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上海海洋大学:中华绒螯蟹基因组与断肢再生研究取得新进展

上海教育新闻网   刘时玉   2022-09-22 14:20:33

记者从上海海洋大学了解到,该校水产与生命学院王成辉教授团队,联合学院李晨虹教授、德国波茨坦大学Michael Hofreiter教授、美国内布拉斯加大学奥马哈分校吕国庆教授等研究人员,在中华绒螯蟹基因组与断肢再生研究取得进展。相关研究成果“Omics data unveil early molecular response underlying limb regeneration in the Chinese mitten crab, Eriocheir sinensis”(论文链接:https://www.science.org/doi/epdf/10.1126/sciadv.abl4642)发表于《Science Advances》。

高质量完成中华绒螯蟹全基因组测序和组装

中华绒螯蟹(Eriocheir sinensis)是中国人餐桌上最常见的螃蟹品种,也是我国高经济价值的水产甲壳动物,全国有28个省市区养殖,产业规模庞大,但由于其染色体数目多(2n=146),基因组重复序列高,长期以来一直面临基因组组装困难的问题。

研究团队利用第三代测序技术结合BioNano光学图谱和Hi-C高通量染色体构象捕获技术进行了长江水系中华绒螯蟹的全基因组测序和组装,获得了染色体水平的精细基因组图谱。组装的中华绒螯蟹基因组大小为1.67Gb,覆盖其基因组大小的94.4%(1.77Gb),其中Scaffold N50为16.98Mb, Contig N50为717.3kb,共鉴定出20286个蛋白编码基因(图1)。

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图1.中华绒螯蟹染色体水平的基因组特征

首次揭秘唤醒生机的Innexin2基因

“再生”这个词听起来科幻,但实际上人们的身体每时每刻也都在“再生”,如伤口修复、肝脏再生、长出新的头发和指甲……相较于哺乳动物,中华绒螯蟹的“再生”能力更为神奇。当河蟹受到外界刺激时,附着在基节与底节间的肌肉便会强烈地收缩,折断面随即断开,“断手断脚”之后亦可再生。能力虽强,但是这种断肢现象在生产养殖中较为普遍,断肢的扣蟹不用于养殖生产而浪费,断肢的成蟹大多走入普通市场,售价低廉,对整个产业应用性和经济价值的提升造成很大的影响。

针对中华绒螯蟹独特的断肢再生现象进行探索,兼具基础研究和产业应用价值。王成辉介绍:“我们在获得中华绒螯蟹染色体水平基因组的基础上,进行了比较基因组学分析,以鉴别节肢动物特有的基因和基因家族。”

研究团队通过对断肢再生不同发育时期的比较转录组和基因共表达分析发现,Innexin基因家族在中华绒螯蟹断肢再生的早期发挥着重要的分子信号传导作用。

研究首次发现,Innexin2基因在断肢后1天内特异的表达上调,且通过调控mTORC1信号通路和免疫应答反应,介导中华绒螯蟹的断肢再生过程(图2)。

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图2. Innexin2调控中华绒螯蟹断肢再生的分子应答机制

尝试解读细胞分化的“压缩包”

研究还发现了中华绒螯蟹断肢再生早期受表观遗传学的调控,其中SMYDA基因家族只存在于节肢动物,在中华绒螯蟹断肢早期下调表达而在肢芽生长时期表达回复至未断肢时的水平。进一步分析发现该基因家族还在中华绒螯蟹从大眼幼体到仔蟹的变态过程中整体差异表达,表明节肢动物特异的SMYDA基因家族在中华绒螯蟹涉及到明显形态发生如变态、再生的生物学过程中发挥重要的表观修饰作用(图3)。

王成辉解释:“SMYDA基因家族就好比一个掌握细胞分化和增殖的‘压缩包’管理员,‘压缩包’里藏着细胞分化、增殖的重要文件,这个基因家族的调控可以让‘压缩包’解开封印,露出基因位点,引起后续相关基因的表达。”

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图3.特异的SMYDA基因家族在中华绒螯蟹断肢再生过程中发挥表观遗传调控作用

团队还以南美白对虾、罗氏沼虾、日本沼虾为研究对象进行了断肢转录组比较分析,发现Innexin、SMYDA基因家族的相关基因在断肢后具有与中华绒螯蟹基本一致的表达模式,推测甲壳动物具有共性的与脊椎动物不同的断肢再生早期分子应答机制。

该研究为开展中华绒螯蟹的分子育种提供了重要的基因组资源和平台,为提升养殖生产与管理水平提供了有益指导。据悉,目前“Science Advances”是“Science”旗下第一子刊,在综合类期刊中排名较为靠前。

据悉,上海海洋大学的王成辉教授、李晨虹教授以及德国波茨坦大学的Michael Hofreiter教授为论文的通讯作者,上海海洋大学王军副教授、陈晓雯博士为共同第一作者。研究得到了上海市科技兴农重点攻关项目、上海市中华绒螯蟹现代农业产业技术体系项目的资助。

记者 刘时玉

责任编辑: 刘时玉

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