牡蛎类胰岛素基因功能及转录调控机制研究

Insulin superfamily is a group of important polypeptide hormones related with many biological processes such as growth, metabolism, reproduction, and life span. However, the origin and evolution of insulin superfamily are still in controversy. The main reason is that the study of invertebrate insulin-like genes is not thorough enough to provide sufficient support for the homology with vertebrate insulin gene. In this study, we will focus on the previously identified four insulin-like genes and six transcription factors from the oyster genome, and conduct comprehensive study on the transcription regulation mechanism of insulin-like gene, for the first time in Lophotrochozoa to our knowledge. The aim of this study is to clarify the functional difference of four oyster insulin-like genes and the transcription regulation mechanism of them. The study results will not only important for clarifying the origin and evolution of insulin superfamily, but also will provide theory support and possible pathway for the usage of insulin-like genes in the improvement of economic traits of oysters.

胰岛素超家族是一类重要的肽类激素，功能主要与生长、代谢、繁殖和寿命等生物学过程有关。但是其起源问题一直存在争论，主要原因是无脊椎动物的类胰岛素缺乏深入研究，很少发现与脊椎动物的功能同源性证据。本研究将锁定长牡蛎基因组中发现的4个类胰岛素基因和筛选得到的6个相关转录因子。首次在冠轮动物中开展类胰岛素转录调控的综合研究。目的是阐明4个类胰岛素基因的功能差异，并通过6个候选的转录因子研究类胰岛素基因的上游转录调控机制。研究结果不仅对于阐明类胰岛素的起源问题具有重要意义，还对养殖动物生长发育等经济性状的选择育种实践具有重要作用。

胰岛素超家族是一类重要的肽类激素，与生长繁殖、代谢和寿命等生命过程有关。然而无脊椎动物类胰岛素缺乏深入研究，关于其起源演化及功能还存在很大争议。本研究通过系统演化分析详细研究了牡蛎类胰岛素的组成和类型；针对这些类胰岛素基因在长牡蛎血糖调节、糖原积累和性腺发育等生理过程中的作用开展了初步分析；开发了牡蛎ATACseq技术，分析了一个牡蛎类胰岛素基因（cgILP）的转录调控机制。发现长牡蛎共有4个类胰岛素基因，分别为：cgMIP123，cgMIP4，cgMILP7和cgILP。其中cgMIP123和cgMIP4属于软体动物类胰岛素，可能与生长发育、细胞分化等过程有关；cgMILP7与果蝇的ILP7具有同源性，可能发挥松弛素的功能，与生殖有关；cgILP与脊椎动物胰岛素亲缘关系较近，可能与糖原等的物质代谢有关。通过牡蛎周年生长过程与基因表达的相关性分析发现，条件指数与cgMIP123和cgMIP4基因的相对表达量具有相关性；内脏团和唇瓣组织的糖原含量与ILPs的相对表达量具有一定的相关性，其中cgMILP7的相对表达量与内脏团和唇瓣组织的糖原含量呈负相关， cgMIP4和cgILP的相对表达量与糖原含量呈正相关。通过转录组学分析发现牡蛎血糖升高后，与糖原合成和类胰岛素分泌相关的cgPPP1R3B和cgPCSK1出现了差异表达。染色质开放区测序和染色质免疫共沉淀技术鉴定到牡蛎cgILP上游存在cgPdx和cgNeuroD的结合位点。综合上述发现，推测牡蛎血糖的调控通路应该是：血糖升高后通过细胞感受器引起胞内第二信使的改变，触发细胞内相关组分引导cgPdx和cgNeuroD等转录因子结合到类胰岛素基因cgILP转录调控区的A-box和E-box，引起cgILP的合成，同时正反馈调控类胰岛素多肽加工相关酶cgPCSK1的大量合成，剪切形成成熟的cgILP。cgILP多肽与靶细胞表面的受体结合，通过第二信使途径进一步调控糖原合成相关基因cgPPP1R3B的表达发生变化。以上发现为进一步研究牡蛎生殖、糖原积累等重要生理活动的调控机制奠定了基础。所鉴定到的cgPdx, cgNeuroD, cgPCSK1, cgILP等基因，为进一步揭示牡蛎类胰岛素基因功能奠定了基础，在牡蛎品质育种等应用中具有重要的价值。