microRNA(miRNA)是一类小的非编码RNA,在真核生物基因组中普遍存在,由20~24个核苷酸组成,其形成过程包括转录、加工和复合体装备
[1]。miRNA 抑制靶基因的表达,该作用是通过与靶基因的3’非编码序列(Untranslated regions, UTRs)结合发挥。miRNA有三大特性:保守性、组织特异性和时序性
[2]。
近年来在鸡上对miRNA的研究越来越多,涉及肌肉生长发育、细胞增殖分化、脂肪合成、精子发生、细胞免疫、热应激、肿瘤发生及防治等多个方面。如鸡miR-18a-5p
[3]、miR-10b
[4]分别通过FoxO及Wnt信号通路调控肌肉生长及细胞增殖分化;miR-19b-3p、miR-19a-3p、miR-17-5p、miR-301b-3p和miR-215-5p等参与脂肪生成,是影响鸡腹脂沉积的关键miRNAs
[5];miR-200b-3p靶向
Arih2基因参与机体的发育和免疫调节
[6];miR-202-5p和miR-301a-5p调控粗线期精母细胞分化及精子形成
[7];miR-26a-5p通过靶向
TNRC6A促进鸡等级卵泡膜细胞的增殖
[8]。
miR-142-3p广泛参与生物各种细胞、组织的生物学过程,调控细胞的增殖、分化、凋亡、侵袭。近年来,它在免疫抗肿瘤上的研究比较热门,在多种癌症,包括乳腺癌、骨肉瘤、结直肠癌、白血病、肝癌、肾癌、胃癌的发生、发展、临床治疗发挥重要作用
[9]。例如miR-142-3p通过靶向
β-
catenin[10]和
HMGA2[11]的作用来下调乳腺癌的肿瘤干细胞特性和放射抗性,通过靶向
β-
catenin抑制Wnt信号通路的激活抑制结直肠癌的发生
[12];通过靶向
CCNT2调控胃癌细胞的增殖、侵袭和迁移从而发挥抑癌作用
[13];通过降低
CD133表达量,从而导致肝癌细胞自我更新、启动肿瘤生长、侵袭、迁移、诱导血管生成和抵抗化疗的能力减弱
[14];通过靶向cAMP/PKA信号通路诱导急性T淋巴细胞白血病的发生
[15];此外Li等
[16]、Wang等
[17]的研究也分别证实miR-142可调控肾癌、血癌、骨肉瘤的发生和防治。
机体的免疫系统在抑制肿瘤生长中发挥重要作用,脾脏作为体内最大的免疫器官在抗肿瘤免疫系统中占有重要地位。脾脏除含有B淋巴细胞、T淋巴细胞、巨噬细胞等大量的免疫细胞外,还能合成抗体、分泌促吞噬素(Tuftsin)、淋巴因子等免疫活性物质参与抗肿瘤免疫
[18]。筛选出脾脏中高表达的miRNA及其靶基因对探究其抗肿瘤免疫机制具有重要意义。
但目前miR-142-3p的研究主要集中在哺乳动物上,而在家禽育种生产上的研究很少。如李慧铭等
[19]研究表明miR-142-3p可通过调节靶基因催乳素受体(
PRLR)来调控大鼠乳腺的发育和泌乳的形成;张蕊蕊等
[20]发现猪miR-142-3p通过靶向
ROCK2调控C2C12细胞的增殖与分化;张兆波等
[21]发现卡介苗刺激小鼠巨噬细胞后,miR-142-3p表达量显著下降,并通过调控免疫相关基因在巨噬细胞抗结核分枝杆菌的免疫应答中发挥重要作用。而miR-142-3p在鸡生长发育过程中的功能还有待挖掘。本研究利用生物信息学分析方法,预测鸡miR-142-3p的靶基因进行GO、KEGG和PPI分析,并结合清远麻鸡miR-142-3p及其靶基因的组织表达分析,筛选出miR-142-3p在脾脏中的关键靶基因,以期对miR-142-3p在鸡上的功能及其作用机制进行解析。
1 材料与方法
1.1 材料
利用miBase (
https://www.mirbase.org/)下载鸡、人、小鼠、野猪、珍珠鸟、马、猩猩、野鸽等12个物种的miR-142-3p的序列并查询其定位、结构信息。
在NCBI的GEO数据库(
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo/)中下载数据包GSE124418
[22]和GSE93855
[23],分别获取成熟清远麻鸡gga-miR-142-3p测序读数(Counts)、转录组Counts以及清远麻鸡gga-miR-142-3p关键靶基因的相对表达量测序读数。
1.2 方法
1.2.1 查询miR-142-3p在鸡基因组上的位置及其序列、结构
利用miBase查询鸡的miR-142-3p(登录号:MIMAT0001194)的序列信息及其发夹结构,并在NCBI找到其在基因组上的位置。
1.2.2 miR-142-3p的物种保守性及其靶基因预测
进行不同物种间的miR-142-3p序列对比;分别利用miRDB(
https://www.mirdb.org/index.html)和Targetscan(
https://www.targetscan.org/)数据库预测鸡miR-142-3p的靶基因,并对结果取交集,减少假阳性,结果以韦恩图的形式呈现。
1.2.3 gga-miR-142-3p靶基因的GO和KEGG分析
分别利用微生信平台(
http://www.bioinformatics.com.cn)的GO和KEGG模块,对gga-miR-142-3p的靶基因进行GO以及KEGG富集分析。其中,GO功能基因富集包括BP、MF和CC 3个部分,对GO和KEGG富集结果进行可视化,最终结果以矩状气泡图的形式呈现。
1.2.4 gga-miR-142-3p靶基因的PPI网络
利用在线数据库STRING,分析gga-miR-142-3p靶基因的相互作用关系,并用Cytoscape_v3.9.0软件绘制其互作网络图PPI。
1.2.5 gga-miR-142-3p的组织表达分析
在NCBI的GEO数据库中查询并下载数据集GSE124418,该数据集包含猪、牛、羊、鸡这4个物种在心脏、肝脏、脾脏、肺脏、肾脏和胸肌中的非编码RNA的高通量测序数据。挑选成熟清远麻鸡子数据集(GSM3532842-3532859,200日龄清远麻鸡)高通量测序数据,从其中整理miR-142-3p在各个组织中的测序读数,并将其进行TPM(Transcripts per million)归一化处理,所用公式如下:
TPM=T/N×106,T代表miRNA count读数;N代表样本总miRNA count读数。
最后将TPM表达数据进行单因素方差分析,导入GraphPad Prim 9.0软件进行表达量柱状图的绘制。
1.2.6 gga-miR-142-3p关键靶基因的筛选
在GEO在线数据库中查询数据包GSE93855,该数据包鸡、猪、牛、绵羊、山羊等不同物种的比较转录组数据,测序的组织包括心脏,肾脏,肝脏,肺脏,胸肌和脾脏。下载鸡(成熟清远麻鸡:200日龄)的比较转录组数据(GSE93855-upload-chicken.txt),整理成熟清远麻鸡各个组织器官中转录组测序表达值(已被处理过的FPKM表达值),利用微生信平台的R包Limma进行转录组差异表达分析,以|log2(Fold Change)|≥1且P<0.05为标准,筛选脾脏相对于心脏、肝脏、肾脏、胸肌、肺脏表达下调的基因,并取交集,得到脾脏相对各组织下调表达的公共基因集。将脾脏相对各组织下调表达的公共基因集与gga-miR-142-3p的靶基因集合再次取交集,初步筛选得到miR-142-3p在脾脏中的关键靶基因。上述所有取交集均利用微生信平台的Veen模块功能,绘制韦恩图。
1.2.7 关键靶基因的聚类热图及其组织表达谱分析
在GSM93855-upload-chicken.txt子数据集中挑选并整理出已筛选关键靶基因的转录组测序表达值,利用微生信平台的聚类热图模块进行热图的绘制;同时将其在各组织中的表达值数据导入GraphPad Prim 9.0,进行miR-142-3p关键靶基因的组织表达谱绘制。
1.3 数据分析
gga-miR-142-3p和靶基因的组织表达量数据均导入Excel进行整理,并使用SPSS.24进行单因素方差分析,P<0.05为差异显著,P<0.01为差异极显著。最后将数据导入GraphPad Prim 9.0绘制柱状图。
2 结果与分析
2.1 miR-142-3p在鸡基因组的位置分析
gga-miR-142-3p位于鸡19号染色体上,位于基因LOC107054776的5’UTR区;前体序列gga-mir-142(1034442-1034529)全长88 bp,其5’UTR和3’UTR加工生产2个成熟miRNA,分别为gga-miR-142-5p(1034495-1034516)和gga-miR-142-3p(10344456-1034477),并形成发夹结构(
图1)。
2.2 miR-142-3p的保守性分析
利用在线数据库miBase查询到鸡、人、小鼠、野猪、珍珠鸟、马、猩猩、野鸽等12个物种的miR-142-3p的序列,发现他们高度保守(
表1),各物种成熟miR-142-3p都具有相似的序列和相同的种子区序列(GUAGUGU)。
2.3 gga-miR-142-3p靶基因预测
利用在线数据库miRDB和Targetscan分别预测出了鸡miR-142-3p的靶基因165和331个;作出韦恩图取这2个数据库预测结果的交集降低其假阳性,共得到85个靶基因(
图2)。
2.4 gga-miR-142-3p靶基因的GO富集分析
将结果2.3中得到的靶基因交集用来进行GO富集分析,分成BP(生物学过程)、CC(细胞组分)、MF(分子功能)3个部分,结果表明:在BP中,靶基因主要参与蛋白质、多肽、酰胺、氮化合物等高分子化合物的转运以及基因、细胞大分子化合物表达负调控等生物学过程;在CC中,靶基因主要富集在肌动蛋白细胞骨架、膜蛋白复合物、核内体、内质网系统、多泡体、核基质/核骨架等条目;MF结果表明,靶基因主要具有细胞因子结合、肌动蛋白丝结合、肌动蛋白结合、肌球蛋白结合、乙酰转移酶活性、钙调素结合、双链DNA结合、DNA结合转录激活子活性等分子功能(
图3)。
2.5 gga-miR-142-3p靶基因的KEGG通路富集分析
将结果2.3中得到的靶基因交集用来进行KEGG通路富集分析,结果表明:gga-miR-142-3p靶基因主要参与细胞吞吐、MAPK、肌动蛋白细胞骨架调控、病毒生命周期-HIV-1、细胞衰老、血管平滑肌收缩、Wnt、O型聚糖降解、Apelin、Notch等信号通路(
图4);各通路富集到的基因信息和基因数目见
表2。
2.6 gga-miR-142-3p靶基因的PPI网络
将gga-miR-142-3p预测靶基因交集导入蛋白互作分析网站STRING,得到靶蛋白的互作网络信息,随后利用cytoscape 9.0软件的cytoHubba插件筛选出4个
Hub基因,分别为
PLCE1、PLCB1、STAM和
CASK,并绘制PPI互作网络图(
图5)。
2.7 gga-miR-142-3p在鸡各组织中的表达
在GEO数据库中下载GSE124418数据包,从中获取并整理清远麻鸡miR-142-3p在各组织中的Row count值,并进行TPM归一化处理,进而分析得到miR-142-3p的组织表达谱,如
图6所示,miR-142-3p在脾脏表达量最高,远远高于其在肝脏、心脏、肺脏、肾脏和胸肌中表达量(
P<0.01)。
2.8 脾脏相对各组织的差异下调基因及关键靶基因的筛选
如
图7(a)所示,脾脏相对于胸肌、肺脏、肝脏、肾脏、心脏的下调基因数目分别为1 964、1 416、1 880、2 216和1 812,脾脏相对下调的公共基因为74个。将此所得公共基因集再次与miR-142-3p的靶基因取交集,得到5个关键靶基因,分别为
TWF1、MYH10、NFIB、FNBP1L和
FERMT2(
图7(b))。
2.9 关键靶基因的聚类热图以及组织表达谱
如
图8(a)所示,gga-miR-142-3p的5个关键靶基因在各组织中不同样本间重复性好,脾脏与各组织差异显著(
P<0.05)。聚类热图显示,
TWF1和
FERMT2首先聚成一束,其次分别与
MYH10、
NFIB、
FNBP1L依次聚类成束。关键靶基因在各组织中的表达谱如下
图8(b)所示,5个基因在脾脏、胸肌、肺脏、肝脏、心脏和肾脏都有表达,且均在脾脏中表达量最低(
P<0.05)。其中
MYH10在肺脏中表达量最高(
P<0.05),
NFIB在心脏和肾脏中表达量最高(
P<0.05),
FNBP1L在肾脏中表达量最高,
TWF1和
FERMT2在胸肌、肺脏、心脏、肾脏中表达量均较高。
3 讨 论
真核生物基因表达受到多层次性的调控,包括染色质水平,转录水平,转录后水平,翻译水平,翻译后水平
[1]。miRNA通过种子区序列与靶基因mRNA 的3’UTR 的互补配对碱基特异性识别结合,抑制mRNA的转录后翻译,从而达到抑制基因表达的目的
[2]。本研究比对了鸡、人、小鼠、野猪、珍珠鸟、马、猩猩、野鸽等12个物种的miR-142-3p序列,发现它们的序列高度保守,且种子区序列完全相同,意味着不同物种的miR-142-3p都有相同的靶基因位点,这与刘芳君等
[9]的研究结论“miRNA在不同物种中相对保守,具有相似的功能和调控机制”相吻合。
目前,有关 miR-142a-3p的研究主要集中在其对肿瘤发生、发展及预后等方面
[10-17],而脾脏作为机体的一大免疫器官,与肿瘤的发生密切相关
[9]。本研究通过组织表达谱分析,发现鸡miR-142-3p在胸肌、心脏、脾脏、肺脏、肾脏和肝脏中均有表达,这表明它在多个组织的生物学过程中均发挥了调控功能。而在脾脏中的表达量显著高于其他组织,这符合鸡miR-142-3p在脾脏中参与抗肿瘤免疫生物学过程的预期。
识别筛选出gga-miR-142-3p的靶基因是探索其功能的关键,当下预测miRNA靶基因的的平台较多,适用不同物种,包括miRDB、TargetScan、PicTar、miRanda、microT、miRmapDIANA等,为了降低预测靶基因的假阳性,本研究使用了miRDB和TargetScan这2种在线预测平台,通过取其交集得到了85个靶基因。GO富集分析显示gga-miR-142-3p主要富集在蛋白质、多肽、酰胺等高分子化合物的转运、细胞大分子化合物表达负调控、乙酰转移酶活性、钙调素结合、双链DNA结合、DNA结合转录激活子活性等条目。在KEGG分析中富集到包括MAPK、Notch、Wnt 等多条已被证实与抗肿瘤免疫相关的信号通路。尤婷婷等
[24]研究表明荷瘤小鼠脾脏中
TLR4的过表达会影响下游MAPK信号通路的活性,激发免疫调节抗肿瘤活性并激活巨噬细胞,从而抑制体内瘤的生长;Notch通路参与到病毒感染、炎症反应、超敏反应及自身免疫类疾病等免疫相关疾病的发生,此外它同时具有促癌基因和抑癌基因的作用,杨子科等
[25]研究发现抑制荷瘤小鼠脾脏中Notch通路活性可以降低肿瘤组织中免疫抑制细胞比例并提高免疫效应细胞比例,从而增强小鼠机体的抗肿瘤免疫功能;Wnt信号通路能够使
β-catenin蛋白激活特定的靶基因并且与肿瘤发生有着更为密切的关系,突变的
β-
catenin所导致Wnt信号通路失调使得机体免疫抗肿瘤活性降低,从而诱发机体肿瘤发生和发展
[26]。这些从侧面佐证了miR-142-3p影响鸡的抗肿瘤免疫。而Yang等
[27]研究表明鸡miR-142-3p通过MAPK信号通路负性调节鸡毒支原体(HS菌株)诱导的炎症细胞因子的产生,张兆波等
[21]发现卡介苗刺激小鼠巨噬细胞后,miR-142-3p表达量显著下降,并通过调控免疫相关基因在巨噬细胞抗结核分枝杆菌的免疫应答中发挥着重要的作用,Liu等
[12]研究证实miR-142-3p通过靶向
β-
catenin抑制Wnt信号通路的激活抑制结直肠癌的发生,这些研究直接证实了这一点。
本研究根据“miRNA负调控靶基因表达”这一思路,对鸡各组织中的转录组数据进行差异分析,筛选出脾脏相对于各组织差异下调的基因交集,再通过与miR-142-3p靶基因取交集从而得到miR-142-3p在脾脏中的关键靶基因,包括TWF1、MYH10、NFIB、FNBP1L和FERMT2。推测这些基因可能是gga-miR-142-3p在脾脏中发挥生物学功能的潜在桥梁。
Zhai等
[28]研究发现
TWF1通过MMP1信号通路调控肺腺癌细胞的增殖、分化和凋亡,和癌症的预后相关;Wang等
[29]也发现
TWF1通过抑制cAMP信号通路诱导肺腺癌自噬,加速恶性表型。
NFIB基因在绵羊
[30]和小鼠
[31]的肺脏、肝脏、心脏等多种组织中都能高度表达,但在脾脏中的表达量很低,这与我们的研究结果相似;同时Yang等
[32]研究表明
NFIB通过上调circMAP7D1来稳定
HER2 mRNA,从而促进胃癌的进展。林洁等
[33]研究表明
FERMT2通过调控细胞周期调节蛋白及抗凋亡蛋白的表达影响肝癌细胞的活力、细胞周期及凋亡,进而在肝癌形成及发展过程中发挥促癌作用;Lin等
[34]研究也发现miR-338-5p通过靶向
FERMT2抑制食管鳞癌细胞增殖、集落形成、迁移和顺铂耐药。关于
MYH10和
FNBP1L的研究大多集中在它们对肌肉生长发育的调控,但也有研究表明
MYH10联合
MYH9通过去泛素化Snail募集
USP45,促进浆液性卵巢癌的发生、发展和顺铂耐药性
[35];而
FNBP1L与免疫和肿瘤相关的研究有待进一步探究。
在后面的靶基因表达与热图分析结果中发现这4个靶基因在鸡的胸肌、肝脏、肾脏、脾脏、心脏和肺脏中都有表达,且均在脾脏中表达量最低,这可能是脾脏中高度表达的miR-142-3p抑制了他们的表达。因此本研究推测miR-142-3p在脾脏中通过靶向TWF1、MYH 10、NFIB、FNBP1L和FERMT2发挥生物学功能,尚需进一步的靶标验证和功能探究。
4 结 论
鸡miR-142-3p在肝脏、心脏、肺脏、胸肌、肾脏和脾脏中均有表达,在脾脏中表达量显著高于其他组织。其在脾脏中可能通过调节靶基因TWF1、MYH10、NFIB、FNBP1L和FERMT2表达来发挥生物学功能。
国家肉鸡产业技术体系项目(CARS-41-G07)
“十四五”四川省畜禽育种攻关项目(2021YFYZ0031)
四川省区域创新合作项目(2023YFQ0035)