康乐院士PLOS发表miRNA重要成果

　　

生物通报道：近期，来自山西大学、中科院动物研究所和中科院北京生命科学研究院的研究人员，在国际著名遗传学期刊《PLOS Genetics》在线刊登了题为“miR-71 and miR-263 Jointly Regulate Target Genes Chitin synthase and Chitinase to Control Locust Molting”的研究成果。这项研究的结果表明，在蝗虫中，两个miRNA可能在CHS1和CHT10介导的蜕皮过程调控中，发挥重要作用。中科院动物研究所的康乐院士和山西大学的张建珍博士，是本文的共同通讯作者。延伸阅读：康乐院士PNAS发布miRNA研究重要发现；康乐院士Nature子刊发布基因组研究新成果。

蜕皮是昆虫生长和发育的一个关键过程。几丁质（Chitin），作为表皮的角质层的一个重要组成部分，在维持形态和蜕皮过程中起着关键性的作用。由于几丁质在植物和脊椎动物中是不存在的，昆虫的生长和发育严格依赖于几丁质的生物合成和降解，因此，几丁质代谢是开发安全有效的杀虫剂的一个有吸引力的靶标。

飞蝗Locusta migratoria是一种世界性的害虫，在其生命周期经过五个蜕皮阶段。几丁质介导的蜕皮过程被认为取决于两个关键基因——几丁质合成酶（CHS）和几丁质酶（CHT），它们都是由蜕皮激素20 -hydroxyecdysone（20E）和保幼激素调节的。在昆虫中，几丁质合成酶是几丁质合成的关键调节酶，并且是杀虫剂的一个特定靶标。

从飞蝗克隆的LmCHS1基因，在蜕皮期在表皮中是特异表达的。LmCHS1基因敲除可增加非蜕皮和异常蜕皮若虫的数量。然而，另一个旁系同源基因LmCHS2有助于围食膜基质相关的几丁质生物合成。此外，几丁质酶是几丁质糖苷键降解所需的水解酶。在所有的发展阶段，TcCHT10可防止幼虫蜕皮，并在蜕皮过程中起着至关重要的作用；其他旁系同源基因，CHT5和CHT7，仅在成虫中防止蜕皮和翅膀正常折叠。CHS1和CHT10在蝗虫中的一个有趣特点是，在每一个若虫阶段结束时（蜕皮前）转录水平突然增加和减少，表明这两个关键酶在蜕皮过程中有可能是被精确调节的。然而，酶依赖性的几丁质代谢和蜕皮过程，其背后的分子调控机制，仍不明确。

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microRNA（miRNA）是小的非编码调控RNAs，已成为多个生物过程中基因表达的关键转录后调节因子，因为它们可以通过与靶基因的3’UTRs进行较低的互补碱基配对，而直接引起翻译抑制或mRNA的的降解。然而，最近的研究表明，在动物或昆虫中，miRNAs可广泛地靶定mRNA的的蛋白编码区。许多研究表明，miRNAs严重影响昆虫的蜕皮，从而导致蜕皮缺陷表型。例如，mir-8-5p和mir-2a-3p可负向调节几丁质生物合成途径中的膜结合海藻糖酶和乙酰葡糖胺磷酸变位酶，从而在半翅目昆虫褐飞虱中造成显著减少的存活率，连同蜕皮缺陷表型。

几个不同的miRNA在昆虫变形的调控中发挥作用。Mir-2的缺失可上调kr-h1 mRNA，从而导致受损的变形。此外，在果蝇中，let-7和miR-125突变体可诱导特定变形过程的时间错误调节。在飞蝗中，该研究小组曾报道，抑制Dicer-1——催化miRNA生物合成最后一步的酶，可诱导蜕皮的缺陷。结果表明，miRNAs对于调节蝗虫的蜕皮过程，起着至关重要的作用。然而，在蜕皮过程中miRNA如何影响转录后修饰，根本机制仍然尚未完全阐明。

在许多昆虫中，CHS1和CHT10是平衡几丁质代谢的至关重要的蜕皮依赖酶，所以，该研究小组选择了CHT10和CHS1作为候选基因。他们推测，miRNA可能在CHS1和CHT10介导的蜕皮过程调控中，发挥重要作用。在这项研究中，他们进行了小RNA转录组测序，来鉴定蝗虫体壁中表达的miRNAs。研究人员发现，体壁表达的mir-71和mir-263，直接靶定两个关键基因CHS1和CHT10，并在蜕皮过程中调节着几丁质的生产，从而导致飞蝗的成功蜕皮。这些研究结果揭示了一种分子机制，miRNA通过这种机制，对于平衡CHT10和CHS1依赖性的几丁质代谢调控，发挥重要的作用。

（生物通：王英）

注：康乐 男，博士，研究员，中国科学院院士，发展中国家科学院院士，我国著名生态学家和昆虫学家。现任中国科学院动物研究所所长、中国科学院北京生命科学研究院院长、中国科学院大学生命科学院院长，中国科学院大学学位委员会副主任。长期从事生态基因组学研究，是国际上生态基因学研究的领衔科学家。他将分子生物学与生态学结合，系统研究昆虫适应性和表型可塑性。重要代表性成果发表在Science, Nature communication, PNAS, Annual Review of Entomology, PLoS Genetics, PLoS Pathogens, Genome Biology等国际著名刊物。SCI论文总计被国际学术期刊引用2900余次。是国家“973”项目首席科学家，国家基金委创新团队学术带头人，也是国际上几个重要学术期刊的主编和编委。

张建珍，女，1971年9月生，山西五台人，教授，博士生导师。1997年在江苏扬州大学获得硕士学位，同年毕业分配到山西大学任教。2001年考取山西大学博士研究生，2006年获得博士学位。2004年赴美国堪萨斯州立大学开展一年半的科研合作，主要从事昆虫分子生物学及毒理学方面的研究。2007年获得国家留学基金委的全额资助，2008年再次赴美国堪萨斯州立大学从事博士后研究，于2009年6月回国。其间在按蚊几丁质代谢酶的系统命名和生物学功能方面做出突出贡献，部分研究成果已在国际知名学术刊物PLoS ONE，Insect Biochemistry and Molecular Biology发表。

生物通推荐原文摘要：
miR-71 and miR-263 Jointly Regulate Target Genes Chitin synthase and Chitinase to Control Locust Molting
Abstract: Chitin synthase and chitinase play crucial roles in chitin biosynthesis and degradation during insect molting. Silencing of Dicer-1 results in reduced levels of mature miRNAs and severely blocks molting in the migratory locust. However, the regulatory mechanism of miRNAs in the molting process of locusts has remained elusive. In this study, we found that in chitin metabolism, two crucial enzymes, chitin synthase (CHS) and chitinase (CHT) were regulated by miR-71 and miR-263 during nymph molting. The coding sequence of CHS1 and the 3’-untranslated region of CHT10 contain functional binding sites for miR-71 and miR-263, respectively. miR-71/miR-263 displayed cellular co-localization with their target genes in epidermal cells and directly interacted with CHS1 and CHT10 in the locust integument, respectively. Injections of miR-71 and miR-263 agomirs suppressed the expression of CHS1 and CHT10, which consequently altered chitin production of new and old cuticles and resulted in a molting-defective phenotype in locusts. Unexpectedly, reduced expression of miR-71 and miR-263 increased CHS1 and CHT10 mRNA expression and led to molting defects similar to those induced by miRNA delivery. This study reveals a novel function and balancing modulation pattern of two miRNAs in chitin biosynthesis and degradation, and it provides insight into the underlying molecular mechanisms of the molting process in locusts.