人們都說母親是偉大的,她為了孩子的生長發育,嘔心瀝血。在自然界,絕大部分昆蟲是沒有撫育行為的。也就是說,當昆蟲媽媽把自己的後代以產卵的形式留下之後,它們就靜靜地死去。那昆蟲媽媽如何無微不至的照顧後代呢？有的昆蟲是將自己的卵產在寄主植物上,卵一孵化就有食物。有的昆蟲將卵產在土壤或隱蔽的環境中,以利於後代度過不良環境。蝗蟲作為群聚型昆蟲,它們的母親能為後代做些什麼呢？2024年5月21日,必威精装版app西汉姆联 康樂院士團隊以"Parental experiences orchestrate locust egg hatching synchrony by regulating nuclear export of precursor miRNA"為題在Nature Communications在線發表研究論文,首次闡明雌蟲高種群密度經曆調控後代蝗卵同步孵化,以預先適應母親經曆過的高種群密度的信號傳遞機製。

親代環境經曆誘導的跨代效應在自然界中是普遍存在的現象。目前對於跨代效應的研究主要集中在生殖係統小RNA對後代表型調控的分子信號通路研究,而對於生殖係統中小RNA是如何響應外界環境信號的研究目前是未知的。康樂院士團隊發現,飛蝗高種群密度經曆通過調控末端卵母細胞轉錄因子FOXN1以及RNA結合蛋白PTBP1誘導miR-276表達,進而促進後代卵同步孵化的分子機製。這項研究填補了生殖係統響應外界環境信號並產生跨代效應的機製的空白。

團隊前期的研究已經證明,飛蝗響應高種群密度經曆調控卵巢中miR-276高表達從而介導後代卵同步孵化(He et al.,2016)。在這項研究中,作者首先對miR-276合成過程不同階段的產物進行檢測,確定miR-276前體(pre-miR-276)的出核轉運響應種群密度變化。之後通過pre-miR-276 RNA pull-down實驗,結合體內幹擾以及體外過表達實驗證實高種群密度飛蝗中RNA結合蛋白PTBP1促進pre-miR-276的出核與成熟。進一步的研究表明,群居飛蝗PTBP1高表達是由於轉錄因子FOXN1轉錄激活引起的,並且FOXN1在蛋白水平響應種群密度變化調控。為探究PTBP1調控pre-miR-276出核機製,作者通過體內外蛋白互作實驗、蛋白-RNA互作實驗發現PTBP1通過招募與pre-miRNA出核轉運所必須的核轉運蛋白Exportin-5 (XPO5)而促進pre-miR-276的出核轉運。除此之外,作者發現pre-miR-276上的"CU motifs"是PTBP1識別pre-miR-276的"標簽"而使PTBP1與pre-miR-276特異結合而促進pre-miR-276出核,進而導致miR-276高表達而誘導後代卵的同步孵化。

該研究揭示了高種群密度經曆下的飛蝗末端卵母細胞中轉錄因子FOXN1以及RNA結合蛋白PTBP1高表達,PTBP1通過識別pre-miR-276上的"標簽"誘導PTBP1與之結合而招募更多的XPO5而促進pre-miR-276的高效出核進而誘導miR-276介導的後代卵同步孵化。並且PTBP1促進pre-miR-276出核的機製在昆蟲中是保守的。這項研究將動物的生活經曆與生物體內微觀分子調控通路有機結合,提出了miRNA合成加工與如何響應環境的新思路和新見解,深化了對環境介導的跨代效應機製的理解。特別是提出飛蝗高種群密度經曆調控後代卵同步孵化,為未來的幼蟲聚集和成蟲大規模遷飛奠定基礎。所以,親代根據自己的生活經曆,預先安排後代的生活史對策,有利於後代適應母親曾經生活過的環境。

必威精装版app西汉姆联 博士研究生朱雅男和何靜副研究員為論文共同第一作者,必威精装版app西汉姆联 康樂院士為論文的通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃項目的資助。

文章鏈接:https://doi.org/10.1038/s41467-024-48658-7

參考文獻:

He,J.,Chen,Q.,Wei,Y.,Jiang,F.,Yang,M.,Hao,S.,Guo,X.,Chen,D.,and Kang,L. (2016). MicroRNA-276 promotes egg-hatching synchrony by up-regulating brm in locusts. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 113,584-589. Doi: https://doi.org/10.1073/pnas.1521098113.

圖1  FOXN1-PTBP1–miR-276響應高種群密度調控後代卵同步孵化的作用模式