珍珠龙胆石斑鱼低温胁迫的转录组学研究

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珍珠龙胆石斑鱼(Epinephelus fuscoguttatus♀×E.lanceolatus♂)具有生长速度快、抗病能力强等优点,是亚洲沿海地区的重要养殖品种,也是中国南方石斑鱼类的主要养殖对象。然而该杂交鱼不耐寒冷,其低温条件下的基因表达与调控机制仍未被揭示。因此,本研究通过实验取样低温胁迫组(20℃、15℃、12℃、12℃6 h)与对照组(25℃)的肝脏组织,用于RNA-Seq和mi RNA-Seq转录组测序分析及验证实验,分别研究珍珠龙胆石斑鱼在低温胁迫下的转录水平基因表达和转录后水平mi RNA对m RNA的调控关系。阐述珍珠龙胆石斑鱼应对低温胁迫的mi RNA-TF-m RNA调控机制,为珍珠龙胆石斑鱼养殖提供理论基础。主要研究结果和结论如下:(1)在转录组整合Pac Bio SMRT-Seq、Illumina RNA-Seq及s RNA-Seq部分,Pac Bio SMRT-Seq测序获得37.15 Gbp polymerase Reads,经数据质控获得301,448个FLNC Reads(N50:1,440 bp);Illumina平台测序获得106.33 Gbp raw Reads,经质量控制后获得105.65 Gbp clean Reads(Q30>92.49%)。在s RNA-Seq部分,共获得11.28 Gbp raw Reads,经数据过滤后获得4.82 Gbp clean Reads(Q30>97.24%),并对mi RNA进行鉴定和表达定量分析。(2)通过整合Pac Bio SMRT-Seq和Illumina RNA-Seq测序数据进行肝脏转录组的基因表达定量与功能分析。在SMRT-Seq测序数据分析中,获得11,033全长转录本,作为RNA-Seq分析中基因表达定量的参考序列。通过组间差异表达分析、加权基因共表达网络分析(WGCNA)和短时间序列表达挖掘(STEM)分别获得3,271个差异表达基因(DEGs)、2个低温特异性模块(ME tan,ME blue)和2个基因表达趋势图谱(Profile0,19)。基于三种分析交叉筛选出与低温紧密相关的关键基因,如PCK1、PCK2、ALDOB、FBP1、FBP2、G6p C、CPT1A、PPARA、SOCS3、PPP1CC、CYP2J、HMGCR和CDKN1B等。这些基因显著富集在糖代谢、脂质代谢、信号转导、内分泌系统和免疫系统等生物学通路。研究显示,这些表达变化显著的关键基因可能通过协作方式参与各类重要生物学通路,从而在珍珠龙胆石斑鱼应对低温胁迫过程中发挥重要的功能作用。如糖代谢和脂质代谢提供基本的能量补偿,不饱和脂肪酸有助于维持细胞膜流动性,胰高血糖素信号通路有利于内分泌系统的稳态调节等。这些生物学通路的揭示有助于深入理解珍珠龙胆石斑鱼对低温适应的分子机制,而所筛选的候选基因有利于今后的分子育种研究。(3)为进一步了解低温胁迫下珍珠龙胆石斑鱼基因在转录后水平的调控关系。本研究根据s RNA-Seq测序数据,对mi RNA进行种类鉴定、组间差异表达及靶基因预测等分析,并结合RNA-Seq分析结果,进一步构建了mi RNA-TF-m RNA调控网络,以揭示珍珠龙胆石斑鱼在低温胁迫下的潜在分子调控机制。在对照组与4个低温胁迫组的配对比较中共鉴定了72个唯一的差异表达mi RNA(DE mi RNAs),并在调控网络中筛选到7个关键的mi RNAs,包括gmo-mi R-221-5p、ssa-mi R-7132b-5p、ola-let-7c、ssa-mi R-25-3-5p、ccr-mi R-489、gmo-mi R-10545-5p和ccr-mi R-122,所调控靶基因包括TF ACSS2、TF PPARD、TF PPP4CB,CYP2J2、EHHADH、RXRs、NR1D2、PPP1CC-A、PPP2R1A、FOXK2等。这些mi RNAs通过直接或间接调控靶基因方式,参与抗氧化、膜流动性、糖脂代谢、昼夜节律、DNA修复、细胞凋亡等多种重要生物学通路。本研究构建的mi RNA-TF-m RNA调控网络,有助于深入理解珍珠龙胆石斑鱼应对低温胁迫的表达与调控机制。此外,本研究首次鉴定了ssami R-25-3-5p调控NR1D2基因参与调节昼夜节律通路在鱼类低温胁迫中发挥了重要作用。所筛选的这些关键mi RNAs、TFs和基因为今后石斑鱼分子选育耐寒新品种提供了理论基础和科学依据。(4)在上述的mi RNA测序及下游分析中,发现RXR-like转录因子家族的RXRA、RXRB和RXRG差异表达明显,它们属于一类视黄酸激活的视黄醇类X受体(RXR),可能在珍珠龙胆石斑鱼温度胁迫中具有重要的调控功能。为此,本研究基于RXRA、RXRB和RXRG全长转录本c DNA,进一步分析其开放阅读框、蛋白质理化性质、保守结构域、二级结构和三级结构。结果显示,RXRs蛋白质具有明显的核/激素受体激活位点AF-1、C4类型锌指蛋白结构域、核激素受体的配体结合域。根据亚细胞定位、蛋白质互作网络、KEGG通路等分析,发现RXRs蛋白质在细胞核中通过与过氧化物酶体增殖激活受体PPAR等配体结合而激活后调控多种基因的表达,并通过参与PPAR信号通路调节下游糖异生、糖原合成、脂肪酸代谢等生物学通路。研究表明,RXRs可能通过调节与能量相关的通路从而在珍珠龙胆石斑鱼低温胁迫中发挥重要的作用。本研究对RXRs及其潜在的靶基因分析有助于深入理解在低温胁迫下珍珠龙胆石斑鱼细胞核内转录因子参与的基因调控机制,这些转录因子在耐寒新品种的培育中具有潜在的开发及应用价值。
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