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华大海洋联合发表最新褪黑素研究成果
发布日期:2021-06-07  来源:华大海洋
   近日,华大海洋与仲恺农业工程学院联合完成褪黑素合成相关调控基因14-3-3的阶段性研究成果[1],并发表于国际学术期刊Gene(图1),这是华大海洋研究院近年来在褪黑素研究领域发表的第11篇学术期刊论文。
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  图1  鱼类14-3-3基因研究论文在Gene上发表
  
  褪黑素(melatonin)是一种小分子神经递质,广泛参与动植物众多生命活动的调节,在节律、睡眠、生殖、生长和发育等过程中发挥重要作用,因而被作为主要活性成分应用于功能制品和药品的生产。众人熟知的“脑白金”就是褪黑素系列产品之一。
  
  14-3-3作为褪黑素合成关键酶AANAT的伴侣蛋白,是调控褪黑素合成的重要因子。同时,该基因还参与了信号转导、细胞周期调控、凋亡和细胞应激反应等其他重要的细胞生命过程。
  
  本研究收集了33种脊椎动物(包含29个鱼类物种)的全基因组序列,发现不同鱼类类群的14-3-3基因数量存在一定的差异。
  
  在软骨鱼及基部鱼类中,该基因数量有5至7个不等;而在真骨鱼中稍多,一般含有9到11个;还有一些经历了第四次全基因组复制的鱼类物种中,14-3-3的基因数量高达17至25个(图2)。
  
  综合分析表明,鱼类14-3-3拷贝数多样性变化主要由全基因组复制事件和随后的基因丢失事件而决定的。
  
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  图2  14-3-3基因拷贝数的多样性与全基因组复制事件
  
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  图3  14-3-3不同亚型编码基因与上下游基因的共线性
  
  鱼类复制并保留了如此众多的14-3-3基因,看起来似乎是一种“浪费”,但深入研究发现,不同亚型的14-3-3蛋白很可能行使着不同的功能。
  
  人类基因组中共发现7种亚型的14-3-3,但鱼类仅拥有其中的6种亚型,分别是ε、γ、ζ、η、τ和β,而缺失σ亚型(图3)。
  
  通过比较转录组分析发现,14-3-3的不同亚型编码基因在不同组织中的转录水平存在较大差异,推测这些亚型的组织特异性转录和表达与其行使不同的功能相关。
  
  蛋白序列比对分析的结果表明,各亚型蛋白序列在磷酸肽结合位点等重要活性区域也存在明显差异,进一步佐证了14-3-3不同亚型很可能发挥不同作用的推测。
  
  本研究利用比较基因组学和转录组学的研究方法,从基因组层面揭示了鱼类14-3-3基因在拷贝数、亚型、编码蛋白序列、基因进化等多个维度的特点,为进一步深入探讨鱼类14-3-3的具体功能及作用机制奠定了坚实的理论基础。
  
  华大海洋褪黑素研究简介
  
  华大海洋一直致力于从事脊椎动物(特别是鱼类)褪黑素合成酶系及相关调控基因的比较基因组学研究。
  
  2014年,华大海洋发表了全球首个两栖鱼类基因组工作[2],系统阐明弹涂鱼的陆生适应机制;比较基因组分析的结果表明,大鳍弹涂鱼可能通过丢失aanat1a基因来支持其较强陆生习性需求的视觉改变[2, 3]。
  
  随后,课题组完成褪黑素合成通路上全部四种酶编码基因的比较基因组学研究(图4),包括TPH [4]、AAAD [5]、AANAT [6]和ASMT [7],并系统性综述这一系列科学新发现 [8],还对褪黑素受体的多种亚型进行了分析探讨[9]。
  
  此外,本课题组利用搭建的鱼类多组学数据库,解析洞穴金线鲃眼部退化[10]和深海狮子鱼适应深渊黑暗环境[11]的可能分子机制。结果发现,在这些特殊的适应性进化过程中均伴随着褪黑素合成酶系基因的提前终止或移码突变,暗示着洞穴和深海鱼中存在着一定程度的褪黑素合成障碍[8, 11]。这些“退化”现象可能是对黑暗生存环境的长期适应性进化结果[8]。
  
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  图4  华大海洋的褪黑素系列研究论文(2014-2021)
  
  科学探索永不止步,华大海洋仍在加快褪黑素研究步伐,期待解码更多鱼类褪黑素合成和调控相关基因,寻找其中的共性和特性,从而揭秘褪黑素功能的多样性,为褪黑素相关产品的研发提供指导和支撑[12]。
  
  关于作者
  
  仲恺农业工程学院张凯博士(原华大海洋研究院2015级博士生)为该论文第一作者,海洋研究院院长石琼教授为论文的共同通讯作者。
  
  参考文献
  
  [1] Zhang K, et al. Gene, 2021, 791:145721.
  
  [2] You X. et al. Nature Communications, 2014, 5:5594.
  
  [3] 游欣欣等。海洋渔业,2015,37(5):479-484。
  
  [4] Xu J. et al. Genes, 2019, 10(3):203.
  
  [5] Li Y. et al. Molecules, 2018, 23(4):917.
  
  [6] Li J. et al. International Journal of Molecular Sciences, 2016, 17(1):51.
  
  [7] Zhang K. et al. Molecules, 2017, 22(10):1653.
  
  [8] Lv Y. et al. Frontiers in Molecular Biosciences, 2020, 7(1):11.
  
  [9] Li Y. et al. Gene, 2021, 769:145256.
  
  [10] Yang J. et al. BMC Biology, 2016, 14:1.
  
  [11] Mu Y. et al. PLoS Genetics, 2021, 17(5):e1009530.
  
  [12] 叶百宽、石琼(主编)。松果体与健康,北京:人民军医出版社,2008年。