果蝇应激响应中转座子与基因表达的纬度差异及其适应性演化意义

本研究针对果蝇自然种群对环境胁迫的响应机制，通过比较温带和热带地区的D. melanogaster和D. simulans种群，系统分析了饥饿和冷胁迫对表型、转录组及转座元件（TEs）表达的影响。研究发现两种胁迫并未引起TEs的广泛激活，但鉴定出三个产生嵌合转录本的多态性TEs与邻近基因表达变化相关。该研究揭示了胁迫-TE互作的复杂性，为理解生物适应性进化提供了重要分子证据。

在自然界中，生物体需要不断应对各种环境胁迫才能生存和繁衍。作为遗传学研究的模式生物，果蝇在不同地理种群中展现出丰富的遗传多样性，这为研究局部适应和进化提供了理想体系。特别是温带和热带地区的果蝇种群，由于经历截然不同的气候条件，在应对饥饿和寒冷等常见胁迫时可能演化出不同的适应策略。然而，目前关于这些自然种群在转录组水平如何响应胁迫，以及转座元件（transposable elements, TEs）在这一过程中扮演何种角色，仍然存在许多未知。

转座元件是基因组中能够移动的重复序列，被称为"跳跃基因"，它们在应激反应中可能发挥重要作用。当生物体面临胁迫时，TE沉默机制可能被破坏，导致TE激活并可能诱导基因组不稳定性。这些变化可能对基因组产生中性、有害甚至有益的影响。应激激活的TEs可以作为原始遗传物质来源，用于产生新基因或传播调控元件，从而重新连接应激反应网络。然而，胁迫与TEs之间的关系十分复杂，TEs并非总是被胁迫激活，在果蝇中关于氧化胁迫、病毒感染和电离辐射等条件下的TE激活和抑制都有报道。

为了解决这些科学问题，Merenciano等研究人员在《Mobile DNA》杂志上发表了最新研究成果。他们通过对来自温带（法国）和热带（巴西）地区的D. melanogaster和D. simulans自然种群进行系统研究，探索了饥饿和冷胁迫对表型和转录组响应的影响，特别关注了TEs在这些胁迫类型中的行为和作用。

研究人员采用了多种实验技术方法开展本研究。他们首先建立了9个D. melanogaster和9个D. simulans的近交系，这些品系来自法国和巴西的自然种群，通过30代的兄妹交配获得。表型分析包括饥饿生存实验和冷昏迷恢复时间（chill coma recovery time, CCRT）测定。转录组分析使用RNA-seq技术对卵巢组织进行测序，同时通过ChIP-seq分析组蛋白修饰（H3K4me3和H3K9me3）。TE表达分析使用TEtools软件，基因-TE嵌合转录本检测使用ChimeraTE流程。此外还进行了小RNA测序分析piRNA表达。

自然表型变异性分析显示种群特异性胁迫响应

研究发现，在D. melanogaster中，饥饿抵抗性在种群间无显著差异，但品系、性别及其交互作用效应显著。雌性比雄性更抗饥饿，平均寿命在饥饿条件下雄性为25.8-57.2小时，雌性为36.9-73.5小时。相比之下，在D. simulans中，种群起源有显著影响，温带种群比热带种群更抗饥饿。对于冷胁迫，两个物种都显示温带品系更抗冷，D. melanogaster的CCRT值在雄性中为45.0-79.2分钟，雌性中为42.9-67.4分钟；D. simulans的雄性为57.7-91.0分钟，雌性为57.0-78.3分钟。

转录组响应揭示物种特异性胁迫应答模式

在D. melanogaster中，饥饿胁迫下的转录组响应在不同地理起源间相似，而与表型性能更相关。主成分分析显示PC1（50%方差）按表型响应分组，PC2（27%方差）按种群分组。差异表达基因（differentially expressed genes, DEGs）数量从52到686个（0.29-3.86%总基因），下调基因多于上调基因。而在D. simulans中，转录组响应在种群间显示更多变异，巴西热带品系有更多DEGs（19-278个，0.12-1.80%总基因）。

对于冷胁迫，D. melanogaster显示更多DEGs（414-1,060个），响应倾向于上调。两个物种的转录组响应都显示品系特异性，D. melanogaster中51%的上调基因和79%的下调基因为品系特异性；D. simulans中69%的上调和96%的下调基因为品系特异性。

TE插入 near DEGs 分析显示有限关联

通过置换检验发现，在饥饿条件下，TE插入在DEGs附近既未富集也未缺失，除了D. melanogaster温带品系dmgoth101中TE插入在上调基因附近富集，在下调基因附近缺失。冷处理后，D. melanogaster热带品系和D. simulans热带品系中上调基因附近TE插入缺失，表明TE与DEGs关联有限。

胁迫未引起广泛TE激活

研究表明，饥饿或冷胁迫未引起两个物种中TEs的广泛激活。在饥饿条件下，D. melanogaster中只有dmgoth101有13个TE家族上调，dmsj7有1个TE家族下调；D. simulans中个别品系有少量TE家族表达变化。冷胁迫引起更多TE表达变化但仍非广泛激活，D. melanogaster中0-14个TE家族上调，1-13个下调；D. simulans中0-6个上调，0-24个下调。TE RNA与piRNA计数在冷胁迫下无显著相关。

冷胁迫与TE侧翼区域染色质变化相关

ChIP-seq分析显示，在TE侧翼2 kb区域，H3K9me3（抑制性标记）整体富集，H3K4me3（开放性标记）整体缺失，这与TE沉默表观遗传机制一致。冷胁迫导致TE拷贝水平染色质调制，在完整长度（full-length, FL）TE插入中也观察到类似模式，少数FL插入在上游侧翼区域富集H3K4me3（特别是DNA元件），而LINEs和LTRs缺失。

TE-嵌合转录本数量不受胁迫影响

研究发现胁迫未显著增加TE-嵌合转录本的生成。D. melanogaster中控制条件下平均291个，饥饿下331个，冷胁迫下290个；D. simulans中控制条件下252个，饥饿下248个，冷胁迫下254个。大多数TE-嵌合转录本在所有实验条件下都存在，roo家族在两个物种和所有条件中嵌合转录本频率最高。

特定TE-嵌合转录本与基因表达变化相关

尽管整体上TE-嵌合转录本不受胁迫影响，但鉴定出三个与基因表达变化相关的多态性TE：D. melanogaster中Paris基因上游的Burdock插入（仅温带品系）和Sulf1基因内含子中的Micropia插入（仅温带品系），以及D. simulans中GD24271基因上游的G5A插入。这些TE-嵌合转录本仅在产生它们的品系中与基因上调表达相关，表明嵌合体形成可能与基因表达升高相关。

本研究通过对果蝇自然种群的系统分析，揭示了胁迫响应中基因表达和TE调控的复杂模式。研究发现温带和热带种群在表型和转录组响应上存在差异，但这种差异模式在物种间不尽相同。特别重要的是，胁迫并未引起TEs的广泛激活，挑战了关于胁迫普遍激活TEs的假设。然而，研究鉴定出的几个多态性TE产生嵌合转录本并与基因表达变化相关，为理解TE如何贡献于转录组多样性和潜在适应机制提供了具体案例。

这些发现强调了遗传背景和环境背景在塑造TE对应激响应中的重要性，TE调控对应激的可塑性可能促进快速基因组响应环境挑战。研究为理解生物如何通过遗传和表观遗传机制适应不同环境条件提供了重要见解，特别是在全球气候变化背景下，理解物种如何应对环境胁迫具有重要科学意义。该研究不仅增进了我们对果蝇生物学认识，也为其他生物的适应性进化研究提供了参考框架。