早在一个多世纪以前，科学家们发现基因组部分染色体区域的拷贝数变异（非整倍体）比全部区域的拷贝数变异（单倍体或多倍体）对植物造成更多的不利影响（Blakeslee et al., 1920）。该现象被称为基因组失衡或剂量效应，是由基因、染色体或染色体片段的拷贝数变异造成的（图1）。由此提出了基因平衡假说：非整倍体中部分染色体区域的拷贝数变异导致相关蛋白质复合体化学计量（Stoichiometry）的变化，影响复合体的组装模式和整体功能，而该变化通过转录因子调控网络和信号级联反应传递，造成基因组表达失衡，最终对植物生长发育造成不利影响（Birchler and Veitia, 2012）。转录组分析结果显示植物非整倍体中部分区域的拷贝数变异不仅影响区域内的基因表达（cis），同时也影响拷贝数无变异区域基因的表达（trans）（Hou et al., 2018; Shi et al., 2021; Yang et al., 2021）。然而，microRNA编码基因（MIRNA）的拷贝数变异对于其自身表达及宏观基因调控造成的影响尚不明确。
近日， 美国密苏里大学James A. Birchler院士研究团队与浙江大学农业与生物技术学院史晓雯研究员在Nature Communications合作发表了题为Dosage-sensitive miRNAs trigger modulation of gene expression during genomic imbalance in maize的研究论文。该研究发现玉米miRNA具有对剂量变化高度敏感的特性，并参与非整倍体基因组失衡状态下的基因调控。该研究成果填补了植物非整倍体中MIRNA拷贝数变异如何影响基因表达这一领域的空白。
研究团队分析了含不同拷贝数染色体片段的非整倍体玉米以及玉米单倍体、二倍体、三倍体和四倍体的miRNA表达量。非整倍体拷贝数变异的区域覆盖玉米W22基因组的82%。研究发现MIRNA应答染色体拷贝数变异的模式与蛋白编码基因相似。非整倍体中染色体片段的拷贝数变异不仅导致拷贝数变异区域cis miRNA表达量的变化，而且造成拷贝数变异区域以外的trans miRNA表达量的变化；然而，单倍体或多倍体中的miRNA表达量与二倍体相比几乎没有差别。同时，研究发现拷贝数变异的cisMIRNA主要呈现剂量效应（gene-dosage effect），其表达量大多与MIRNA拷贝数成正比，少数cisMIRNA呈现剂量补偿（dosage compensation）或其它效应。拷贝数变异区域以外的transMIRNA的表达量变化呈现多种方式，主要表现为反向剂量效应（inverse dosage effect），其表达量与MIRNA拷贝数负相关。此外，该研究通过对miRNA靶基因的预测及降解组测序的数据分析，发现非整倍体中受剂量变化影响的miRNA表达量与其调控靶基因的表达量存在显著相关性，阐明了miRNA参与非整倍体的基因调控，而且其表达失调是造成非整倍体基因组失衡的原因之一。非整倍体中染色体拷贝数的变异导致对剂量敏感的miRNA表达量的变化，从而导致其调控的靶基因表达量的变化，而该变化可能通过信号级联反应途径传递，从而影响更多基因的表达。
以上研究为非整倍体导致的基因组失衡的分子机制研究提供了新的思路。同时，文章提出可以通过调节miRNA的剂量来中和基因组失衡中关键剂量效应调节因子表达失调导致的宏观基因表达变化。最后，该研究产生的miRNA和mRNA的拷贝数变异关联分析数据可以用于关键miRNA及其靶基因的挖掘与利用。
浙江大学农业与生物技术学院研究员史晓雯和美国密苏里大学生物科学系博士后杨华为该论文的共同第一作者，美国密苏里大学生物科学系James A. Birchler院士为该论文的通讯作者，浙江大学为本文的第一作者单位。美国密苏里大学电子工程与计算机科学系Jianlin Cheng教授及其博士研究生Chen Chen, Jie Hou，以及统计系Tieming Ji副教授参与了本研究的部分工作。
史晓雯现为浙江大学“新百人”计划研究员、博士生导师。2016年获得美国康奈尔大学遗传学博士学位，师从美国科学院院士Maureen R. Hanson。毕业后加入美国科学院院士James A. Birchler课题组从事博士后研究。近五年以第一作者或共同第一作者在Plant Cell、Nature Communications、PNAS、Plant Physiology、Plant Journal等国际主流杂志发表多篇论文。担任Plant Cell等27家期刊的审稿人以及Plant Cell的编委。研究兴趣主要包括利用基因组学、转录组学与表观遗传组学等手段探索作物染色体功能以及基因组平衡机制，挖掘调控作物农艺性状的关键基因并对其功能和分子机制进行研究等。团队招收硕士、博士研究生，详情见个人主页https://person.zju.edu.cn/xiaowenshi。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-30704-x
日期：2022-06-28
