在生物入侵过程中，DNA甲基化和microRNA（miRNA）在环境压力下调控基因表达中的互补作用

《Evolutionary Applications》：Complementary Roles of DNA Methylation and miRNA in Regulating Gene Expression Under Environmental Stress in Biological Invasions

The study investigates the interplay between miRNAs and DNA methylation in the invasive ascidian Ciona robusta under repeated salinity stress, revealing their complementary roles in regulating osmotic homeostasis through distinct genomic regions and mechanisms.摘要

　　生物入侵对全球生物多样性和生态系统稳定性构成了重大威胁，这种现象不仅造成了巨大的经济损失，还可能破坏生态系统的平衡，并对人类健康产生潜在风险。近年来，随着人类活动的加剧，海洋生态系统尤为脆弱，尤其是在人为压力和环境变化的影响下。尽管各国在生物入侵管理方面投入了大量资源，但实际效果往往并不理想。这种“高强度干预但效果有限”的现象，主要源于我们对生物入侵过程中生态与进化机制理解的不足，尤其是那些驱动入侵成功的关键机制。

在生物入侵过程中，入侵物种常常面临快速且反复的环境波动，这些波动可能威胁其生存并限制其扩散范围。因此，快速且有效的应对机制成为入侵成功的重要因素，特别是在入侵初期的定殖和扩散阶段。在这些适应性机制中，表观遗传调控机制，如表观遗传修饰和非编码RNA调控，能够增强生物在压力环境下的适应能力。相较于缓慢的进化过程，如自然选择，这些表观遗传机制可以提供更快、更灵活的响应方式。例如，miRNA（微小RNA）和DNA甲基化这两种表观遗传调控手段，已被证实可以迅速调整生物对环境挑战的反应。在一些物种中，DNA甲基化可以调控与水分运输、能量代谢和脂质代谢相关的基因，从而促进其入侵能力。而miRNA则通过调控应激反应基因，如富含亮氨酸的重复受体样激酶基因，帮助物种成功入侵。

miRNA作为转录后调控的重要因子，在基因表达调控网络中扮演关键角色。它们通常通过结合目标mRNA的3′非翻译区（UTR）来调节基因表达，从而实现对蛋白质合成的精细控制。然而，随着研究的深入，科学家发现miRNA的调控作用并不仅限于3′UTR，还可以作用于5′UTR和编码序列（CDS），并且在某些情况下还能促进基因表达。这种多样化的调控模式使得miRNA能够在不同的生理过程中发挥协调作用，从而帮助生物在面对环境压力时保持稳态。此外，DNA甲基化作为一种表观遗传调控机制，能够通过改变基因启动子或基因体区域的甲基化状态，影响基因的表达。在一些研究中，DNA甲基化在短时间内（如1小时内）就能发生显著变化，从而快速调整基因表达水平。这种快速响应能力使其成为调控应激相关基因表达的重要工具。

尽管miRNA和DNA甲基化在调控基因表达方面都具有重要作用，但它们之间的相互作用仍是一个研究热点。已有研究表明，这两种表观遗传机制在某些物种中存在功能性关联。例如，在人类和小鼠中，DNA甲基化较强的基因往往具有较少的miRNA结合位点，而被miRNA调控的基因通常表现出较低的甲基化水平，这种现象暗示了它们之间的互补性。而在牛的骨骼肌中，miRNA的结合似乎促进了DNA甲基化的发生，表明不同物种之间可能存在不同的调控关系。这些发现表明，miRNA与DNA甲基化的相互作用可能是物种特异性的，其调控模式需要进一步探索。

为了更全面地理解miRNA和DNA甲基化在生物入侵过程中的作用，研究者选择了一个理想的模型物种——*Ciona robusta*。这种海洋无脊椎动物原产于西北太平洋，但已在全球范围内扩散。其基因组较小、序列完整，且具有高度的入侵能力和环境适应性，使其成为研究入侵生物学的理想对象。此前的研究已经表明，*C. robusta*在面对环境压力时，会通过基因表达、DNA甲基化和miRNA调控等机制进行快速反应。特别是在应激条件下，miRNA调控了与自由氨基酸代谢和离子运输相关的基因，帮助其维持渗透平衡。这种多层调控模式表明，*Ciona*的表观遗传调控机制在应对环境压力方面具有高度的灵活性和效率。

在本研究中，我们模拟了* C. robusta*在入侵过程中可能遇到的高盐度环境压力，并利用实验室控制的实验系统，整合了转录组、miRNA组和DNA甲基化数据。通过这种方式，我们能够全面分析该物种在面对反复的高盐度压力时的基因表达变化及其表观遗传调控机制。研究结果表明，miRNA和DNA甲基化在调控基因表达方面具有不同的作用方式和互补性。例如，miRNA在调控基因表达方面表现得更为广泛和灵活，而DNA甲基化则在特定基因上起着更为选择性的调控作用。此外，miRNA和DNA甲基化在某些基因上表现出协同调控，这种协同作用可能通过不同的基因区域实现，从而增强对环境压力的适应能力。

值得注意的是，miRNA调控的基因往往表现出更低的DNA甲基化水平，这表明这两种表观遗传机制之间可能存在进化上的结构互补性。这种互补性不仅有助于调控基因表达，还可能促进生物在环境压力下的快速适应。此外，我们通过排列检验发现，双重调控现象并非随机事件，而是具有一定的生物学意义。然而，miRNA和DNA甲基化并没有集中在有限的应激相关通路上，而是通过调控多个功能领域，实现了互补的基因表达调控。尽管双重调控并未直接放大基因表达的变化，但其在多个调控层次和基因区域上的协同作用，为生物在环境压力下的快速适应提供了新的视角。

研究还发现，miRNA和DNA甲基化在调控不同基因时，其作用区域存在显著差异。例如，miRNA通常结合在基因的3′UTR或CDS区域，而DNA甲基化则主要发生在启动子或基因体区域。这种空间上的调控差异可能有助于实现更精细的基因表达调控，从而增强生物对环境变化的适应能力。此外，一些基因在miRNA和DNA甲基化双重调控下表现出特定的调控模式，这可能为理解表观遗传调控的复杂性提供了新的线索。

从功能角度来看，miRNA和DNA甲基化在基因表达调控中扮演着不同的角色。miRNA主要通过其结合位点对基因表达进行调控，而DNA甲基化则通过改变基因的甲基化状态来影响其活性。在某些情况下，miRNA和DNA甲基化可能会相互作用，例如miRNA可以调控DNA甲基化相关基因，如*Methyl-CpG Binding Domain Protein 2 (MBD2)*，从而间接影响DNA甲基化水平。同样，DNA甲基化也可以影响miRNA的生物合成相关基因，如*Dicer*和*Drosha*，从而调节miRNA的丰度。尽管本研究未发现直接的调控证据，但这种潜在的相互作用可能为理解表观遗传调控的复杂网络提供了新的思路。

此外，miRNA和DNA甲基化在调控基因表达时，其调控模式具有一定的动态性。例如，在高盐度压力下，miRNA调控的基因表现出多样化的表达模式，这可能反映了其在不同生理过程中的调控灵活性。同样，DNA甲基化水平在不同时间点表现出变化，这表明该机制在应激反应中具有重要的动态调控作用。这些动态变化可能帮助生物在环境压力下实现更高效的适应，从而增强其入侵能力。

综上所述，本研究揭示了miRNA和DNA甲基化在调控基因表达中的复杂相互作用。miRNA通过广泛的结合位点调控基因表达，而DNA甲基化则在特定基因上发挥选择性调控作用。两者在某些基因上表现出协同调控，这可能为生物在环境压力下的快速适应提供了重要的调控基础。同时，miRNA调控的基因往往表现出较低的DNA甲基化水平，这可能反映了它们在进化过程中形成的结构互补性。此外，miRNA和DNA甲基化并未集中于特定的应激通路，而是通过调控多个功能领域，实现了互补的基因表达调控。这种多层调控模式不仅有助于生物快速适应环境变化，还可能为理解表观遗传调控在生物入侵中的作用提供了新的视角。

然而，尽管miRNA和DNA甲基化在基因表达调控中表现出互补性，但它们的作用机制仍需进一步研究。例如，miRNA的调控作用可能涉及不同的基因区域，而DNA甲基化的调控作用则可能受到多种因素的影响。此外，miRNA和DNA甲基化之间的相互作用可能不仅仅局限于直接的调控，还可能通过更复杂的分子机制实现。因此，未来的研究应进一步探索这两种表观遗传机制在不同环境压力下的具体作用方式，以及它们如何共同影响生物的适应性。

在实际应用中，理解miRNA和DNA甲基化的调控机制对于制定有效的生物入侵管理策略具有重要意义。这些表观遗传调控手段可能为生物提供快速的适应能力，使其能够在不同环境中生存和扩散。因此，针对这些机制的调控干预可能有助于限制入侵物种的扩散，从而减少其对生态系统的影响。同时，这些发现也为研究生物的表观遗传适应性提供了新的方向，有助于揭示生物在面对环境变化时的调控策略。

总之，miRNA和DNA甲基化在调控基因表达方面表现出复杂的相互作用。它们不仅在不同基因区域上发挥调控作用，还在不同生理过程中展现出互补性。这种多层调控机制可能为生物在环境压力下的快速适应提供了关键支持。然而，进一步的研究仍需结合实验验证和功能分析，以更全面地揭示这些调控机制在生物入侵中的具体作用。未来的研究可以借助更先进的技术手段，如定量PCR、亚硫酸盐测序和报告基因实验，来深入探讨miRNA和DNA甲基化在基因表达调控中的因果关系，从而更好地理解它们在生物入侵中的重要性。