了piPSCs、pADSCs中circRNA的表达谱,新发现了大量circRNA,鉴定出多个可能与细胞多能性调控相关的潜在circRNA。本研究不仅有助于进一步丰富人们对RNA参与细胞重编程调控的认识,也将为改善piPSCs诱导质量、提高piPSCs诱导效率,促进piPSCs应用于畜牧学和医学研究领域提供理论参考。
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