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研究人员分析了7个不同的器官在发育期间的基因表达，发现不同物种的器官在发育早期最为相似，然后就变得不同。他们发现，蛋白质编码基因和lncRNA最初都是广泛表达的，但在发育后期就变成器官和谱系特异性的。
在人类及其他动物的器官发育过程中，基因表达想必也发生了很大的变化，包括长链非编码RNA（lncRNA）。不过，人们尚未对这些变化进行系统鉴定。近日海德堡大学领导的研究团队对多个物种的大量转录组数据进行分析，探索了其中的奥秘。
研究人员分析了7个不同的器官在发育期间的基因表达，发现不同物种的器官在发育早期最为相似，然后就变得不同。他们发现，蛋白质编码基因和lncRNA最初都是广泛表达的，但在发育后期就变成器官和谱系特异性的。
这两项成果于6月27日发表在《Nature》杂志上。通讯作者是海德堡大学分子生物学中心的Henrik Kaessmann和Margarida Cardoso-Moreira。
在19世纪，著名生物学家、比较胚胎学之父冯•贝尔（Karl Ernst Von Baer）曾经提出，不同脊椎动物的早期胚胎是极其相似的。在发育的早期，人们很难将哺乳动物的胚胎区分开。
海德堡大学分子生物学中心的负责人Henrik Kaessmann表示：“利用现代的分子方法，我们第一次证明了19世纪的这个假设。”他认为，区分不同物种的器官性状直到发育后期才开始出现。
基因表达的变化
在第一项研究中，Kaessmann及其同事选择了7种动物作为研究对象，分别是人类、恒河猴、小鼠、大鼠、兔、负鼠和原鸡（red junglefowl）。他们检测整个发育过程中7个不同器官的基因表达，包括大脑、小脑、心脏、肾脏、卵巢、睾丸和肝脏。
研究人员对这些转录组数据开展主成分分析（PCA），发现它们首先是按照器官来源的胚层分组的，然后是根据发育阶段和物种分组的。
研究人员报告称，每个器官中79%-91%的蛋白质编码基因在表达上呈现出时间差异。他们还指出，对于每个物种，只有一个器官中6%-15%的基因是在发育中动态变化的基因。
在比较各个物种的基因表达模式时，研究人员发现，不同动物的相应发育阶段呈现出相似的基因表达。在发育后期，他们注意到器官特异性的基因表达增加，而细胞分裂和形态发生的基因表达减少。
在个体基因水平上，他们进一步了解到发育轨迹有时因物种而异。大脑表现出最小的轨迹变化，只有11%，而肝脏和睾丸表现出最大的变化，分别为23%和27%。基于此，研究人员认为促成器官形成的基因表达变化在发育后期变得更加明显。
lncRNA的变化
在第二项研究中，Kaessmann领导的研究团队利用相同的转录组数据集，研究了不同物种的长链非编码RNA在器官发育过程中的发育动态。
研究人员总共鉴定出15,000-35,000个候选lncRNA，代表了大约一半的人和小鼠lncRNA和反义转录物以及新颖的lncRNA。他们指出，大多数的lncRNA是物种特异性的。与蛋白质编码基因不同，只有一部分lncRNA呈现出发育动态的表达。
不过，研究人员指出，这些发育动态的lncRNA更接近蛋白质编码基因，它们往往更长，并含有更多的外显子。超过四分之三的发育动态lncRNA被认为具有功能影响，而CRISPR干扰分析表明其中大多数参与了细胞增殖。
到发育的后期，研究人员发现广泛表达的保守lncRNA逐渐转变为谱系和器官特异性的lncRNA，这一点与蛋白质编码基因相似。他们指出，这表明lncRNA在器官发育的各个阶段均有贡献。（生物通 薄荷）
原文检索
Gene expression across mammalian organ development
Nature (2019)
Developmental dynamics of lncRNAs across mammalian organs and species
Nature (2019)
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