能源微藻胶球藻C-169中miRNA的识别和鉴定

富油微藻是能通过光合作用高效固定CO2并积累油脂的光合生物,油脂含量和面积产率高,是CO2减排、生产可再生清洁能源的重要微藻资源。胶球藻C-169(Coccomyxa subellipsoidea C-169)是第一个从极地环境中分离并完成全基因组测序的极端环境微藻。华南理工大学魏东教授团队的研究人员前期研究发现,它在光自养补充2% CO2、缺氮条件下可以成功诱导C-169加速脂肪酸积累,可高达干重的48%。

图1 不同CO2浓度下C-169的生理生化指标及脂肪酸含量

MicroRNAs(miRNAs)是在真核生物中发现的一类内源性的具有调控功能的非编码RNA,其长度约为20-25个核苷酸。成熟的miRNAs是由较长的初级转录本经过一系列核酸酶的剪切加工而产生的,随后组装进RNA诱导的沉默复合体,通过碱基互补配对的方式识别靶mRNA,并根据互补程度的不同指导沉默复合体降解靶mRNA或者阻遏靶mRNA的翻译。近年来的研究表明,miRNA参与了多种调节途径,包括发育、病毒防御、造血过程、器官形成、细胞增殖和凋亡、脂肪代谢等等。

最近,华南理工大学魏东教授团队的研究人员针对胶球藻C-169细胞内的miRNA识别和鉴定进行了系统研究,在International Journal of Molecular Science发表文章“Identification and characterization of miRNAs in Coccomyxa subellipsoidea C-169,这是第一个关于胶球藻C-169 miRNA识别及功能分析的报道。该藻种分别置于0.04% CO2和2% CO2的环境进行光自养培养,第四天(根据前期研究这个时间点开始积累油脂)时离心收集两组藻泥用于后续miRNA分析。通过miRbase 21.0、Gene Ontology、KEGG等数据库对所有miRNA进行鉴定分析,并对其调控的靶基因进行功能分析。

图2. (a) sRNA的长度及分布。(b) miRNA的长度及分布。(c)新型miRNA的前体结构

本研究共鉴定出保守miRNA 118个和新型miRNA 6个,长度均在18-24 nt之间,其中21nt比例最高。与其他微藻Botryococcus brauniiChondrus crispusPorphyridium purpureumEucheuma denticulatum中已鉴定的miRNA相比,C-169的miRNA家族表现出一定的相似性及保守性。对鉴定所得miRNA进行靶基因预测,得到384个靶基因,显著富集于泛酸和CoA合成、C5支链酸代谢、2-羟羧酸代谢、丁酸代谢,以及缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸合成等六个过程。在215个已注释的靶基因中,80个基因与代谢密切相关,如氧化磷酸化、光合作用、氨基酸合成及三羧酸循环等,尤其是21个靶基因富集在脂质代谢中。尽管一些miRNA与靶基因之间存在显著的负表达关系(Opposite regulation patterns),因为细胞内参与代谢过程的基因表达受多种因素影响,大多数miRNA与靶基因之间不存在这一关系。但本研究中仍有26.25%与代谢相关的靶基因参与到脂质代谢中,表明miRNA在调控胶球藻C-169脂质代谢中的重要性,一定程度上解释了微藻油脂合成和积累与CO2这一环境驱动因子的作用机制。此外,49个靶基因被鉴定参与到转录及翻译过程中,包括11个剪切体、15个转录因子、8个翻译因子和6个核糖体调控因子,从上游对相关代谢途径进行调控。

图3 参与脂质代谢的靶基因

本研究首次鉴定并分析了富油微藻胶球藻C-169中miRNA及其调控靶基因的对应关系,为通过基因工程和系统生物学手段改造能源微藻的相关代谢途经、强化油脂合成提供了重要的理论依据。

 

参考链接:

Huifeng Peng, Dong Wei*, Gu Chen* and Feng Chen. Transcriptome analysis reveals global regulation in response to CO2 supplementation in oleaginous microalga Coccomyxa subellipsoidea C‑169. Biotechnol Biofuels. 2016, 9, 151. 

Runiqing Yang, Gu Chen, Huifeng Peng and Dong Wei*. Identification and characterization of miRNAs in Coccomyxa subellipsoidea C-169. Int. J. Mol. Sci. 2019, 20(14), 3448.  

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