《基因组生物学》—夏庆友小组—家蚕基因表达研究

日前，国际生物学权威期刊《基因组生物学》在线发表了西南大学蚕学与系统生物学研究所夏庆友教授领衔的课题组关于利用家蚕全基因组芯片分析家蚕多种组织基因表达特征的最新研究成果。
 
家蚕是重要的经济昆虫，既能用于蚕丝的生产、也能作为生物反应器生产外源蛋白；同时，家蚕也是鳞翅目昆虫生化、分子遗传以及基因组研究的模式生物。2003年，夏教授所在的团队与中国科学院北京基因组研究所合作完成了家蚕全基因组的测序工作，构建了世界上第一张家蚕基因组框架图，2004年12月出版的《科学》期刊上发表了相关成果。家蚕全基因组序列的完成，为家蚕功能基因组研究及其重要经济性状的分子改良奠定了基础。
 
家蚕功能基因组研究的重要内容之一就是大规模地分析功能基因的表达特征，分离鉴定与家蚕重要经济性状形成相关的靶基因。为此，夏教授领导的研究小组开展了家蚕全基因组芯片的研制，并利用该芯片进行了家蚕不同组织表达谱的分析研究。
 
研究组基于家蚕全基因组数据，设计制作了世界上第一张覆盖家蚕全基因组的oligo基因芯片，共包含22987条代表家蚕编码基因的特异性探针。家蚕全基因组芯片的成功研制成为中国2006年十大科技新闻之一。
 
利用家蚕全基因组芯片，研究组首先对家蚕5龄第三天不同组织的基因表达特征进行了分析。家蚕是全变态昆虫，包括卵、幼虫、蛹、成虫四个发育阶段。5龄第三天是家蚕发育的重要阶段，物质消化代谢旺盛，丝蛋白大量合成，丝腺快速增大，个体体重迅速增加。本研究主要分析了此阶段雌雄不同个体前中部丝腺、后部丝腺、生殖腺（精巢和卵巢）、中肠、脂肪体、体壁、马氏管、血液、头等组织器官的基因表达谱。研究发现：在所调查的9个组织器官中，共有10393个基因在表达；其中，7700个基因具有组织表达差异，1642个基因具有组织表达特异性。这些基因的鉴定有助于分析不同组织的功能。
 
该研究重点分析了家蚕组织基因表达的性别偏向性以及丝腺、中肠的基因表达与其组织功能的关系。分析发现，生殖腺、马氏管、体壁、头等组织的基因表达具有明显的性别差异。丝腺是丝蛋白合成的场所，其不同部位具有不同的功能。研究组分析了丝腺前中部和后部的表达差异。在前中部上调表达的基因中，蛋白酶抑制剂可以保护丝蛋白不被蛋白酶降解；后部丝腺特异表达的bHLH作为一个特异转录因子，可能与家蚕丝腺细胞在幼虫末期的快速增殖调节紧密相关，这为阐明家蚕丝腺生长的分子机制提供了重要线索。中肠特异表达的基因中，大部分基因参与营养物质的消化与吸收，部分基因则与家蚕的防御调节相关。另外，研究还比较了家蚕与果蝇同源组织转录组的差异，结果发现：尽管家蚕丝腺与果蝇唾液腺是同源组织，但基因表达差异显著，表明两组织功能分化明显；尽管家蚕和果蝇中肠特异表达基因的功能相似，但基因的种类差异较大，暗示了两昆虫食性上的差异。这些发现为我们全面认识家蚕各组织功能、鉴定调控家蚕重要经济性状的功能基因奠定了基础。
 
该研究由西南大学蚕学与系统生物学研究所暨西南大学农业部蚕学重点实验室、蚕学与基因组学教育部重点实验室、生物芯片北京国家工程研究中心共同完成，全部工作均在国内完成。此项研究得到国家973计划、863计划和国家自然科学基金重点项目资助。