上海生科院通过生物大数据揭示反式剪接的基因演化功能

　　11月2日，Nature Communications 发表了中国科学院上海生命科学研究院植物生理生态研究所李轩研究组题为The evolutionary landscape of intergenic trans-splicing events in insects 的研究论文。该工作揭示了反式剪接引导基因功能多样化的过程，并首次阐述了反式剪接在维持破碎基因功能方面的作用。

　　真核生物的基因具有复杂的剪接（splicing）机制。与比较常见的发生在同一个转录本（pre-mRNA）上的顺式剪接(cis-splicing)不同，RNA反式剪接(trans-splicing)是将不同基因转录本上的外显子连接起来，形成嵌合mRNA的现象。虽然真核生物中已有一些基因反式剪接案例的报道，但反式剪接的一些关键问题仍然没有得到解决: 包括反式剪接是剪接过程中的噪音还是具有显著的生物学功能？基因反式剪接在多大程度上影响了一个物种的转录组和蛋白组？反式剪接基因是如何起源和进化的？反式剪接机制是否参与到基因功能的多样化？其过程是怎样的？

　　针对这一系列重要问题，李轩课题组的博士生孔艺萌等基于前期建立的高通量转录组数据分析平台，从组学和进化的角度对反式剪接基因进行了系统性研究。通过收集分析昆虫纲五个目八个物种的组学大数据，研究人员一共发现了1627个反式剪接事件，涉及2199个基因（占基因总数的1.58%），说明反式剪接对物种转录组产生较小规模的影响。通过对反式剪接基因特征的分析，发现其与顺式剪接具有相似又不同的特征。除了发现一大批之前没有报道过的基因反式剪接事件，研究人员发现mod(mdg4)是昆虫纲中唯一保守的反式剪接事件。它起源于双翅目和鳞翅目物种的共同祖先，在果蝇和蚊子分离后发生了基因结构的巨大变迁，并经历了反式剪接exon的大规模复制扩增。这一方面证明了反式剪接在基因功能多样化中的作用，又否定了反式剪接仅仅是剪接噪音的假说。同时，这些结果也说明反式剪接在进化中受到了严格的调控，其导致基因多样化的功能并没有被广泛利用。令人意外的是，研究人员进一步发现了146个反式剪接产物与其他物种基因的顺式剪接产物高度相似，揭示了反式剪接在维持断裂基因结构方面发挥的特殊功能。这一发现暗示反式剪接通过改变对基因结构的限制，在基因和基因组的进化过程中有着特殊作用和重要的意义。

　　该工作得到了国家科技部和自然科学基金委项目的支持。