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为探究高原缺氧适应的遗传机制,研究人员对云南三种海拔分布不同的猪种(DSE、BS、DT)进行研究。利用 PacBio Iso-Seq 技术获得转录组,发现大量新转录本等,还确定五个肌动蛋白结合基因,为研究高原缺氧适应遗传机制提供资源。
在神秘的高原地区,生命面临着缺氧的严峻挑战。对于长期生活在高原的人类以及其他高原动物而言,它们究竟是如何适应这种缺氧环境的呢?这一问题一直是生命科学领域的研究热点。目前,虽然对高原适应的研究取得了一些进展,但其中的遗传机制仍如同隐藏在迷雾之中,尚未完全明晰。
在我国云南,独特的地理环境为解开这一谜团提供了绝佳的研究样本。云南地势起伏巨大,海拔跨度从 76 米到 6740 米,气候多样,生物多样性极为丰富。这里分布着三种不同海拔的本土猪种:生活在西双版纳自治州、海拔约 500 米的滇南小耳猪(Diannan small-ear pigs,DSE),它具有耐热的特性;来自保山市、海拔约 1500 米的保山猪(Baoshan pigs,BS),以高环境适应性著称;还有迪庆藏族自治州、海拔约 3200 米的迪庆藏猪(Diqing Tibetan pigs,DT),能很好地适应缺氧和低温环境。
为了深入探究高原缺氧适应的遗传机制,云南农业大学等多家研究机构的研究人员展开了一项极具意义的研究。他们针对这三种猪种,利用 PacBio Iso-Seq 技术,对心脏、肾脏、肝脏、肺和脾脏这五个组织进行研究,构建了与海拔相关的高质量转录组。
研究人员发现了 51774 个转录本,其中 34813 个是新转录本。通过加权基因共表达网络分析(Weighted gene coexpression network analysis,WGCNA),确定了五个肌动蛋白结合基因,分别是 FHOD3、TNNC1、ACTN2、PDLIM5和 TNNI3 。此外,还识别出 74843 个替代剪接(Alternative Splicing,AS)事件,涉及 10686 个 AS 基因。这些研究成果发表在《Scientific Data》上,为后续研究高原缺氧适应的遗传机制提供了重要的数据支持,也为遗传学、进化生物学和环境适应等领域的研究奠定了坚实基础。
在研究过程中,研究人员主要运用了以下关键技术方法:首先是样本采集,从三个不同的养殖地点获取三种猪 12 月龄时的心脏、肾脏等五个组织样本。然后利用 PacBio Iso-Seq 技术进行长读长测序,同时进行短读长 RNA 测序。对测序数据进行处理,如利用 SMRTLink 工具处理 PacBio subreads 生成高质量全长转录本序列,使用多种软件进行数据的分析、筛选和注释等。
研究结果如下:
- 转录本和异构体特征:通过严格的数据处理和分析流程,获得大量转录本,并对异构体进行分类。其中新转录本占比较大,样本聚类显示组织能独立分组,异构体读长峰值约为 3Kb,且外显子数量与异构体数量呈正相关。
- 编码与非编码异构体分析:编码异构体的丰度显著低于非编码异构体。新异构体在编码和非编码类别中均占主导,新非编码异构体多为 NNC 型且以正义异构体为主,异构体的外显子数量和长度分布在不同类别中有相似模式,且在染色体上分布均匀。
- 测序数据质量评估:长读长测序获得高质量数据,映射率高,多种指标表明数据可靠。短读长测序也生成大量高质量清洁读段,TIN 评分良好,大部分读段能映射到基因上,主成分分析和样本聚类显示组织间差异明显,Iso-Seq 和 RNA-Seq 表达相关性强。
- 基因共表达网络和 AS 事件分析:WGCNA 确定了八个共表达基因模块,其中五个肌动蛋白结合基因可能起关键作用。对 AS 事件的分析发现,不同类型的 AS 事件在不同数据集中和样本中有不同的主导形式和表达特征。
研究结论表明,该研究构建的高质量转录组为进一步探索高原缺氧适应的遗传基础提供了有价值的数据集,有助于在猪种内进行更广泛的比较转录组评估。研究还发现了新转录本、AS 事件以及关键的肌动蛋白结合基因,这些结果对于深入理解高原缺氧适应的遗传机制具有重要意义。同时,该研究也为猪的基因组注释提供了重要补充,推动了遗传学、进化生物学和环境适应等领域的发展,为后续相关研究开辟了新的方向,让我们对高原生物的适应机制有了更深入的认识,有望为解决人类高原适应相关问题提供借鉴。