“遗传补偿效应”（genetic compensation response，GCR）是指生命体某个基因功能失活后，其功能被其他基因或途径补偿的现象，同源基因依赖的遗传补偿（homology-dependent genetic compensation response，HDGCR）是实现GCR的重要方式之一。在斑马鱼中，人们利用基因编辑技术制备的遗传突变体中约有80% 没有表型，HDGCR是造成这种现象的主要原因之一。2019年，Stainier实验室与本团队实验室同时在Nature发表论文揭示带有提前终止密码子（Premature termination codon，PTC）的无义突变mRNA及其诱导的同源基因激活表达是HDGCR被激活的前提条件，且发现介导无义突变mRMA降解的途径（NMD）以及负责H3K4me3修饰的COMPASS复合体介导了HDGCR。然而，对于NMD途径中究竟是Upf1还是Upf3a在HDGCR激活过程中起关键作用，仍然存在争议。
2023年6月27日，彭金荣教授课题组在《Cell Discovery》（IF= 33.5）在线发表题为Upf3a but not Upf1 mediates the genetic compensation response induced byleg1 deleterious mutations in a H3K4me3-independent manner（https://doi.org/10.1038/s41421-023-00550-2）的研究论文，该最新研究成果揭示了Upf3a而非Upf1介导斑马鱼leg1基因的HDGCR。
在斑马鱼中，互为同源的基因leg1a和leg1b于肝脏富集表达。彭金荣实验室之前的研究发现，通过向授精卵中注射leg1a基因特异的反义吗啡啉寡核苷酸（morpholino）敲低Leg1a表达后会导致小肝脏表型，但leg1a基因敲除的leg1azju1/zju1突变体肝脏发育却基本正常，qPCR结果显示，leg1azju1/zju1突变体中同源基因leg1b的表达上调，暗示突变体中HDGCR被激活。该论文利用基因编辑技术构建了leg1azju1/zju1、leg1bzju1/zju1和leg1azju3/zju3leg1bzju1/zju1三种突变体斑马鱼。通过整胚原位杂交实验发现，leg1azju1/zju1和leg1bzju1/zju1两种单突变体早期消化器官发育正常，而双突变体在早期肝脏、外分泌胰腺和肠道发育均受阻，暗示了leg1a和leg1b在胚胎肝脏发育中的冗余功能。接着，利用转录组数据分析和morpholino敲低实验证明了leg1azju1/zju1突变体肝脏能正常发育是由于HDGCR被激活，促进了leg1b表达上调，上调的Leg1b功能性补偿了Leg1a的缺失，从而保护了肝脏的正常发育。随后，通过遗传杂交的方法获得了upf3a-/- leg1azju1/zju1和upf1-/- leg1azju1/zju1双突变体。通过整胚原位杂交实验证明了upf3a-/- leg1azju1/zju1双突变体表现出与leg1azju3/zju3leg1bzju1/zju1双突变体相似的小肝脏表型。转录组测序分析证明，敲除upf3a能阻断leg1azju1/zju1突变体中leg1b的转录上调，且能改变leg1azju1/zju1突变体中相较于野生型的DEGs的表达谱，而敲除upf1却无法实现，说明leg1azju1/zju1突变体中HDGCR被激活依赖于Upf3a，而不是Upf1。综上所述，通过对从4种单基因突变体和3种双基因突变体收集的71个样品进行转录组分析，同时联合整胚原位杂交技术、蛋白印迹实验、morpholino敲低实验等，我们证明了斑马鱼leg1azju1/zju1突变体中HDGCR被激活，leg1b表达上调依赖于Upf3a而非Upf1。
该成果成功区分了Upf3a和Upf1在HDGCR中的功能，加深了我们对HDGCR发生的认识，为今后进一步深入研究“遗传补偿效应”机制打下了基础。
本工作主要由彭金荣教授团队的谢艾轩博士生和马志鹏研究员完成，彭金荣教授、陈军教授和马志鹏研究员为共同通讯作者。此项研究主要由国家基金委和科技部有关项目（31830113, 31571495，2018YFA0800500）的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41421-023-00550-2
图注：带有提前终止密码子（PTC）的无义突变mRNA如果被无义mRNA降解途径（NMD）中的Upf3b结合，则被降解；但如果是被Upf3a结合，则能介导同源基因的激活表达，实现遗传补偿效应（HDGCR）。EJC，外显子剪辑复合体；TC，翻译终止密码子。
科研科
2023年6月28日