PLAG1基因通过PI3K/Akt通路调控牛肌肉发育的表观遗传调控机制

Animal growth and development depends on the selective expression of genetic information. Epigenetic modifications play an important role in regulating muscle development. Pleomorphic adenoma gene 1 (PLAG1) is a transcription factor which affects bovine body height, body weight and muscle development and other growth traits. Moreover, methylation of genomic CpG island affects the expression of PLAG1. PI3K/Akt is one of the most important signaling pathways for muscle differentiation which could regulate the transcription of PLAG1 by some certain mechanisms, whereas the specific regulatory mechanism is unclear. In this project, Qinchuan cattle as the research object, we will use the RNA interference, immunofluorescence, chromatin immunoprecipitation (ChIP), bisulfite sequencing PCR (BSP) and many other methods to analyze whether the PI3K/Akt signaling pathway participates in the transcriptional expression of PLAG1 at the molecular, cellular and animal level; reveal the effects in epigenetic modifications and the expression of PLAG1 when PI3K/Akt signaling pathway is changed. These results have important biological significances to reveal epigenetic mechanisms of PLAG1 gene regulating muscle development by PI3K/Akt pathway in cattle; Determine its relevance to the meat traits by the correlation analysis of molecular markers. This project aimed to establish a theoretical basis for beef cattle breeding and high-efficient production.

动物生长发育依赖于遗传信息的选择性表达，表观遗传修饰对肌肉发育具有重要的调控作用。多形性腺瘤基因1（PLAG1）是影响牛的体高、体重和肌肉发育等生长性状的转录因子，该基因CpG岛的DNA甲基化修饰影响其mRNA表达；PI3K/Akt是肌肉分化最重要的信号通路之一，PLAG1可能通过PI3K/Akt信号通路调控牛肌肉生长发育，但调节机制尚不清楚。本项目以秦川牛为研究对象，在分子、细胞和个体水平，运用RNA干扰、免疫荧光、染色质免疫沉淀（ChIP）和亚硫酸氢盐修饰后测序（BSP）等技术，分析PI3K/Akt信号通路是否参与PLAG1的转录表达；探索PI3K/Akt信号的改变对PLAG1表观修饰及其表达的影响；阐明PLAG1通过PI3K/Akt信号通路调控牛肌肉发育的表观遗传调控机制，通过分子标记的关联分析确定其与产肉性状的相关性，为黄牛肉用选育和高效生产奠定理论基础。

背景：在畜牧业中，肌肉的产量和质量是肉用家畜的重要经济性状，对养殖产业的经济效益起决定性作用；我国地方黄牛具有独特的基因资源，如何从遗传学的角度来阐释肉用性状的形成原因及其分子调控机制，一直是中国肉牛改良育种工作的研究重点。多形性腺瘤（Pleiomorphic Adenoma Gene 1，PLAG1）基因是影响牛体高与体型的重要候选主效基因，但关于此基因的研究多集中在生物信息学层面，对其具体功能的研究鲜见报道。因此，对其在肉牛肌肉发育过程中的功能及其机制进行研究有助于解析黄牛肌肉生长发育相关基因的分子调控机制，对肉牛的遗传改良具有重要的理论和实际意义。.主要研究内容：本项目研究了转录因子编码基因PLAG1在秦川牛不同组织、不同时期的表达情况，并探究了DNA甲基化对PLAG1表达变化的影响。接下来研究了PLAG1对肌肉发育过程中增殖、凋亡这两个细胞生命活动的基本作用。并利用Chip-seq探究了该转录因子的下游靶基因及其对应的信号通路。.重要结果：本研究发现PLAG1在秦川牛胚胎期高表达，并且在心脏、肌肉等组织表达相对较高。利用重亚硫酸盐测序法对不同时期的肌肉组织内PLAG1的甲基化情况进行研究发现，DNA甲基化程度没有显著改变，说明DNA甲基化并不是导致PLAG1在胚胎期及成年期差异表达的主要原因。CCK-8、EdU、qPCR、Western blot、流式细胞技术等的结果显示PLAG1能够促进牛原代成肌细胞的增殖并抑制其凋亡。Chip-seq的结果显示PLAG1能够与IGF2BP1、IGFBP2、IGFBP1、IGFBP7、AKT1、AKT2、AKT3、PIK3IP1、PIK3R5等众多与PI3K/AKT信号通路存在紧密联系的基因富集。Western blot结果显示PLAG1能够通过PI3K/AKT信号通路中与增殖、凋亡相关的通路来发挥作用。.关键结果：PLAG1通过PI3K/AKT信号通路促进成肌细胞增殖和抑制成肌细胞凋亡。.科学意义：较为系统地研究了PLAG1在牛肌肉发育过程中的作用，有助于解析黄牛肌肉生长发育相关基因的分子调控机制，为肉牛的遗传改良提高理论依据与技术支撑。