全基因组关联分析解析可变剪切丰富基因功能和调控表型变异的遗传基础

【作者】 陈秋月； 韩英佳； 刘海军； 王旭峰； 孙嘉旻； 赵炳浩； 李威亚； 田金歌； 梁亚盟； 严建兵； 杨小红； 田丰；

【机构】 中国农业大学； 华中农业大学；

【摘要】 【研究背景】可变剪接,又称选择性剪接,是指前体mRNA通过选择不同的剪接位点,将内含子切除,把不同的外显子连接在一起从而产生多种成熟mRNA剪接异构体的过程。可变剪接在真核生物中广泛存在,是调节基因表达和产生蛋白质组多样性的重要机制。【材料与方法】为了解析可变剪接自然变异的遗传调控基础,揭示可变剪接如何与其它分子调控机制偶联以及可变剪接对表型变异的贡献,本研究以368份玉米自交系的未成熟籽粒为研究材料,利用先前发表的转录组数据分析了玉米全基因组水平的可变剪接情况,并利用全基因组关联分析(GWAS)的方法进行了可变剪接变异数量性状位点(splicing quantitative trait locus,sQTL)定位。【结果与分析】研究发现玉米基因组中超过50%的基因存在可变剪接,内含子保留为最主要的可变剪接方式。可变剪接自然变异遗传结构相对简单,顺式调控效应远远高于反式调控效应。分析sQTL的效应发现仅有25%的sQTL存在不同基因型间主要转录本的转换,大部分sQTL仅涉及到较小剪接比的变化。深入分析sQTL的调控特征发现,sQTL所调控的转录本倾向具有不同的蛋白功能,并且无义介导的mRNA降解(nonsense-mediated mRNA decay,NMD),microRNA以及小干扰多肽(small interfering peptides,siPEPs)频繁参与sQTL调控,说明可变剪接除了增加转录组和蛋白质组的多样性外,也通常与不同层次的分子调控机制偶联调控基因的表达和翻译。研究还观察到可变剪接与基因总体表达水平受相对独立的遗传调控,体现在对顺式调控元件的不同偏好性上。通过鉴定全基因组反式剪接调控因子,发现一个编码甘氨酸富集RNA结合蛋白ZmGRP1调控大量下游基因的可变剪接,并利用CRISPR/Cas9敲除系证实了ZmGRP1对可变剪接的调控作用。研究进一步发现很多sQTL直接与表型性状QTL共定位,并且大多数共定位的sQTL不影响基因总体表达水平的变化,说明可变剪接对表型变异发挥了重要作用。【结论】该研究为理解可变剪接的遗传与分子调控机制提供了重要参考,同时也为研究表型变异提供了重要线索。更多还原