CRISPR/Cas9技术在动物非编码RNA功能研究中的应用

CRISPR/Cas9系统是一种广泛存在于细菌和古菌中的免疫机制。近年来,已发展为一种快捷高效的基因编辑工具,用于研究编码或非编码RNA的功能。非编码RNA是一类不编码蛋白质的RNA,其可通过多种调控途径在动物的生长发育、疾病免疫等生理或病理过程中发挥重要的生物学功能。CRISPR/Cas9技术可以靶向核酸序列稳定敲除基因,得到敲除小鼠或细胞系,虽然其在非编码RNA功能研究中的使用干扰了邻近基因或宿主基因表达,但该技术的出现为非编码RNA功能机制的探索提供了不同的途径。本文通过简要概述CRISPR/Cas系统的发展和作用原理,并重点介绍CRISPR/Cas9技术在动物miRNA、lncRNA及circRNA功能研究中的应用,以期为相关研究提供参考。     

LINC24065在体细胞核移植牛中的异常表达

旨在揭示DLK1-DIO3印记域上一个新的长链非编码RNA(long noncoding RNA,lncRNA)LINC24065在自然繁殖牛(natural reproduction,NR)与体细胞核移植牛(somatic cell nuclear transfer,SCNT)中的组织表达与印记状态,对进一步了解DLK1-DIO3印记域在供体核重编程中的作用提供一定的理论基础。本研究以自然繁殖牛的大脑组织为试验材料,利用RACE和RT-PCR技术,在牛的DLK1-DIO3印记域内鉴定了一个新的印记的lncRNA基因,命名为LINC24065。用基于SNP(single nucleotide polymopisms)的RT-PCR产物直接测序方法分析LINC24065在自然繁殖牛和体细胞核移植牛组织中的表达及印记状态。序列分析发现,LINC24065编码6个可变剪接体,并在自然繁殖牛被检测的7个组织中都表达,而在体细胞核移植牛组织中没有检测到可变剪接体LINC24065-V3,且其它5个剪接体呈现组织特异性表达。印记状态分析发现,LINC24065在自然繁殖牛和体细胞核移植牛的7个组织中均为单等位基因表达,但在体细胞核移植牛的大脑组织中出现了与其他组织亲本来源不同的单等位基因表达。研究结果说明,LINC24065基因在体细胞核移植牛的大脑中出现了印记紊乱,并且剪接体在组织中的表达也发生了改变。以上研究结果说明LINC24065基因与体细胞核移植牛的发育异常有关。     

鸡lncRNA-MSTRG.15568.9及其预测靶基因的表达

试验旨在了解在鸡睾丸中高表达的1个长链非编码RNA （long non-coding RNA,lncRNA）及其预测靶基因的时空表达规律,研究二者在鸡弱精子症中的调控作用。根据弱精子症和正常北京油鸡公鸡睾丸转录组测序筛选到的1个高表达的lncRNA （MSTRG.15568.9）,采用顺式（cis）作用模式预测其潜在靶基因SPAG4（sperm-associated antigen 4）,进一步采用实时荧光定量PCR方法进行表达量分析。分别选择3只0、5、20、30、45、60周龄正常北京油鸡公鸡,检测MSTRG.15568.9与SPAG4基因在不同周龄公鸡睾丸中的表达量差异;选择30周龄3只正常公鸡,采集睾丸、肝脏和脾脏等8个部位组织样品,检测MSTRG.15568.9与SPAG4基因在不同组织间的表达规律;选择45周龄弱精子症公鸡和正常公鸡各3只,对比MSTRG.15568.9与SPAG4基因在睾丸的表达量差异。结果显示,MSTRG.15568.9与SPAG4存在明显的时空表达差异,且二者表达趋势基本一致。在不同周龄的鸡睾丸组织中,MSTRG.15568.9和SPAG4的表达趋势相近,MSTRG.15568.9在20周龄的表达量显著高于0、5、30、45、60周龄（P<0.05）,0和5周龄表达量显著低于20、30、45和60周龄（P<0.05）;SPAG4在45周龄表达量最高,其次是20周龄（P<0.05）。MSTRG.15568.9和SPAG4在睾丸和肝脏中的表达量均显著高于脾脏、肾脏等组织（P<0.05）;在正常睾丸组织中的表达量均显著高于弱精子症睾丸组织（P<0.05）。综上所述,MSTRG.15568.9与SPAG4基因具有较明显的组织表达特异性,且MSTRG.15568.9可能调控SPAG4基因的表达,参与精子发生与精子活力调控;但其具体作用机制需要进一步探索。本研究可为鉴定与鸡弱精子症调节机制相关的功能基因提供参考。     

Two new IncRNAs regulate the key immune factor NOD1 and TRAF5 in chicken lymphocyte

Reticuloendotheliosis virus (REV) causes the atrophy of immune organs and immuno-suppression in chickens, but the underlying molecular mechanism of the immune response after infection by REV is not well understood. Presently, the RNA-seq was used to analyze the regulation of immune response to REV in chicken lymphocytes from peripheral blood. Overall, 134 differentially expressed long non-coding RNAs (lncRNAs) between cells with REV infection or without in vitro were screened. Based on the differentially expressed protein-coding genes, the nucleotide-binding oligomerization domain (NOD)-like receptor pathway related to immune regulation was enriched. Two lncRNAs (L11530 and L09863) were predicted to target the NOD1 and tumor necrosis factor receptor-associated factor 5 (TRAF5) gene, respectively, which are involved in the NOD-like receptor pathway with cis-regulation way. The in vitro results revealed the significantly up-regulated (P<0.01) levels of lncRNA-L11530 and its target gene, NOD1, and the significantly down-regulated (P<0.05) levels of lncRNA-L09863 and its target gene, TRAF5, in lymphocytes after REV infection. These changes also occurred in vivo in blood lymphocytes of chickens infected with REV. Further, L09863 and L11530 were respectively interfered, the expression levels of their target genes NOD1 or TRAF5 were significantly down-regulated, accompanied by the change of IL-8 and IL-18 secretions in lymphocytes. The NOD-like receptor pathway appears to be important in the immune response to REV, LncRNA-11530 and IncRNA-09863 might involve in the immune regulation on REV infection by targeting NOD1 or TRAF5 in blood lymphocytes of chickens. Our findings reveal a new regulation of lncRNAs (L11530 and L09863) on immunity in chicken peripheral blood lymphocytes for REV infection by changing the expression of the target genes via the NOD-like receptor pathway.     

F17大肠杆菌在湖羊羔羊个体脾脏中LncRNA表达谱变化

【目的】通过筛选对大肠杆菌（E.coli）F17菌毛非腹泻型与腹泻型的绵羊脾脏中差异表达的lncRNA,来探究lncRNA对绵羊抗腹泻的作用。【方法】本研究通过对湖羊羔羊口服E.coli F17菌株获得非腹泻和腹泻型个体,利用羔羊肠道细菌计数、病理组织切片验证攻毒成功性;构建非腹泻组和腹泻组羔羊脾脏的cDNA文库,使用Illumina HiSeq 2500平台进行配对测序;通过Gene Ontology（GO）和KEGG Pathway富集分析对差异表达转录本功能描述和细胞通路分析,利用FPKM法估计lncRNA和mRNA转录物的表达水平,并用高通量测序技术RNA-seq筛选出非腹泻和腹泻个体脾脏中的差异表达lncRNA;然后利用荧光定量PCR技术检测了非腹泻组和腹泻组羔羊脾脏组织中DE lncRNA和DE mRNA的表达水平,来验证筛选的DE lncRNA在非腹泻组过程中发挥作用。【结果】羔羊口服E.coli F17菌株后,出现非腹泻和腹泻两种表型,腹泻组羔羊肠道中的细菌数量显著高于非腹泻组（P<0.05）,同时腹泻组羔羊空肠黏膜组织出现不同程度的损伤,色泽暗沉,小肠绒毛部分脱落。笔者利用RNA-seq在非腹泻和腹泻羔羊脾脏中筛选出34个差异表达的（DE）lncRNA,703个的DE mRNA,随机选择一共12个DE lncRNA和DE mRNA,用q-PCR验证它们在非腹泻型和腹泻型羔羊体内的相对表达水平,发现与RNA-seq结果一致。通过Gene Ontology（GO）和KEGG Pathway富集分析,将DE lncRNA与GO 数据库进行比对的结果表明一共有34条lncRNA被注释和分类到302个功能亚类中,绵羊蛋白质结合（GO：0005515）,细胞核（GO：0005634）,poly（A）RNA结合（GO：0044822）,细胞质（GO：0005737）,组织重塑（GO：0048771）,内肽酶活性的调节（GO：0052548））,6-磷酸果糖-2-激酶/果糖-2,6-双磷酸酶复合物（GO：0043540）,磷脂酰肌醇磷酸化（GO：0046854）,果糖-2,6-二磷酸2-磷酸酶活性（GO：0004331）,钙依赖性磷脂酶C活性（GO：0050429）等10 个功能亚类的lncRNA较多,而其余的功能亚类的lncRNA分布较少。将DE lncRNA与KEGG 通路数据库进行比对的结果表明,一共有34条lncRNA被注释和归类到149个KEGG 通路中,绵羊甲状腺激素信号通路（路径：ko04919）,Spliceosome（路径：ko03040）,白细胞跨内皮迁移（路径：ko04670）,神经营养因子信号通路（路径：ko04722）,溶酶体（路径：ko04142）,MAPK信号通路 - 途径（路径： ko04011）,鞘脂信号通路（路径：ko04071）,吞噬体（路径：ko04145）,氧化磷酸化（路径：ko00190）等9 个KEGG 通路的lncRNA较多,而其余的KEGG 通路的lncRNA分布较少。 通过lncRNA-mRNA相互作用网络分析,发现6个共表达基因：MYO1G、TIMM29、CARM1、ADGRB1、SEPT4、DESI2。【结论】探究了对于腹泻产生非腹泻和腹泻型羔羊脾脏中lncRNA的表达谱,发现了非腹泻和腹泻羔羊脾脏中差异表达的lncRNA,有助于找出羔羊如何抵抗腹泻的发生机制,为羔羊抵抗腹泻提供科学的依据。     

干扰lnc23后牛骨骼肌卫星细胞转录组测序的生物信息学分析

试验旨在分析lnc23在调控牛骨骼肌卫星细胞分化过程中转录组水平的变化,筛选出可能参与调节骨骼肌卫星细胞生长的调控通路及相关mRNAs。采用第二代测序技术（next-generation sequencing,NGS）基于Illumia hiSeq测序平台对成功构建的lnc23抑制模型及相应对照组的牛骨骼肌卫星细胞进行转录组测序,将数据整理、过滤及评估后,通过生物信息学方法分析样品间基因转录差异表达,对这些差异基因进行GO和KEGG富集分析,并应用实时荧光定量PCR技术对转录组数据结果进行验证。结果显示,转录组测序共鉴定到19 358个基因,筛选到1 297个差异表达基因,其中上调856个,下调441个。差异基因的GO功能分析共包括细胞组分、分子功能和生物学过程3大类222个分支,其中有大量的差异基因与催化活性、分子功能调节、信号转导、生物黏附、新陈代谢相关。KEGG分析显示,差异基因共涉及190个通路,显著富集在PI3K-Akt、P53、TNF、RIG-Ⅰ样受体、神经活性配体受体互作、细胞因子互作等信号通路上,进一步从中筛选出可能参与细胞生长、肌肉发育过程的差异基因,如CCNA2、RRM2、IL-6、MYL2等。实时荧光定量PCR结果显示,所选的11个差异基因中有9个与转录组测序结果变化一致,表明了测序结果的可靠性。本试验完成了干扰lnc23及其对照后牛骨骼肌卫星细胞的转录组测序分析,获取差异基因的功能注释信息,初步揭示lnc23调控牛骨骼肌卫星细胞分化的潜在基因和通路,为深入探究lnc23调控牛骨骼肌卫星细胞的分化机制打下良好的基础。     

长链非编码 RNA 在园艺植物中的研究进展

长链非编码 RNA（Long non-coding RNA,lncRNA）是广泛存在于植物基因组中的一种 RNA,其在植物多种调控过程中起着至关重要的作用。lncRNA 是指核苷酸长度大于 200 nt 且不具备或几乎不具备蛋白编码能力的 RNA,植物 lncRNA 大多由 RNA 聚合酶Ⅱ转录而来,主要由基因结构变异、基因复制、染色体重组或转座子插入等方式产生。植物 lncRNA 种类繁多,根据其产生的相对位置及作用形式可以分为不同种类。lncRNA的结构与 mRNA 相似,具有帽子和 poly（A）结构及可折叠性,但其转录本比 mRNA 长,转录丰度低,表达特异性极高,且保守性低。园艺植物 lncRNA 的作用机制复杂,可以在转录前后、翻译前后以及表观遗传等方面发挥作用,主要通过顺反式调控邻近基因转录、作为 miRNA 前体或内源性靶标模拟物、与转录因子相互作用、调整 mRNA 可变剪接、调整蛋白重定位及参与染色质重塑等方式发挥作用。园艺植物与人类生活密切相关,园艺植物的研究是农业发展的重要组成部分。随着测序技术的不断发展,植物 lncRNA 的研究也从拟南芥等模式植物拓展到园艺植物,不同种类及数量的 lncRNA 在园艺植物中被鉴定,并被发现参与种子萌发、生殖生长等生长发育过程,以及病虫害等生物胁迫和高温、冷害、干旱、盐分等非生物胁迫的响应等多种调控作用。本文综述了近年来 lncRNA 在园艺植物中的研究进展,概述了园艺植物 lncRNA 的产生、特点、分类、作用机制以及目前园艺植物中所鉴定到的 lncRNA 及其主要生物学功能,并对未来园艺植物 lncRNA 的研究方向提出展望,以期对园艺植物中 lncRNA 的深入研究提供参考及基础。     

长链非编码RNA及其在畜禽生长调控中的研究进展

长链非编码RNA(long non-coding RNA,lncRNA)是一类长度大于200个核苷酸、没有编码蛋白能力的RNA,通常被认为是一类异构体RNA。近年来,越来越多的研究表明,lncRNA在许多重要的生物作用及人类疾病发展中起关键作用。lncRNA作为调节因子参与基因表达调控的各个层次,在表观遗传、转录调控及转录后调控等方面有着广泛功能。研究结果已表明,lncRNA表达水平的紊乱与人类各种癌症及其他疾病有很大的关系。作为基因调控网络的调控因子,lncRNA被越来越多的研究者所关注。相较于人类医学,lncRNA在畜禽上的研究尚处于起步阶段。作者对lncRNA的特点、分类、作用机制、研究方法及其在畜禽生长调控方面的研究进展进行了综述,并对其在畜禽养殖中的应用进行了展望,以期为lncRNA在畜禽生长调控方面开展深入研究提供理论基础。