大家好，本周给大家分享的是最近发表在NC上与选择性剪接适应环境相关的一篇文章。
文章题目：Alternative splicing in seasonal plasticity and the potential for adaptation to environmental change (季节可塑性中的选择性剪接和适应环境变化的潜力)
期刊： Nature communications
影响因子：2020_IF = 14.919; 中科大类: 综合性期刊 1区; 中科小类: 综合性期刊 1区; JCR分区: Q1
发文单位：瑞典斯德哥尔摩大学、荷兰科学中心和英国利物浦大学3家单位。
文章作者：瑞典斯德哥尔摩大学Rachel A. Steward 为第一作者，Christopher W. Wheat为通讯作者。
摘要：季节可塑性是通过严格调控的发育级联来实现的，这些级联将环境线索转化为特征变化。关于选择性剪接和其他转录后分子机制如何促进可塑性，或者这些机制如何影响可塑性的进化，我们知之甚少。该研究作者使用来自蝴蝶Bicyclus anynana（季节可塑性的模型系统）的转录组学和基因组数据，比较差异表达和剪接的程度，并测试这些转录可塑性轴在进化变化潜力方面的差异。在季节变化之间，作者发现，与差异表达相比，差异剪接对一组较小但功能独特的基因产生影响。此外，作者强烈支持新的假设，即剪接基因比差异表达基因更容易受到季节可塑性选择导致的遗传变异侵蚀。研究结果表明，剪接可塑性特别容易受到遗传限制，这可能会影响野生种群对快速变化的环境做出反应的潜力。
主要结果：
1、季节可塑性中剪接比表达的作用小
作者比较了来自七个家族的成年雌性双环斑蝶腹部（69个样本）和胸部（70个样本）外显子表达的差异。为了评估剪接在可塑性中的作用，并将其与表达进行比较，作者采用全因子分析研究了季节性变体之间的差异外显子表达模式。尽管在腹部和胸部之间发现了广泛的差异外显子表达，但季节性环境对外显子使用和表达的影响在组织之间非常相似（图1a-d）。正如在其他表型可塑性生物体中发现的那样，差异剪接的基因（图1a）比差异表达的基因（图1b）少一个数量级。在季节性变体之间，腹部有4.1%的过滤基因（n=363），胸部有2.5%（n=172）的差异剪接（图1a）。
图1. 两种蝴蝶组织中的差异剪接和差异表达。在腹部和胸部显示，差异外显子表达(a)比差异全基因表达(b)的基因少一个数量级。
2、可塑性中剪接和表达的互补作用
许多差异表达基因的外显子没有显著差异，这表明外显子表达和整个基因表达在可塑性中起着非冗余作用。例如，在按季节差异表达的腹部基因中（n=5335），只有4%的基因也按季节表达不同的外显子（图2a）。然后，作者定量评估了差异外显子和全基因表达在可塑性调节方面的差异，发现外显子表达的基因内变化小于整个基因表达的变化（图2b）。将所有差异剪接基因的外显子水平的变化与基因水平的变化进行比较，基因表达的总体水平与这些基因内的外显子表达的相对水平之间没有关系（图2c）。为了评估季节性变体之间和家族之间受差异外显子表达影响的过程和功能的差异，我们比较了显著差异剪接、表达或两者兼有的基因的功能注释（GO注释）。富集的GO注释集之间几乎没有功能重叠（图2d），表明GO注释不太可能在全基因表达差异的基因集和外显子表达差异的基因集之间共享。
图2. 在季节可塑性中，选择性剪接对整个基因表达起着较小但互补的作用。a、对于季节和家族的主要影响，差异剪接（DS，差异外显子表达；红色）和差异表达（DE，差异全基因表达；蓝色）基因集的成对重叠（紫色）明显多于从过滤数据集的大小预测的，而在剪接或表达中具有季节性家族相互作用（SxF）的基因完全没有重叠。b、差异剪接（红色）的效应大小通常小于差异表达（蓝色）。c、在季节之间、家系之间或SxF之间进行比较时，全基因对数倍变化和外显子对数倍变化之间没有关系。d、Euler图显示，对于差异表达（蓝色）、差异表达和差异剪接（紫色）或仅差异剪接（红色）的基因，很少有GO术语在这些基因集之间重叠。
3、自然种群中季节性剪接基因的限制
使用来自野生种群的个体（图3a），作者量化了编码序列中的成对核苷酸多样性（π）来比较具有差异外显子表达、差异全基因表达或两者的基因之间的水平（图3b）。尽管使用独立数据估计π，作者在季节性环境中差异表达的整个基因中检测到π增加（图3c）。有趣的是，这种遗传变异的减少似乎不是选择性剪接本身的结果，而是一种仅在具有季节性可塑性剪接的基因中发现的模式；家族间外显子表达差异的基因和家族间全基因表达差异的基因都与π的增加在统计学意义上相关（图3d）。接下来，作者研究了这种季节性非遗传多型性的强烈选择是否会在B. anynana基因组中留下长期的选择信号。为了评估差异性，作者计算了B. anynana和Pararge aegeria（图3e）基因组之间共享的单拷贝同源基因之间的非同义核苷酸差异率（w）。在两种组织中作者均未观察到季节性差异外显子表达对w影响的一致证据（图3g）。唯一的统计支持是胸部不同季节的差异表达基因和腹部的家族差异表达基因的核苷酸差异增加（图3h）。
图3. 短期而非长期约束取决于可塑性的分子机制。a、从马拉维的宗巴采集了五只蝴蝶，并用于种群基因组学研究。b、计算了B.anynana注释中14402个基因的核苷酸多样性（π），其中10155个为多外显子。柱状图表示π值的分布。c、季节性差异剪接（DS，差异外显子表达）基因降低了π。d、家族中属于DS或DE的基因相对于基因组的其他部分倾向于增加π。e、计算了B. anynana 和Pararge aegeria 之间的核苷酸差异（w）。f、计算9306个单拷贝直系同源基因的w，其中6369个为多外显子。g、不同季节差异表达或差异剪接的基因之间的w没有差异。h、在家系中，仅DE基因的w值较高，尽管这种模式在不同组织中不一致。
4、核苷酸多样性因特定剪接事件而异
为了验证不同剪接事件类型对季节性剪接基因中观察到的遗传变异的侵蚀有不同影响的假设，作者量化了形态之间的剪接事件，评估功能性异构体的维持，并比较了不同剪接事件类型对核苷酸多样性的影响。有助于选择性剪接的各种剪接事件类型（图4a）在调节方式（cis vs trans）和导致非功能性mRNAs与功能性蛋白质亚型无义介导衰变的可能性方面都不同。基于事件的分析确定了所有选择性剪接事件（图4b）和季节性变体之间显著差异剪接的事件子集（图4b），在腹部和胸部，跳过外显子（SE）和互斥外显子（MXE）最丰富，而IR事件最少。作者在差异剪接基因中发现了对进化约束的额外证据，定义为至少包含一个季节间显著差异剪接事件的基因，与含有选择性剪接事件的基因和不含剪接的多外显子基因相比，这类基因的π较低（图4c）。根据剪接事件类型，只有包含差异剪接MXE事件的基因没有显示出类似的遗传侵蚀模式（图4d）, SE和MXE事件都涉及盒式外显子，这些外显子被包括或排除，以产生替代性蛋白质产品，并且通常依赖于比其他剪接事件类型更复杂的调节机制。
图4. 不同剪接事件类型的遗传变异侵蚀不同。a、五种主要的剪接事件类型：可变3’（A3SS）和5’剪接位点（A5SS）、跨越外显子（SE）、内含子保留（IR）和互斥外显子（MXE）。b、在腹部检测到的小部分剪接事件在季节性变体之间存在显著差异（彩色条）。c、无剪接事件（None，浅灰色）、无显著剪接（NS，深灰色）和季节差异剪接（DS，黄色）的基因之间的核苷酸多样性（π）表明季节性剪接基因的多态性降低。d、对于包含一种事件类型的基因，在所有事件类型中，DS基因中的π低于两种NS基因。
总之通过关注不同剪接的基因，作者发现了与季节可塑性相关的遗传多样性降低的模式，这与它们是纯化选择的目标一致。研究结果表明，差异剪接可能为检测可塑性表型下的重要基因提供了另一种途径。
文中所有图片均来自Alternative splicing in seasonal plasticity and the potential for adaptation to environmental change
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文章链接地址：https://www.nature.com/articles/s41467-022-28306-8.pdf
参考文献：
Steward, R.A., de Jong, M.A., Oostra, V. et al. Alternative splicing in seasonal plasticity and the potential for adaptation to environmental change. Nat Commun 13, 755 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-28306-8