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科研 | 鱼类转录组学研究概况

2021-09-24 18:00:38

渔业知识服务

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现代高通量测序技术的迅速发展,使得通过不同方式来获得鱼类基因信息的过程变得更加快捷高效,转录组测序的对象变得更加广泛,精准率也得到了明显的提高。第二代测序技术出现后,鱼类的转录组学研究达到了空前的热度。但是,测序技术的迅猛发展也逐渐暴露出一些问题,鱼类转录组学的发展面临着新的挑战。本文对转录组学技术的发展历程及其在鱼类研究中的应用概况进行了介绍,并对鱼类转录组学的进步进行了总结与展望。


一、转录组与转录组学的含义

转录组学、代谢组学、蛋白质组学等各种组学技术陆续出现, 其中转录组学技术率先取得进步并被认为是应用最为深入的技术手段之一。遗传学的中心法则显示:DNA 上的一系列遗传信息可以经由生物细胞内的信使RNA(mRNA)在各项程序的精密调控下传递给蛋白质。因此,科学家们认为,RNA在DNA与蛋白质之间承担着生物信息传递的“纽带”职能,而所有能够进行表达的基因所转录出的RNA及其转录水平,综合起来被称为转录组(Transcriptome)。转录组最重要的特点是特定的时间性和空间性,转录组研究不仅反映了个体的特定组织在某种生长发育阶段下基因的表达水平,还可以用来比较同一部位在不同生存环境下基因表达水平的不同,这正是由转录组所具有的时间特性和空间特性所决定的。转录组分为广义转录组和狭义转录组,其中细胞或组织所转录出来的RNA总和被称为广义转录组,细胞中参与翻译蛋白质的所有mRNA的总和则被称为狭义转录组。而转录组学则是指一门在整体水平上研究细胞中基因转录的情况及转录调控规律的学科。

二、转录组学技术的优点

转录组学技术具有许多可观的优点:

1、灵敏度较高,因此可以检测和定额痕量的RNA;

2、不需预先得到所要研究物种的基因信息,因此适用于无参考基因序列的物种;

3、获得的数据丰富;

4、能够获得细胞或组织中全部的RNA信息。通过将RNA反转录为cDNA的方式进行测序,开发大量的SNP和SSR分子标记,并进行可变剪接的研究和定量分析。


三、转录组学技术

(一)转录组学技术分类


依据不同的原理,可以将转录组学技术划分为两类,如表1所示。



(二)转录组学技术流程

转录组测序流程和项目分析的流程如图1所示。



四、转录组学技术在鱼类研究中的应用

(一)在鱼类发育生物学研究中的应用


鱼类遗传育种、人工繁殖、动物胚胎与生殖工程等技术的发展和应用要求对鱼类生殖细胞的发生、受精等过程进行更为深入的研究,因此运用转录组学技术开展鱼类发育生物学各个领域的研究工作正在稳步进行中。

(二)在鱼类受环境胁迫研究中的应用

不同的养殖环境会对鱼类组织的生理生化水平造成不同程度的影响,分析鱼类组织在环境胁迫下的转录组变化及其涉及到的调控机理可以揭示鱼体针对不同环境改变所做出的生长发育、物质代谢、免疫调控及相关信号通路的响应。因此,转录组分析被广泛应用于研究鱼类基因表达受环境胁迫的影响领域。

(三)在鱼类适应性进化研究中的运用

通过分子生物学手段研究生物的环境适应性及其遗传与变异是进化生物学领域的机遇与挑战,而转录组学技术提供了一种对生物体在不同状态下基因的差异表达状态进行深入探究的工具。因此,转录组分析近年来也应用于研究鱼类的适应性进化方面。

(四)在鱼类免疫学研究中的运用

高密度养殖是人工养殖的重要特点,然而鱼类病害却制约着水产养殖业的健康发展。为了减少经济损失,转录组学技术也应用到了鱼类的免疫学研究中。目前转录组学在鱼类免疫方面的研究主要集中在鱼类被寄生虫、细菌和病毒感染前后的免疫相关基因的差异表达和分子标记物的发现等方面。

五、总结与展望

以第二代测序技术为代表的高通量测序技术得到广泛应用后,转录组学领域获得快速发展。例如对于癌症治疗来说,目前已经逐步进入了精准治疗时代,即根据癌症患者的基因组特征和转录组特征来精准指导用药,这种治疗模式因其无创性和精准性获得了医生和患者的青睐。对于新型冠状病毒的研究,可以对其基因组进行测序分析,根据不同病毒亚型之间的基因组差异来做进化分析,对病毒的发生进行溯源并区分不同亚型的毒性强弱等,甚至对疫苗研究也有一定的指导意义。近年来,转录组学技术相继应用到鱼类的发育生物学、环境胁迫、适应性进化和免疫生物学等领域中,得到大量的基因差异表达和结构功能信息,对深入研究鱼类的生长发育、病虫害和遗传进化等起到了重要作用。

与此同时,现阶段转录组学在鱼类研究中面临的问题与挑战也是不容忽视的。第一,与人类和其他主要农作物相比,鱼类转录组学研究在转录组学研究领域还相对落后。尤其是鱼类种类庞杂,缺少大量的基因组信息,这就给基因注释造成了困难。第二,我国幅员辽阔、生物资源丰富,高海拔地区和其他极端环境中也存在多种鱼类,然而由于环境恶劣,鱼类的样本采集和有效保存都存在着巨大问题。第三,当前鱼类转录组学方面的研究很少应用单细胞转录组测序技术,基本上仍是用鱼类的整个组织或器官,然而鱼类的基因表达情况在不同的细胞行使的功能是不同的。

未来鱼类的转录组学研究趋势,首先要扩大鱼类转录组学的研究领域,进一步发展和丰富鱼类的基因组信息。除此之外,要增强对极端环境中鱼类的了解,解决目前普遍存在的如何有针对性地采集组织样品进行专项研究以及如何妥善保存样品并应用到以后的科学研究等方面的问题。随着单细胞转录组测序技术取得突破性进步和成本的逐步下降,采取单细胞转录组测序方法能够具体研究不同细胞中基因的表达状态,从而减少误差发生;但仅仅应用转录组学这一种组学技术尚且存在一定的局限性,因此转录组测序技术与基因组学、甲基化组学、代谢组学和蛋白质组学等方法结合的策略应当被广泛应用,多组学联合分析是转录组学研究发展的重要方向。

综上所述,转录组学技术为鱼类生长发育、抗病免疫等方面提供了一种崭新的研究手段,并因其高灵敏度和较低的成本等优点得到了众多研究者的青睐。尽管转录组学技术在鱼类的研究中尚存在一定的局限性,但随着测序技术的进步和单分子测序技术的发展,转录组也与基因组、代谢组等组学进行多组学联合分析,这将为更加深入地研究鱼类生长发育、适应性进化、抗病免疫和遗传育种等创造条件。

参考:渔业信息与战略期刊;2021年36卷第3期.段晓晨1,2,程起群1,*;
1.中国水产科学研究院东海水产研究所;2.上海海洋大学水产与生命学院
期刊投稿:https://www.ecsf.ac.cn/jgsz/zctx/yyxxyzl_.htm
具体全文:https://t.cnki.net/kcms/detail?v=3uoqIhG8C46NmWw7YpEsKIiWgUt1OIIOag2XIKnaLQGaa-qVBOqO5DT_MB6xAYAwmHMJWhBwiQp3pnqV_ZE2cX8YK0AIZzH3&uniplatform=NZKPT
 

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