暨南大学翻译组学破解东海原甲藻赤潮机制

时间:2021年5月21日
来源:暨南大学

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日前,暨南大学张弓、孙雪松、何庆瑜课题组在蛋白质组学领域权威期刊Journal of proteome research上发表文章,首次破解东海原甲藻的翻译组,发现赤潮爆发的核心是翻译自激活正反馈循环,并发现用极低成本的方法就能有效压制赤潮爆发。

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日前,暨南大学张弓、孙雪松、何庆瑜课题组在蛋白质组学领域权威期刊Journal of proteome research上发表文章,首次破解东海原甲藻的翻译组,发现赤潮爆发的核心是翻译自激活正反馈循环,并发现用极低成本的方法就能有效压制赤潮爆发。

赤潮是特定海洋藻类爆发的现象,对沿海地区的生态和近海渔业造成毁灭性的打击,在中国每年造成数百亿元的损失,传统的处理方法收效甚微。因此对赤潮藻类的研究成为关系到国计民生的研究。中国近海赤潮的一种优势藻类是东海原甲藻(Prorocentrum donghaiense),然而对与东海原甲藻的研究进展十分迟缓,其中一个重要原因是,东海原甲藻的基因组实在太大了,2.6Gb的基因组已经接近人的基因组,使得完整测序和注释基因组极端昂贵,而且是间核生物,兼具原核生物和真核生物的特点,一般的研究方法不太容易奏效。

针对这些难题,课题组利用了其开发的独门绝技——翻译组学,在无法测定基因组的情况下,直接测定翻译中的mRNA,并进行拼接,用较低的测序通量拼接出正在翻译的mRNA序列,进行功能注释。拼接出的contigs有大量的错误,因此使用了高容错、高准确性的FANSe算法进行比对和定量,准确找到了差异基因并得到了功能实验的证实。研究组进而发现在富磷和缺磷条件下差异的翻译中mRNA并不富集在少数通路下,而是散布在几乎所有的细胞内物质和能量生产中,尤其是翻译系统的各种组分。

由翻译组生成的参考库非常精准,远优于近缘生物的参考库,因此质谱鉴定到的蛋白质比传统方法有数量级的提升。在如此高精度的蛋白质组数据中,上述翻译组层面的发现能得到蛋白质组层次的验证。因此,翻译系统的自激活正循环是促使整个系统从正常状态急速转变为疯狂生产物质的状态,而能量生产系统的急速增加,又为翻译这一细胞内最耗能的过程提供了大量的能量支持。由于这一正反馈环路外延涉及非常多的通路,因此传统上针对某一通路的干预方法并不有效。这一正反馈的核心在于翻译,那么只有干预翻译系统才有可能打破正反馈循环。研究组使用极低浓度的放线菌酮对东海原甲藻进行低强度的翻译抑制,即可成功地压制其爆发,而这种浓度不会对人或其他水生生物产生可察觉的影响。放线菌酮是天然产物,在自然界中几天即可自然降解,因此是一种低成本、环保的治理方法。

在本研究中,翻译组测序拼接起到了核心的作用。对非常复杂、基因组无法测定的生物,翻译组测序可有效避开大量的非编码RNA,只测那些能翻译成蛋白质的(直接执行功能的)mRNA,使拼接问题规模大大减小,降低成本的同时提高精度。而高精度、高容错率的FANSe算法可有效规避拼接中的错误,可精确的定量,完全得到实验证实。这建立了一种方便高效的非模式物种功能研究的新策略。

这已经不是该研究组第一次用原创的新技术解决复杂的非模式物种的功能研究难题了。早在2015年,暨南大学张弓和王莹教授课题组首创了宏转录组直接拼接方法,利用自研FANSe算法的高精度、高稳健性和高容错性,解析了紫根水葫芦高效吸附重金属的原理,鉴定了起到重金属结合作用的共生真菌的功能基因。这项成果被写入了国家统编教材《基因工程原理与技术》(王傲雪主编,高等教育出版社出版)。

 

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