九刺鱼生态型分化中表观基因组与转录组变异的相互作用：解开分子机制的奥秘

研究人员整合九刺鱼表观基因组和转录组数据，发现分子机制在生态型分化中作用不同，意义重大。

　　在自然界中，不同生物为了适应多样的生存环境，会逐渐演化出不同的生态型，就像拥有了独特的 “生存密码”。以九刺鱼为例，它们广泛分布于北半球的海洋和淡水环境中，由于两种环境在盐度、食物资源、栖息空间等方面存在巨大差异，九刺鱼在长期的进化过程中，逐渐形成了适应海洋和淡水环境的不同生态型。然而，对于这些生态型分化背后的分子机制，科学家们还存在许多疑问。尽管之前有研究发现了一些与生态型分化相关的分子变化，但对于非遗传和转录后变异的研究相对较少，尤其是在自然条件下表现出局部适应的非模式物种中。而且，不同分子机制之间的相互作用以及它们在生态型分化中的相对贡献，仍然是未解之谜。

为了深入探究这些问题，来自中国科学院动物研究所、复旦大学、香港大学等研究机构的研究人员开展了一项重要研究。该研究成果发表在《BMC Biology》上，为我们理解生物适应性进化提供了新的视角。

研究人员运用了多种关键技术方法来开展这项研究。在样本采集方面，他们在 2013 年的繁殖季节，从芬兰和瑞典的四个地点，包括两个海洋和两个淡水栖息地，采集了成年九刺鱼样本，并通过人工杂交获得 F₁代，在特定条件下养殖后选取雌性个体用于后续实验 。在实验技术上，研究人员对样本进行了 RNA 测序（RNA-seq）、小 RNA 测序（sRNA-seq）和全基因组亚硫酸氢盐测序（WGBS），以获取基因表达、miRNA 表达和 DNA 甲基化等数据。同时，利用多种生物信息学工具对数据进行分析，如使用 STAR、HTseq 等进行基因表达分析，rMATS 进行可变剪接分析，Mirdeep2 进行 miRNA 注释和表达分析，methylKit 进行 DNA 甲基化分析等。

研究结果如下：

1. 生态型间基因表达、可变剪接、miRNA 表达和 DNA 甲基化的广泛变化：通过主成分分析（PCA）和二次判别分析（QDA），研究人员发现基因表达、可变剪接、miRNA 表达和 DNA 甲基化在不同组织（脑和肝脏）以及海洋和淡水生态型之间存在明显差异。例如，在基因表达分析中，PC1 能清晰区分脑和肝脏样本，PC2 则主要区分海洋和淡水生态型样本，且在脑和肝脏组织中分别鉴定出 2,088 和 1,667 个差异表达基因（DEGs）。在可变剪接分析中，同样发现了组织和生态型之间的差异，且内含子保留（RI）在生态型分化中可能起着更重要的作用。miRNA 表达分析表明，不同组织和生态型之间的 miRNA 组成和表达存在差异，分别在脑和肝脏中鉴定出 18 和 37 个差异表达的 miRNA（DEmiRs） 。DNA 甲基化分析显示，通过 PCA 能明显区分不同组织和生态型，且在脑和肝脏组织中分别鉴定出 1,433 和 1,732 个差异甲基化胞嘧啶（DMCs）。
2. 表观基因组和转录组变异的全基因组和局部相互作用：在全基因组水平上，miRNA 和 DNA 甲基化水平共同解释了基因表达和可变剪接变异的很大一部分。然而，在局部水平上，不同分子机制之间的重叠较少。例如，差异表达和剪接的基因与 DEmiRs 的靶基因以及与 DMCs 相关的基因在很大程度上不重叠，表明这些分子机制在调节适应性分化中可能具有非平行的作用。
3. 不同分子水平的分化相对强度：研究发现，不同分子水平的分化程度存在显著差异。DMCs 在生态型之间的分化程度最高，而 DSGs 的分化程度最低，DEGs 和 DEmiRs 的分化程度则介于两者之间。此外，与 DMCs 相关的基因在大脑和肝脏组织中都显示出显著的选择信号富集，而 DSGs 和 DEmiRs 的靶基因则没有明显的富集。

研究结论和讨论部分指出，该研究首次全面地探究了九刺鱼生态型分化过程中多种表观基因组和转录组机制。尽管在全基因组水平上，表观基因组变异与基因表达模式之间存在显著相关性，但不同分子水平上生态型分化相关的基因却大多不重叠，这表明基因表达、可变剪接、miRNA 和 DNA 甲基化在调节适应性分化中具有不同的作用。此外，不同分子水平的分化程度和选择信号富集存在差异，这意味着它们在生态型分化中可能通过互补或冗余的机制发挥作用。该研究为理解生物如何通过不同分子机制适应环境变化提供了重要的依据，也为后续研究生物适应性进化开辟了新的方向。不过，研究也存在一定的局限性，如样本数量和种群有限，可能无法代表大多数海洋 - 淡水分化情况，未来需要进一步扩大样本规模和研究范围，以更深入地了解生态型分化的分子机制。