近日，中國海洋大學海洋生物多樣性與進化研究所原生動物學團隊高鳳教授課題組在Science Advances（《科學進展》）雜志發表了題為“Soma-derived
30-nt small RNAs are coupled with chromosome breakage
and precisely target nontransposon DNA against
elimination in Euplotes vannus”（扇形游仆蟲中母本體細胞系來源的30nt小RNA與染色體斷裂偶聯并精確靶向非轉座子DNA序列使其保留在子代體細胞核中）的研究成果。該研究以海洋纖毛蟲為模式材料，鑒定了一類在有性生殖時期特異性合成的小RNA，系統闡明了這類小RNA的來源、加工機制及其在維持基因組穩定性中的關鍵作用，為理解真核生物中小RNA介導的跨代遺傳信息傳遞提供了全新視角。
轉座子普遍存在于真核生物基因組中且占比豐富，其在生物多樣性的形成與演化過程中發揮了至關重要的作用。但轉座子對基因組的完整性與穩定性存在威脅，因此大多數真核生物進化出了小RNA介導的轉錄及轉錄后沉默機制來實現轉座子的抑制。纖毛蟲原生生物作為一類古老但高度特化的單細胞真核生物，采用了一套更為激進的策略：將生殖系基因組和體細胞系基因組“裝”進兩種不同的細胞核（即生殖核與體細胞核），轉座子只保留在轉錄沉默的生殖核里，而在有性生殖的體細胞核發育過程中直接從體細胞核基因組中刪除，即在基因組水平進行抑制。有關該過程的研究對于轉座子的起源、調控機制和演化過程的理解具有重要的科學意義，但相關的分子機制依然大量不明。
高鳳教授課題組前期與合作者一起，以纖毛蟲模式生物—第四雙小核草履蟲為材料，解析了多梳蛋白抑制復合體PRC2、配子特異性因子GTSF1等關鍵蛋白偶聯小RNA在轉座子識別和刪除過程中的作用機制（Nucleic Acids Research,2024; Cell Reports,2022）。為了更好地了解真核生物轉座子調控的分子機制和演化過程，高鳳教授帶領課題組成員建立了海洋纖毛蟲新模式體系——扇形游仆蟲（Euplotes vannus）（SCIENCE CHINA Life Sciences, 2025; Molecular Ecology Resources,2019）。
圖1.扇形游仆蟲生殖系基因組特征
在本研究中，課題組成員進一步通過PacBio高通量測序技術完成了對該海洋纖毛蟲生殖系基因組的高質量測序和組裝，發現其中超過80%的序列為轉座子等生殖系特異性序列，并且這些片段大多插在基因編碼區，因此必須在體細胞核發育過程中被精確刪除。
為了進一步探究這些序列被精確刪除的分子機制，課題組成員鑒定了一類在有性生殖時期特異性合成的——30-nt小RNA，研究發現這些小RNA來自母代體細胞核，其前體長鏈非編碼RNA的轉錄，起始于母代體細胞核染色體末端亞端粒區的一個高度保守的染色體斷裂位點（5′-TTGAA-3′）。這些前體被Dicer-like核酸內切酶1（Dcl1）切割成長度約為30nt的小RNA，形成整個體細胞核基因組的緩存副本。進一步的實驗證明，這些成熟的小RNA能夠精確靶向并保護發育中子代體細胞核的同源DNA片段，而沒有被小RNA保護的轉座子等生殖系特異DNA片段則被全部刪除，從而實現轉座子的抑制和遺傳信息的精準跨代傳遞。該發現進一步揭示了小RNA系統的靈活性——既能適應不同長度的RNA片段，又可兼容基因組雜合位點，這可能有助于物種在進化過程中維持遺傳多樣性。
利用這一發現，課題組成員首次實現了對游仆類纖毛蟲的基因敲除技術。通過顯微注射人工合成的小RNA，“欺騙”細胞保留特定序列，從而成功突變了Dcl1的編碼區，獲得了Dcl1功能缺失型突變體，進一步驗證了該蛋白在小RNA產生過程中的功能。最后，結合全時期轉錄組分析和同源基因鑒定，提出了游仆蟲中小RNA介導的DNA精準刪除的分子模型。這一研究推進和拓展了人們有關轉座子調控的認知，為理解小RNA在跨代遺傳信息傳遞及基因組穩定性維持中的作用提供了新視角。
圖2.30nt小RNA在扇形游仆蟲DNA精確刪除過程中的作用模型
高鳳教授（前排左三）和論文第一作者呂立平（后排左三）、丁畢佳（前排左一）
該研究由海洋生物多樣性與進化研究所原生動物學團隊高鳳教授課題組完成。高鳳教授為本文通訊作者，博士研究生呂立平、丁畢佳為共同第一作者，博士畢業生付錦玉、德國馬普生物研究所Estienne C. Swart博士、瑞士伯爾尼大學 Mariusz Nowacki 教授、Iwona Rzeszutek博士亦對本研究有重要貢獻。研究工作得到國家自然科學基金、山東省泰山學者青年專家計劃、嶗山實驗室科技創新項目等資助。
文：張川
文章鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adx3690
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