综述：两种鲫鱼之间的种间杂交及回交导致SINE等位基因表达失衡

《Aquaculture》：Interspecific hybrid and backcross between two crucian carp causing expression imbalances of SINE allelic genes

基因组不相容性调控下SINEs在杂交鲤中的动态变化及其对基因表达的影响

　　

叶珠|王宇|曾云|王俊|周毅|王成辉|刘东

上海海洋大学海洋动物分类与进化重点实验室，中国上海201306

摘要

种间杂交会导致基因组不兼容，并重新激活转座子的移动性，从而影响基因表达。然而，杂交对短分散核元件（SINEs）的影响仍知之甚少。在本研究中，我们检测了两种杂交品种中SINEs的动态和功能后果：WR（白鲫鱼（WCC）与红鲫鱼的杂交后代）和WR-II（WR与WCC的回交后代）。通过全基因组重测序，鉴定了每种/每个品种特有的tRNA来源的SINEs。WR中的SINEs的中位传递频率为16.7%，显著低于WR-II的58.3%至65.5%（p = 0.0002）。杂交降低了杂交后代中SINEs的遗传效率和等位基因频率，表明为了基因组的兼容性，不兼容的SINE基因型被选择性地消除。父母本之间SINEs的差异增加了WR的杂合性。随后的回交恢复了来自父本WCC基因组的SINEs保留，并降低了WR-II的杂合性。重要的是，3′-末端重复序列中的累积突变损害了转座活性，阻止了SINE等位基因产生功能性转录本。在基因间区域，含有SINE插入的杂交基因表现出加性表达。相比之下，含有内含子/外显子插入的基因表现出等位基因表达不平衡，单等位基因表达是由于SINE等位基因的丢失。在WR中观察到低亲本优势表达，而像DOC2B、USP10和PTGR1这样的基因在WR-II中表现出显著的高亲本优势表达（P < 0.01）。这种等位基因特异性表达可能是WR-II杂合性的基础。我们的发现表明，SINE介导的等位基因变异有助于基因组的兼容性，并调节相邻基因的表达，为杂交鱼的杂合性提供了新的见解。

引言

杂交已成为鱼类育种中的常用方法，能够整合不同物种的基因组，从而在杂交后代的表型和基因型中引起显著变化。到2017年，中国政府批准的改良鱼类品种中约有50%是通过基于杂交的育种策略开发的（Wang等人，2019年）。分子生物学技术，包括标记辅助选择和基因组选择，使得预测和观察到的表型能够被精确鉴定和整合，从而提高了理想性状的遗传增益。这一进步确保了后代更适合现代水产养殖和市场条件（Liu等人，2025年）。杂交研究中的一个著名例子是白鲫鱼（Carassius auratus cuvieri，WCC）与红鲫鱼（Carassius auratus red var.，RCC）之间的杂交。这两个物种具有不同的表型和生物学特性，使其成为杂交的理想候选者。WCC以其快速生长、高繁殖力和理想的体型特征而闻名；而RCC则以醒目的红色和疾病抵抗力著称，尽管其色素沉着在某些情况下可能限制市场接受度（Wang等人，2015年）。WCC雌鱼与RCC雄鱼的杂交产生了WR品种，该品种结合了双方的理想性状，包括快速生长、高营养价值和吸引人的外观以及增强的疾病抵抗力（Liu等人，2018年）。在WR成功的基础上，通过将WR雌鱼与WCC雄鱼回交，培育出了更理想的WR-II品种。这个新品种具有比WR更理想的性状，如更小的头部、更大的体型和更强的疾病抵抗力。

杂交在鱼类育种中取得了显著进展。然而，当两个染色体数量和结构不同的物种发生杂交时，杂合重组可能会破坏减数分裂，导致杂交后代的不育（Stathos和Fishman，2014年）。亲本基因组之间的染色体不兼容性也被认为是在雄性北非鲶鱼与雌性大头鲶鱼杂交产生的不育现象的原因之一（Ponjarat等人，2019年）。相比之下，金鱼与普通鲤鱼的种间杂交在最初两代产生了二倍体后代，随后几代出现了四倍体个体。二倍体和四倍体后代都表现出广泛的基因组变化，包括高比例的嵌合基因（>9%）和同源基因的突变（Liu等人，2016年）。杂交优势或杂合性在多个性状上都有广泛的记录，F1杂交后代通常表现出更高的存活率、更快的生长速度和比亲本物种更好的健康状况。母系遗传因素可能调节免疫反应，有助于F1杂交后代的杂合子优势（?imková等人，2021年）。表观遗传修饰，如DNA甲基化和组蛋白修饰，在杂合性中也起着关键作用。在涉及野生型物种和具有DNA甲基化差异的物种的各种杂交组合中，表观遗传状态的杂合性已被证明可以促进生长（Miyaji和Fujimoto，2018年）。例如，在尼罗罗非鱼（Nile tilapia）×蓝罗非鱼（blue tilapia）的杂交中，杂交后代的DNA甲基化与参与生长和代谢效率的基因表达上调有关，从而提高了营养利用效率（Zhong等人，2021年）。

杂交将不同的基因组结合在一起，常常导致由于基因相互作用不兼容而产生的挑战。广泛的基因组不兼容性可能导致杂交失败综合征，其特征是发育异常和胚胎死亡率升高（Dion-C?té等人，2014年）。作为回应，快速而动态的基因组变化通常会发生，以稳定杂交区的形成，其中较高的重组率可能有助于将引入的等位基因与不兼容的遗传背景分离（Runemark等人，2019年）。遗传稳定性是杂交鱼类品种长期生存能力和实际应用的重要决定因素。然而，基因组不稳定性——通常是杂交不兼容性的常见表型——在杂交后代中经常被报道，主要与转座元的去抑制有关。这些元件的移动可以诱导DNA双链断裂，破坏开放阅读框，扰乱基因表达，并触发异位重组（Dion-C?té和Barbash，2017年）。在哺乳动物中，转座元件占基因组的很大比例，平均为45.6%，变化范围从27.6%到74.5%。它们在塑造遗传多样性、促进进化变化和调节基因表达方面的作用已被广泛认可（Osmanski等人，2023年）。鱼类基因组也表现出显著的转座子多样性，从紧凑的河豚基因组中的6%到斑马鱼中的55%不等（Shao等人，2019a）。对248个哺乳动物基因组组装的转座子注释进行的新分析发现，长分散核元件（LINEs）和短分散核元件（SINEs）是最丰富的转座子家族。此外，年轻逆转录转座子（包括LINEs和SINEs）的积累与基因组大小的增加呈正相关（Osmanski等人，2023年）。

SINEs通常具有三部分结构，包括一个通常来源于tRNA、7SL RNA或5S rRNA的头部域、一个来源不明的主体和一个尾部。SINEs通过复制-粘贴机制进行转座，并可以通过多种方式调节基因表达，包括改变染色质结构、调节转录、影响前mRNA处理和影响mRNA代谢（Elbarbary等人，2016年）。SINEs的整合和活性可以深刻影响宿主基因组内的重组动态，并有助于新性状和表型的出现。一个显著的例子是SINE插入到brachyury基因的内含子中，与反向基因组方向的附近SINE配对后诱导了可变剪接，最终导致人科共同祖先的尾部丢失（Xia等人，2024年）。此外，多态性的SINE插入作为有价值的分子标记，用于研究遗传多样性、追踪进化起源和支持选择性育种计划（Baker等人，2018年）。然而，尽管它们作为稳定的遗传标记非常有用，但在杂交基因组中，转座元件可能会被重新激活。来自植物的证据表明，转座子在杂交环境中经常被重新激活和重新插入，从而影响相邻基因的表达（Wang等人，2010年）。在果蝇中，种间杂交已被证明会增加某些杂交组合中的转座率，尽管这种效应并非所有物种对都普遍存在（Vela等人，2014年）。相反，在向日葵的研究中未发现大规模的转座子移动，逆转录转座子在当代杂交中保持转录活性，而没有广泛的基因组重分布（Kawakami等人，2011年）。这些观察表明，转座子的重新激活可能是对杂交压力的普遍反应，可能会降低杂交后代的生存能力。值得注意的是，关于杂交后代中转座子去抑制的大部分实证证据来自植物、果蝇和酵母的研究，而来自鱼类的数据相对有限。

在本研究中，我们使用了WR这一杂交品种，它是WCC和RCC杂交的产物。通过WR的自交，我们建立了一个F4杂交群体，然后通过WR与WCC的回交产生了WR-II（Liu等人，2019年）。SINE元件是最广泛研究的逆转录转座子之一（Kajikawa等人，2005年），在某些鱼类基因组中可占19.61%（Yang等人，2021年）。为了阐明杂交后代从亲本基因组继承的转座子的命运，我们采用了两种杂交方案，并使用全基因组重测序数据鉴定了插入位点。这种实验设计使我们能够探索转座子的移动性动态，并评估杂交基因组中插入位点的杂合性，特别关注参与基因表达调节的SINE插入。

样本收集和DNA提取

本研究中使用的实验样本包括两个亲本物种（WCC和RCC）及其杂交品种（WR和WR-II）。所有样本均来自中国长沙教育部多倍体鱼类育种与繁殖工程研究中心维护的育种群体。WR杂交品种是由RCC雄鱼与WCC雌鱼杂交产生的，而WR-II杂交品种则是通过WR雌鱼与WCC雄鱼的回交产生的，如前所述

SINE特定物种和品种的分布

全基因组重测序数据经过了质量过滤和清洗。预处理后，清洁的读段被对齐为成对末端读段，得到了来自两个物种（RCC、WCC）和两个品种（WR、WR-II）的约5.226亿个成对末端读段。平均读段长度为178个碱基对。在RCC中鉴定出45,401个SINE插入位点，在WCC中鉴定出10,480个，在WR中鉴定出23,372个，在WR-II中鉴定出12,579个（图1A和1B）。这四个群体共有3,499个

讨论

SINEs是一类独特的转座元件，其特征是它们相对较短的大小，通常在85到500 bp之间，并且在整个基因组中广泛分布（Elbarbary等人，2016年）。由于多态性SINE插入的不可逆性和谱系独立性，它们作为追踪古老进化事件的稳健分子标记（Shedlock和Okada，2000年）。从结构上看，典型的SINE由一个保守的5′头部、一个可变的中间部分和一个尾部组成

结论

在这里，我们重点研究了SINEs在种间鱼类杂交中的进化动态和调控作用。全基因组重测序显示，在RCC中发现了45,401个SINE插入，在WCC中发现了10,480个，在WR中发现了23,372个，在WR-II中发现了12,579个。其中，物种/品种特异的插入在RCC中占216个，在WCC中占273个，在WR中占243个，在WR-II中占220个。我们使用物种/品种特异的SINE位点作为分子标记，追踪它们从亲本到杂交后代的遗传情况。

CRediT作者贡献声明

叶珠：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，软件使用，数据管理，概念化。王宇：撰写——初稿，方法学，正式分析，数据管理。曾云：可视化，验证，软件使用，方法学。王俊：撰写——初稿，资源获取，调查，数据管理。周毅：资源获取，项目管理，方法学，概念化。王成辉：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，监督，项目

伦理声明

实验严格遵循《中国实验动物护理和使用指南》进行。所有实验和样本收集均得到了上海海洋大学实验动物实验委员会的批准。

利益冲突声明

作者声明他们没有可能影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（32293254）的支持。