珊瑚礁由于全球气候变化而面临着前所未有的威胁，这些气候变化包括海温上升、海洋酸化和污染等。保护石珊瑚及其所处的环境对海洋生态系统的健康和多样性至关重要。近年来，虽然关于石珊瑚转录组和基因组的研究已有报道，但石珊瑚的独特性质对其基因组组装提出了挑战，高度杂合性和外源序列污染阻碍了高质量石珊瑚基因组的组装。例如，细胞内共生藻科、环境共生藻类和微生物伴随石珊瑚的整个生命周期，因此，去除序列污染是石珊瑚基因组组装中不可或缺的步骤。
近日，东南大学陆祖宏团队在预印本平台Research Square发表了题为“Deciphering omics atlases to aid stony corals in response to global change”的文章。研究团队利用新的工作流程，解决了珊瑚基因组组装中的难点问题，并完成了全球首批染色体水平高质量石珊瑚基因组的测序和组装。同时，研究团队还深化了领域内对石珊瑚成钙、共生以及基因组保守性和整体演化的认识。
目前，美国国家生物技术信息中心（NCBI）可以搜索到61个石珊瑚基因组，其中11个基于PacBio测序技术达到了染色体组装水平（7个小水螅体石珊瑚和4个大水螅体石珊瑚）。在此基础上，研究人员基于自己搭建的流程，详细描述了4个组装质量最好、覆盖度最高（至少400倍）的小水螅体石珊瑚基因组。其中，A.muricata、M.foliosa和M.capricornis的基因组是NCBI的参考基因组，P.verrucosa的基因组是基于常规评估的最高质量石珊瑚基因组。
分析结果表明，A.muricata、M.foliosa，M.Capricornis和P.verrucosa基因组由重复序列组成，并且大多数是转座元件（TE），特别是DNA转座子、长散布元件（LINE）和长末端重复序列（LTR），这表明TE在石珊瑚基因组中起着重要作用，特别是在复杂的演化中。此外，研究团队还在A.muricata、M.foliosa，M.Capricornis和P.verrucosa基因组中鉴定到大量的microRNA（miRNA），提示miRNA可能在石珊瑚的生理调节中发挥重要作用。
图1. 基因组组装、评估和注释
基于以上新挖掘的数据，该研究系统性揭示了石珊瑚的演化历史，通过染色体和同源盒基因的共线性分析，展示了石珊瑚基因组的高度保守性特征。此外，研究团队还结合单细胞RNA测序（scRNA-seq）和泛基因组分析，深化了对共生、钙化这两个焦点问题的理解。
图2. 石珊瑚和其他刺胞动物的染色体共同线分析
更加深入的分析发现，SIDT1作为一个核心基因存在于所有的石珊瑚，表达在几乎所有的细胞簇中。鉴于miR-100和SIDT1在研究涉及的4种石珊瑚中的高度保守性，研究人员系统地重建了石珊瑚中SIDT1的作用机制。
牵引分子动力学模拟（PMDS）分析表明，石珊瑚SIDT1四聚体具有将miRNA前体（pre-miRNA）运输穿过细胞膜的能力，使其能够进入细胞。进一步的平均力模拟（PMFS）分析表明，在穿过磷脂双层转运之前，pre-miRNA可以稳定地存在于距离SIDT1四聚体通道中心128 Å的位置（RC=128 Å）。在该位置，pre-miRNA的3' 端的G-50碱基与SIDT1蛋白的R72残基形成稳定的阳离子-π相互作用，pre-miRNA的U-53碱基与蛋白的S111和S113残基形成稳定的氢键。随后，pre-miRNA通过SIDT1四聚体通道，并经历诱导、通道开放和跨膜三个阶段。因此，该研究首次展示了石珊瑚SIDT1四聚体蛋白跨细胞膜运输miRNA前体的动态模拟过程。
图3. 石珊瑚SIDT1及其跨膜转运miRNA前体的功能
石珊瑚是唯一能够在海洋中实现负碳排放的珊瑚，这对减缓气候变化至关重要。此外，海洋的碳泵正在比预期更快地放缓，这表明曾经被认为遥远的威胁已经到来。因此，珊瑚礁的生态保护和恢复工作十分重要和紧迫。该研究利用新的工作流程和高通量染色体构象捕获（Hi-C）技术，实现了技术突破，成功组装了世界首批染色体水平的高质量石珊瑚基因组。随着对石珊瑚多组学认识的加深，综合利用基因工程技术将有利于珊瑚礁的生态保护。
同时，该研究也表明，随着测序技术的进步，将HiFi和Oxford Nanopore Technologies测序平台产出的长读长测序数据整合到工作流程中可以促进染色体的无间隙组装。作者在文章中表示：“希望本文提出的工作流程，特别是从藻类中去除外源序列污染的方法，可以帮助其他石珊瑚基因组计划的基因组组装。”
据了解，该研究涉及的数据分析优先考虑数据及相关发现的可靠性和可复制性，排除了与实际生物学背道而驰的推测性生物信息学分析结果。该工作还放弃提及不能100%重复的具体实验，如利用基因枪和CRISPR/Cas9载体或复合体进行基因编辑实验等。
论文原文：
Chunpeng He, Tingyu Han, Wanlong Huang et al. Deciphering omics atlases to aid stony corals in response to global change, 11 March 2024, PREPRINT (Version 1) available at Research Square [https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-4037544/v1].
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