在人类代谢疾病动物模型中鉴定与目标性状相关的共表达lncRNAs

《Animal Genetics》：Identifying Co-Expressed lncRNAs Correlated With Traits of Interest in an Animal Model for Metabolic Diseases in Humans

　　

营养基因组学研究营养物质如何调节基因表达。其中，脂肪酸（FA）在调节基因转录中发挥重要作用，而长链非编码RNA（lncRNAs）可能与基因调控和代谢疾病相关。本研究旨在分析猪（一种常用于营养基因组学研究的物种）的肝脏转录组，以鉴定响应含不同来源脂肪酸日粮的新型lncRNAs及其潜在靶基因。72头猪被饲喂四种日粮，分别补充1.5%大豆油（对照）、3%菜籽油、3%鱼油和3%大豆油。对肝脏样本进行RNA测序以鉴定新型lncRNAs。采用加权基因共表达网络分析（WGCNA）鉴定与脂质代谢和炎症相关表型性状关联的模块。随后进行功能富集分析，使用基因本体论（GO）术语注释这些模块内的基因，并评估与数量性状基因座（QTL）的重叠。结果揭示了106个新型lncRNAs，它们可能调控饲喂不同脂肪酸来源日粮的猪中与脂质代谢和免疫反应相关的基因。这些发现增进了对猪中lncRNAs调控作用的理解，并强化了其作为人类代谢疾病模型的相关性。

**论文解读：在人类代谢疾病动物模型中鉴定与目标性状相关的共表达lncRNAs**

**一、研究背景与科学问题**

营养基因组学（Nutrigenomics）研究营养物质如何调节基因表达。脂肪酸（FA）在细胞膜磷脂双分子层构成中发挥重要作用，可分为饱和脂肪酸（SFA）、多不饱和脂肪酸（PUFA）和单不饱和脂肪酸（MUFA）。n-3与n-6脂肪酸的摄入比例影响肥胖和胰岛素抵抗等代谢性状，其中n-3 PUFA具有潜在抗炎特性。猪在蛋白质结构相似性和遗传水平上比小鼠更接近人类，其器官结构、生理特征及代谢和感染性疾病进程与人类相似，因此猪是研究人类代谢疾病的理想动物模型。肝脏在生理代谢和先天免疫应答中发挥关键作用。长链非编码RNA（lncRNAs）参与转录调控、细胞分化、信号传导和表观遗传过程，但在猪营养基因组学领域，lncRNAs研究仍较为缺乏。本研究旨在通过共表达网络分析，鉴定受不同膳食FA来源调控的猪肝脏新型lncRNAs及其潜在靶基因，从而加深对lncRNAs在代谢调控中作用的认识。该论文发表在《Animal Genetics》。

**二、主要技术方法**

研究人员选用72头免疫去势雄性大白猪（RYR1基因NN纯合），按初始体重28.44±2.95kg分块，随机分为4个日粮处理组（n=18/组），分别补充1.5%大豆油（SOY1.5，对照）、3%大豆油（SOY3.0）、3%菜籽油（CO）和3%鱼油（FO），试验期98天。采集肝脏样本进行RNA-seq测序（HiSeq2500），使用STAR比对至猪参考基因组Sus scrofa 11.1，StringTie组装转录本，CPC2和BLASTX筛选新型lncRNAs，RSEM定量基因表达。采用WGCNA/CoExpNets构建共表达网络，GALLO包进行QTL共定位和顺式靶基因预测，gprofiler2进行GO、KEGG和REAC功能富集分析。

**三、研究结果**

**3.1 测序、新型lncRNAs鉴定及共表达与相关性网络分析基因筛选**

质控后共71个RNA样本完成测序。共鉴定25,941个基因，其中124个为新型lncRNAs。经FPKM过滤后，四个处理组共享12,655个基因，其中106个为新型lncRNAs，用于后续WGCNA分析。

**3.2 膳食处理间共享基因的共表达分析**

SOY1.5、SOY3.0、FO和CO处理分别鉴定出73、46、51和73个模块。CO相对SOY1.5存在4个特有模块（darkslateblue、orangered3、saddlebrown、skyblue1），FO存在2个特有模块（floralwhite、saddlebrown），SOY3.0未发现特有模块。

**3.3 特有模块与目标表型的相关性**

CO的darkslateblue模块与SFA（r=?0.48）、MUFA（r=0.54）、肿瘤坏死因子-α（TNF-α，r=0.67）和白介素-6（IL-6，r=?0.68）显著相关；orangered3模块与IL-6（r=?0.73）相关；saddlebrown模块与肌肉乙醚提取物（EEM，r=?0.59）相关。FO的floralwhite模块与SFA（r=?0.54）、MUFA（r=0.50）和白介素-18（IL-18，r=0.69）显著相关，并检测到lncRNA MSTRG.75的潜在顺式靶基因成纤维细胞生长因子11（FGF11）。

**3.4 与新型lncRNAs相关的QTLs**

darkslateblue、saddlebrown和floralwhite模块的基因分别与142、88和989个已注释数量性状基因座（QTL）重叠，各模块中的新型lncRNAs均与相应QTL相关联。

**3.5 特有模块与QTLs的富集分析**

darkslateblue模块富集12个细胞组分基因本体论（GO）条目（如肌动蛋白细胞骨架、溶酶体膜）和3条KEGG通路（胰腺分泌、Fc gamma R介导的吞噬作用、紧密连接）。floralwhite模块富集187个GO条目和2条REAC通路，其中免疫反应相关条目涵盖淋巴细胞活化、白细胞活化、炎症反应等。QTL富集分析揭示了与健康、肉和胴体、繁殖、外部和生产类别相关的显著富集QTLs。

**四、讨论与结论**

不同膳食FA通过lncRNA-基因互作调节猪肝脏免疫和代谢性状。CO的darkslateblue模块中，二酰甘油脂肪酶β（DAGLB）调节TNF-α反应并减弱树突状细胞炎症信号；RAS相关蛋白RAB8A通过降低促炎细胞因子和增加抗炎细胞因子防止过度炎症。saddlebrown模块中，SAR1B突变损害乳糜微粒转运，与体重增加、脂质积累和胰岛素抵抗相关；DEGS1是抗击肥胖相关胰岛素抵抗的潜在靶基因。FO的floralwhite模块中，MSTRG.75可能调控FGF11基因，后者参与脂肪细胞分化并与过氧化物酶体增殖物激活受体γ（PPAR-γ）相关。蛋白酪氨酸磷酸酶非受体22型（PTPN22）与多个新型lncRNAs相关，通过调节髓系细胞参与炎症反应，其突变与1型糖尿病（T1D）易感性相关。髓系细胞核分化抗原（MNDA）与T1D密切相关，膜联蛋白A1（ANXA1）与葡萄糖和FA代谢相关。ADAM金属肽酶域8（ADAM8）与肥胖发展和胰岛素抵抗相关。IL-18是连接膳食FA质量与胰岛素抵抗的潜在生物标志物。

研究结论指出，lncRNAs对炎症反应相关基因具有潜在调控作用，其模式因膳食FA类型而异；SFA和MUFA以不同方式调节这些lncRNAs。PTPN22、MNDA、ANXA1、ADAM8、FGF11、SAR1B、DEGS1、RAB8A和DAGLB是代谢疾病（如肥胖和糖尿病）研究的候选基因。这些发现凸显了lncRNAs作为人类疾病诊断方法和治疗策略潜在生物标志物的价值。后续需通过体外（in vitro）和计算机模拟（in silico）实验验证这些新型lncRNAs对其靶基因的调控作用及其作为免疫和代谢表型调节因子的潜力。