康乐院士PLOS发表miRNA重要成果

近期，来自山西大学、中科院动物研究所和中科院北京生命科学研究院的研究人员，在国际著名遗传学期刊《PLOS Genetics》在线刊登了题为“miR-71 and miR-263 Jointly Regulate Target Genes Chitin synthase and Chitinase to Control Locust Molting”的研究成果。这项研究的结果表明，在蝗虫中，两个miRNA可能在CHS1和CHT10介导的蜕皮过程调控中，发挥重要作用。中科院动物研究所的康乐院士和山西大学的张建珍博士，是本文的共同通讯作者。延伸阅读：康乐院士PNAS发布miRNA研究重要发现；康乐院士Nature子刊发布基因组研究新成果。

蜕皮是昆虫生长和发育的一个关键过程。几丁质（Chitin），作为表皮的角质层的一个重要组成部分，在维持形态和蜕皮过程中起着关键性的作用。由于几丁质在植物和脊椎动物中是不存在的，昆虫的生长和发育严格依赖于几丁质的生物合成和降解，因此，几丁质代谢是开发安全有效的杀虫剂的一个有吸引力的靶标。

飞蝗Locusta migratoria是一种世界性的害虫，在其生命周期经过五个蜕皮阶段。几丁质介导的蜕皮过程被认为取决于两个关键基因——几丁质合成酶（CHS）和几丁质酶（CHT），它们都是由蜕皮激素20 -hydroxyecdysone（20E）和保幼激素调节的。在昆虫中，几丁质合成酶是几丁质合成的关键调节酶，并且是杀虫剂的一个特定靶标。

从飞蝗克隆的LmCHS1基因，在蜕皮期在表皮中是特异表达的。LmCHS1基因敲除可增加非蜕皮和异常蜕皮若虫的数量。然而，另一个旁系同源基因LmCHS2有助于围食膜基质相关的几丁质生物合成。此外，几丁质酶是几丁质糖苷键降解所需的水解酶。在所有的发展阶段，TcCHT10可防止幼虫蜕皮，并在蜕皮过程中起着至关重要的作用；其他旁系同源基因，CHT5和CHT7，仅在成虫中防止蜕皮和翅膀正常折叠。CHS1和CHT10在蝗虫中的一个有趣特点是，在每一个若虫阶段结束时（蜕皮前）转录水平突然增加和减少，表明这两个关键酶在蜕皮过程中有可能是被精确调节的。然而，酶依赖性的几丁质代谢和蜕皮过程，其背后的分子调控机制，仍不明确。

microRNA（miRNA）是小的非编码调控RNAs，已成为多个生物过程中基因表达的关键转录后调节因子，因为它们可以通过与靶基因的3’UTRs进行较低的互补碱基配对，而直接引起翻译抑制或mRNA的的降解。然而，最近的研究表明，在动物或昆虫中，miRNAs可广泛地靶定mRNA的的蛋白编码区。许多研究表明，miRNAs严重影响昆虫的蜕皮，从而导致蜕皮缺陷表型。例如，mir-8-5p和mir-2a-3p可负向调节几丁质生物合成途径中的膜结合海藻糖酶和乙酰葡糖胺磷酸变位酶，从而在半翅目昆虫褐飞虱中造成显著减少的存活率，连同蜕皮缺陷表型。

几个不同的miRNA在昆虫变形的调控中发挥作用。Mir-2的缺失可上调kr-h1 mRNA，从而导致受损的变形。此外，在果蝇中，let-7和miR-125突变体可诱导特定变形过程的时间错误调节。在飞蝗中，该研究小组曾报道，抑制Dicer-1——催化miRNA生物合成最后一步的酶，可诱导蜕皮的缺陷。结果表明，miRNAs对于调节蝗虫的蜕皮过程，起着至关重要的作用。然而，在蜕皮过程中miRNA如何影响转录后修饰，根本机制仍然尚未完全阐明。

在许多昆虫中，CHS1和CHT10是平衡几丁质代谢的至关重要的蜕皮依赖酶，所以，该研究小组选择了CHT10和CHS1作为候选基因。他们推测，miRNA可能在CHS1和CHT10介导的蜕皮过程调控中，发挥重要作用。在这项研究中，他们进行了小RNA转录组测序，来鉴定蝗虫体壁中表达的miRNAs。研究人员发现，体壁表达的mir-71和mir-263，直接靶定两个关键基因CHS1和CHT10，并在蜕皮过程中调节着几丁质的生产，从而导致飞蝗的成功蜕皮。这些研究结果揭示了一种分子机制，miRNA通过这种机制，对于平衡CHT10和CHS1依赖性的几丁质代谢调控，发挥重要的作用。