物的再生能力一直是一個令人著迷且非常復(fù)雜的生物學(xué)過程。許多動物的再生能力特別是高等動物受到極大地限制,然而,有趣的是,在自然界中存在一些動物依然保留強大的再生能力,例如某些脊椎動物(斑馬魚、蠑螈、壁虎等)可以治愈創(chuàng)傷、再生丟失的器官或者附肢(例如:心臟、尾巴、晶狀體);某些無脊椎動物(例如:渦蟲)甚至擁有更強的再生能力,可以從少量組織和細(xì)胞再生整個生命體,因此被廣泛用于干細(xì)胞生物學(xué)和再生醫(yī)學(xué)研究。另一類無脊椎動物—蚯蚓,不僅是土壤生態(tài)系統(tǒng)中的重要成員,而且具備比渦蟲更為復(fù)雜的表型結(jié)構(gòu)(例如:中樞神經(jīng)系統(tǒng)大腦初步具備記憶雛形),更重要的是,它擁有極強的前/后部體節(jié)再生能力。達(dá)爾文在《腐殖土的形成和蚯蚓的作用》一書中寫到:“我們很難找到其他的生靈像它們一樣,雖看似卑微,卻在世界歷史的進程中起到了如此重要的作用”。然而到目前為止,蚯蚓再生的分子細(xì)胞學(xué)機制還不是很清楚。
吳東東課題組利用長讀段PacBio平臺+Hi-C輔助組裝等策略測序并拼裝了準(zhǔn)染色體水平的高質(zhì)量安德愛勝蚓(Eisenia andrei)基因組(Scaffold N50≈111Mb),并通過不同再生時期bulk轉(zhuǎn)錄組和單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組整合揭示蚯蚓再生的分子細(xì)胞學(xué)機制(圖1-2)。研究發(fā)現(xiàn)蚯蚓基因組中重復(fù)序列LINE2轉(zhuǎn)座元件可能在蚯蚓再生中扮演重要調(diào)控角色,例如LINE2元件顯著高比例地插入到蚯蚓早期再生相關(guān)的差異基因locus;同時某些差異表達(dá)的LINE2元件(位于蛋白編碼基因側(cè)翼5Kb區(qū)域)和它們的鄰近基因擁有極為相似的表達(dá)模式。在高度再生物種(例如:渦蟲)的再生過程中,EGR1是一個核心調(diào)控者,而在本研究中,我們發(fā)現(xiàn)EGR1不僅在蚯蚓再生過程中發(fā)生差異高表達(dá),而且其側(cè)翼的LINE2元件也發(fā)生顯著差異表達(dá)上調(diào),因此,我們推測這些顯著差異表達(dá)的LINE2元件可能通過調(diào)控鄰近基因的表達(dá)來參與蚯蚓再生過程。另一方面,我們在蚯蚓基因組中發(fā)現(xiàn)大量基因復(fù)制事件(例如:大量潛在擴張的基因家族),這些擴張的基因家族主要富集在發(fā)育生物學(xué)通路,而發(fā)育和再生在某些通路可能往往是共通的。進一步我們發(fā)現(xiàn)某些顯著擴張的基因家族,例如EGFR(epidermal growth factor receptor),可能通過增加其拷貝數(shù)劑量效應(yīng)來調(diào)控蚯蚓再生過程(注:12個EGFR家族成員的8個成員在蚯蚓再生早期發(fā)生顯著差異表達(dá))。在轉(zhuǎn)錄激活水平,我們發(fā)現(xiàn)一些應(yīng)激早期基因在蚯蚓和渦蟲早期再生中共同激活,暗示蚯蚓和渦蟲在早期再生應(yīng)激反應(yīng)中可能具有共享的作用機制,進一步發(fā)現(xiàn)4個與早期再生顯著相關(guān)的共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)模塊和系列hub轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子,富集分析顯示它們可能參與再生早期細(xì)胞的增殖和分化。同時,蚯蚓再生早期的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組解析暗示蚯蚓再生早期72h后損傷愈合部位細(xì)胞的高比例組分是干細(xì)胞,暗示多能干細(xì)胞在蚯蚓再生早期過程中具有重要作用(圖2)。我們的研究提供了一些蚯蚓再生的候選分子細(xì)胞學(xué)機制,提出蚯蚓能夠作為研究再生生物學(xué)或者再生醫(yī)學(xué)的一個新的模型。
該研究以Genome and single-cell RNA-sequencing of the earthworm Eisenia andrei identifies cellular mechanisms underlying regeneration為題,于2020年5月27日在《Nature Communications》雜志上在線發(fā)表(文章鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-020-16454-8)。昆明動物研究所助理研究員邵永、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院(深圳)農(nóng)業(yè)基因組所博士王曉波、昆明動物所博士生張錦錦和李明莉為文章的共同第一作者,昆明動物所吳東東研究員、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院(深圳)農(nóng)業(yè)基因組所阮玨研究員、昆明動物研究所張國捷研究員為文章的共同通訊作者。該研究得到國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項、中國西南野生生物種質(zhì)資源庫動物分庫等的支持。
圖1:a 安德愛勝蚓(用于完成基因組測序物種)。b 安德愛勝蚓的核型分析。2n=22,根據(jù)染色體形態(tài),初步分成三個亞類。核型分析源于蚯蚓環(huán)帶的分裂中期細(xì)胞,該分析由昆明動物研究所細(xì)胞庫完成。c Hi-C互作圖。d circos展示蚯蚓基因組的特征。
圖2:單細(xì)胞RNA-sequencing揭示再生的細(xì)胞機制。
種質(zhì)庫動物分庫為非模式動物再生復(fù)雜性狀遺傳機制研究提供支持
本文轉(zhuǎn)載于:中國科學(xué)院昆明動物研究所