富油微藻是能通過光合作用高效固定CO2并積累油脂的光合生物，油脂含量和面積產(chǎn)率高，是CO2減排、生產(chǎn)可再生清潔能源的重要微藻資源。膠球藻C-169（Coccomyxa subellipsoidea?C-169）是第一個(gè)從極地環(huán)境中分離并完成全基因組測(cè)序的極端環(huán)境微藻。華南理工大學(xué)魏東教授團(tuán)隊(duì)的研究人員前期研究發(fā)現(xiàn)，它在光自養(yǎng)補(bǔ)充2% CO2、缺氮條件下可以成功誘導(dǎo)C-169加速脂肪酸積累，可高達(dá)干重的48%。
圖1 不同CO2濃度下C-169的生理生化指標(biāo)及脂肪酸含量
MicroRNAs(miRNAs)是在真核生物中發(fā)現(xiàn)的一類內(nèi)源性的具有調(diào)控功能的非編碼RNA，其長(zhǎng)度約為20-25個(gè)核苷酸。成熟的miRNAs是由較長(zhǎng)的初級(jí)轉(zhuǎn)錄本經(jīng)過一系列核酸酶的剪切加工而產(chǎn)生的，隨后組裝進(jìn)RNA誘導(dǎo)的沉默復(fù)合體，通過堿基互補(bǔ)配對(duì)的方式識(shí)別靶mRNA，并根據(jù)互補(bǔ)程度的不同指導(dǎo)沉默復(fù)合體降解靶mRNA或者阻遏靶mRNA的翻譯。近年來的研究表明，miRNA參與了多種調(diào)節(jié)途徑，包括發(fā)育、病毒防御、造血過程、器官形成、細(xì)胞增殖和凋亡、脂肪代謝等等。
最近，華南理工大學(xué)魏東教授團(tuán)隊(duì)的研究人員針對(duì)膠球藻C-169細(xì)胞內(nèi)的miRNA識(shí)別和鑒定進(jìn)行了系統(tǒng)研究，在International Journal of Molecular Science發(fā)表文章“Identification and characterization of miRNAs in Coccomyxa subellipsoidea C-169”，這是第一個(gè)關(guān)于膠球藻C-169 miRNA識(shí)別及功能分析的報(bào)道。該藻種分別置于0.04%?CO2和2%?CO2的環(huán)境進(jìn)行光自養(yǎng)培養(yǎng)，第四天（根據(jù)前期研究這個(gè)時(shí)間點(diǎn)開始積累油脂）時(shí)離心收集兩組藻泥用于后續(xù)miRNA分析。通過miRbase 21.0、Gene Ontology、KEGG等數(shù)據(jù)庫對(duì)所有miRNA進(jìn)行鑒定分析，并對(duì)其調(diào)控的靶基因進(jìn)行功能分析。
圖2. (a) sRNA的長(zhǎng)度及分布。(b) miRNA的長(zhǎng)度及分布。(c)新型miRNA的前體結(jié)構(gòu)
本研究共鑒定出保守miRNA?118個(gè)和新型miRNA?6個(gè)，長(zhǎng)度均在18-24 nt之間，其中21nt比例最高。與其他微藻Botryococcus braunii、Chondrus crispus、Porphyridium purpureum和Eucheuma?denticulatum中已鑒定的miRNA相比，C-169的miRNA家族表現(xiàn)出一定的相似性及保守性。對(duì)鑒定所得miRNA進(jìn)行靶基因預(yù)測(cè)，得到384個(gè)靶基因，顯著富集于泛酸和CoA合成、C5支鏈酸代謝、2-羥羧酸代謝、丁酸代謝，以及纈氨酸、亮氨酸和異亮氨酸合成等六個(gè)過程。在215個(gè)已注釋的靶基因中，80個(gè)基因與代謝密切相關(guān)，如氧化磷酸化、光合作用、氨基酸合成及三羧酸循環(huán)等，尤其是21個(gè)靶基因富集在脂質(zhì)代謝中。盡管一些miRNA與靶基因之間存在顯著的負(fù)表達(dá)關(guān)系（Opposite regulation patterns），因?yàn)榧?xì)胞內(nèi)參與代謝過程的基因表達(dá)受多種因素影響，大多數(shù)miRNA與靶基因之間不存在這一關(guān)系。但本研究中仍有26.25%與代謝相關(guān)的靶基因參與到脂質(zhì)代謝中，表明miRNA在調(diào)控膠球藻C-169脂質(zhì)代謝中的重要性，一定程度上解釋了微藻油脂合成和積累與CO2這一環(huán)境驅(qū)動(dòng)因子的作用機(jī)制。此外，49個(gè)靶基因被鑒定參與到轉(zhuǎn)錄及翻譯過程中，包括11個(gè)剪切體、15個(gè)轉(zhuǎn)錄因子、8個(gè)翻譯因子和6個(gè)核糖體調(diào)控因子，從上游對(duì)相關(guān)代謝途徑進(jìn)行調(diào)控。
圖3 參與脂質(zhì)代謝的靶基因
本研究首次鑒定并分析了富油微藻膠球藻C-169中miRNA及其調(diào)控靶基因的對(duì)應(yīng)關(guān)系，為通過基因工程和系統(tǒng)生物學(xué)手段改造能源微藻的相關(guān)代謝途經(jīng)、強(qiáng)化油脂合成提供了重要的理論依據(jù)。
參考鏈接：
Huifeng Peng, Dong Wei*, Gu Chen*?and Feng Chen. Transcriptome analysis reveals global regulation in response to CO2?supplementation in oleaginous microalga Coccomyxa subellipsoidea?C?169.?Biotechnol Biofuels.?2016, 9, 151.?https://link.springer.com/article/10.1186/s13068-016-0571-5
Runiqing Yang, Gu Chen, Huifeng Peng and Dong Wei*. Identification and characterization of miRNAs in Coccomyxa subellipsoidea?C-169.?Int. J. Mol. Sci. 2019, 20(14), 3448. https://www.mdpi.com/1422-0067/20/14/3448?
