缓步动物Dicer基因家族的谱系特异性扩增揭示RNAi通路进化新机制

本研究针对缓步动物门中RNA干扰(RNAi)关键蛋白Dicer的进化机制尚未明晰的问题，通过比较基因组学方法对10种缓步动物开展系统研究。研究人员发现缓步动物存在2-4个Dicer基因拷贝，证实其与节肢动物Dicer-2同源的古老重复事件，并揭示多个谱系特异性扩增。该研究通过系统发育分析和蛋白结构预测，证实tDicer基因在解旋酶结构域出现功能分化，为RNAi通路进化提供了重要见解。

　　

在生命进化史上，RNA干扰(RNAi)作为一种古老的基因调控机制，在真核生物中扮演着关键角色。其中Dicer蛋白作为RNAi通路的起始者，能够识别并切割双链RNA(dsRNA)，产生小干扰RNA(siRNA)和微小RNA(miRNA)，分别参与抗病毒免疫和基因表达调控。尽管Dicer蛋白在多个物种中被广泛研究，但整个缓步动物门（俗称水熊虫）中Dicer基因的存在情况和多样性仍然是个谜团。缓步动物作为节肢动物的近亲，具有惊人的环境适应能力，能够通过隐生状态(cryptobiosis)在极端条件下存活，这使得研究其RNAi机制具有特殊意义。

为揭示缓步动物Dicer基因的进化历程，Weinberg等研究人员在《BMC Genomics》上发表了最新研究成果。研究团队通过对10种缓步动物（包括8个真缓步纲和2个异缓步纲物种）的比较基因组分析，发现了令人惊讶的Dicer基因家族扩增现象。

研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：从NCBI和Ensembl数据库获取10种缓步动物的基因组和转录组数据；使用MAFFT进行多序列比对和IQ-TREE 2进行最大似然法系统发育分析；通过保守结构域(CDD)搜索鉴定蛋白功能域；利用AlphaFold2预测蛋白三维结构；基于RNA-seq数据分析基因表达模式。样本包括Hypsibius exemplaris、Ramazzottius varieornatus等多个缓步动物物种。

缓步动物具有多个Dicer基因

研究结果显示，所有调查的缓步动物都含有多个Dicer基因拷贝。六个物种拥有三个拷贝，而Richtersius cf. coronifer、Milnesium tardigradum和两个异缓步纲物种（Echiniscoides cf. sigismundi和Echiniscus testudo）则拥有四个推定拷贝。在有基因组组装的物种中，这些基因位于不同染色体位置，表明它们是独立的基因座而非等位基因变异。

缓步动物中Dicer的谱系特异性复制

系统发育分析将缓步动物Dicer分为五个组（tDicer1-tDicer5）。tDicer1与线虫Dicer形成姐妹群，而tDicer2-5则与节肢动物Dicer-2、动吻动物和扁形动物Dicer形成另一个主要分支，支持率高达99%。这表明缓步动物与节肢动物共享一个古老的Dicer重复事件，随后缓步动物内部又发生了多次谱系特异性重复。

缓步动物Dicer包含保守蛋白结构域

结构域分析显示，大多数缓步动物Dicer含有典型的保守结构域，包括解旋酶(helicase)、PAZ(Piwi Argonaute Zwille)和两个RNase III结构域。然而也有一些例外，如Paramacrobiotus richtersi的tDicer1和tDicer2缺少解旋酶结构域，某些异缓步纲Dicer则缺少多个结构域，这可能与转录组数据的不完整性有关。

Dicer结构域序列的系统发育关系

对不同结构域（解旋酶、PAZ和RNase III）分别进行系统发育分析发现，各结构域的进化关系与全长Dicer的系统发育树基本一致，但存在一些域间差异。解旋酶结构域的系统发育树显示tDicer1与节肢动物Dicer-1形成一支（支持率87%），而tDicer3不是单系群，表明解旋酶结构域可能经历了不同的进化压力。

tDicer3解旋酶结构呈现高度异质性

通过AlphaFold2对解旋酶结构域进行三维结构预测和比较，发现tDicer3拷贝间存在显著的结构异质性。RMSD（均方根偏差）矩阵显示，tDicer2与部分tDicer3解旋酶结构相似，而其他tDicer3解旋酶则与线虫Dicer和节肢动物Dcr-2结构更为相似。这种结构差异可能意味着tDicer基因在重复后发生了功能分化，特别是在dsRNA结合特异性方面。

H.exemplaris和R.varieornatus中dicer基因在发育过程中表达

基因表达分析显示，H. exemplaris中三个dicer基因在产卵后前三天的卵中表达最高，在隐生状态(tun)中也高表达。而在R. varieornatus中，tDicer1和tDicer2在成熟成虫中表达最高，tDicer3则在早期发育阶段和成虫中高表达。这表明不同缓步动物物种中dicer基因可能具有不同的调控模式和功能。

研究结论表明，缓步动物经历了谱系特异性的Dicer基因家族扩增，首次重复事件与节肢动物Dicer-2的起源共享，随后又发生了多次独立的谱系特异性重复。所有研究的缓步动物物种至少含有三个不同的Dicer拷贝，这些拷贝在序列和结构上出现分化，特别是在解旋酶结构域，提示可能的功能分化。这些发现为了解缓步动物Dicer基因的谱系特异性重复和多样化提供了新视角。

该研究的重要意义在于首次系统揭示了缓步动物门中Dicer基因家族的进化历程，证实了缓步动物与节肢动物共享一个古老的Dicer重复事件，为理解RNAi通路的进化提供了重要证据。研究发现的谱系特异性扩增和结构分化现象，为后续研究缓步动物极端环境适应机制提供了新方向，特别是这些不同Dicer拷贝在抗病毒防御和基因调控中可能扮演的特殊角色。未来研究可通过表征缓步动物在不同发育阶段或隐生状态下的各种小RNA，来更好地理解多个Dicer拷贝的功能分工。