《Frontiers in Genetics》：Maternal nutrition alters mRNA isoform expression, usage, and splicing dynamics in skeletal muscle of beef cattle offspring
编辑推荐：
本研究系统揭示了妊娠期母体营养（特别是全程蛋白质-能量补充）通过调控肉牛后代骨骼肌mRNA异构体表达（DTE）、转录本使用（DTU）及选择性剪接（AS）等转录后机制，显著影响氨基酸转运（SLC7A8）、线粒体代谢（SLC25A30）及细胞骨架调控（SORBS3）等关键通路，为营养编程影响肌肉发育和代谢稳态提供了新见解。
3.1 骨骼肌基因与转录本的分类鉴定
研究通过RNA测序技术在肉牛后代骨骼肌样本中系统鉴定了27,412个基因，其中包括26,080个已知基因和1,332个新基因。在转录本层面，共识别出111,185个转录本，其中已知转录本75,284个，新转录本35,901个。新转录本进一步细分为三类：32,705个来源于已知基因的新异构体，3,196个来源于新基因，另有177个被归类为潜在人工产物。这一全面的转录组图谱为后续分析提供了坚实基础。
3.2 主成分分析与基因/转录本差异表达
主成分分析（PCA）结果显示，无论是基因水平还是转录本水平的表达数据，不同母体营养处理组（NP、PP、FP）之间均存在显著重叠，未观察到清晰的全局性分离模式。这表明母体营养干预并未引起转录组的剧烈重构，而是可能通过更精细的调控机制发挥作用。
差异表达分析结果进一步支持了这一观点。在基因水平（DGE），各组间差异表达基因的数量有限：PP与NP组间有13个，FP与NP组间有2个，FP与PP组间仅有1个。值得注意的是，这13个差异表达基因中有5个为新基因（如MSTRG.19105、MSTRG.2378等）。相比之下，转录本水平的差异表达（DTE）显示出更强的效应：FP与NP对比中有14个差异表达转录本，PP与NP对比中有12个，FP与PP对比中有10个。这表明转录本层面的分析能揭示更多被基因水平分析所掩盖的细微调控变化。
3.3 差异转录本使用及其功能后果
差异转录本使用（DTU）分析揭示了母体营养对转录后调控的深远影响。共发现120个转录本在组间存在显著的使用差异：NP与PP对比中有30个，FP与NP对比中有87个，FP与PP对比中有3个。其中，FP与NP的对比表现出最显著的影响。
研究重点分析了发生异构体转换且具有潜在功能后果的基因。在FP与NP对比中，38个基因的93个转换事件导致了编码潜力、蛋白质结构域、开放阅读框（ORF）相似性、内含子保留（IR）等方面的改变。典型案例如下：
- •
SLC7A8基因：在FP组中，其编码异构体（ENSBTAT00000109260）的使用比例增加，而一个被预测为无义介导的mRNA降解（NMD）敏感的非功能异构体（MSTRG.1066.2）在FP组中几乎完全被抑制。这种转换可能通过清除易降解的转录本来稳定基因表达，并促进功能性蛋白质的合成。SLC7A8编码中性氨基酸转运蛋白，与亮氨酸、缬氨酸等氨基酸的摄取密切相关。
- •
SLC25A30基因：在FP组中，其主要编码异构体（ENSBTAT00000090651）的使用增加。该基因属于线粒体溶质载体家族，与脂肪酸代谢和能量代谢有关。
- •
SORBS3和CDH13基因：在PP与NP的对比中，这些基因的异构体转换导致了蛋白质结构域（如Sorbin结构域）的获得或缺失，可能影响细胞骨架信号传导（SORBS3）和肌肉再生过程中的脂肪连接素信号传导（CDH13）。
选择性剪接（AS）事件分析表明，在FP与NP对比中，最主要的AS事件是替代转录终止位点（ATTS）发生在使用较少的异构体中。这些发现共同说明，母体营养能通过改变剪接模式来调控转录本的结构和功能。
3.4 过表征分析揭示关键代谢通路
过表征分析（ORA）从功能层面阐释了差异表达的生物学意义。
- •
在FP与NP对比中，DTE分析显著富集了与生物素代谢（KEGG:00780）、小分子转运和细胞粘附相关的通路。DTU分析则进一步揭示了与细胞内运输、囊泡介导的转运、细胞器组织以及免疫调节相关的通路被显著富集。
- •
在FP与PP对比中，DTE分析富集的通路主要与氨基酸代谢、跨膜运输以及肌醇代谢和生物合成相关。
- •
在PP与NP对比中，DTE分析再次突出了生物素代谢和肌醇代谢通路，而DTU分析则富集了与脂肪连接素结合和小核核糖核蛋白（snRNP）结合相关的分子功能。
这些结果一致表明，母体营养干预，尤其是全程蛋白质-能量补充，显著影响了后代肌肉中与氨基酸代谢、生物素利用、细胞内运输和细胞结构维持相关的核心生物学过程。
3.5 跨分析与对比的转录本及过程重叠
分析发现，在DTE和DTU分析中均显著的转录本只有一个，即SLC7A8基因的MSTRG.1066.2异构体，凸显了转录本水平调控的特异性。在功能通路层面，FP与NP对比的DTE和DTU分析共享了15个富集过程，表明这两种分析手段在揭示营养干预的生物学效应方面存在互补和交汇。然而，在PP与NP对比中，DTE和DTU分析未发现重叠的富集通路，提示不同营养策略可能通过 distinct 的分子机制产生影响。
4 讨论
本研究首次在肉牛中系统阐述了母体营养对后代骨骼肌转录组在转录本异构体层面的长期调控作用。研究结果表明，与单纯关注基因表达水平相比，深入分析转录本表达（DTE）、使用（DTU）和选择性剪接（AS）能更敏锐地捕捉到母体营养带来的细微而重要的分子变化。
全程妊娠期蛋白质-能量补充（FP）相较于单纯矿物质补充（NP），引起了最广泛的转录本水平变化，涉及氨基酸转运（SLC7A8）、线粒体功能（SLC25A30）等关键基因。这些基因的异构体转换可能导致其编码蛋白的功能发生变化，进而影响肌肉的代谢稳态、营养利用效率和生长发育。例如，SLC7A8异构体转换可能优化氨基酸转运能力，而SORBS3和CDH13的转换则可能影响细胞骨架组织和肌肉再生信号。
功能富集分析反复出现的生物素代谢通路值得关注。生物素作为多种羧化酶的辅因子，在脂肪酸合成、氨基酸代谢和糖异生中起核心作用。母体营养干预可能通过影响HLCS等基因的表达来调节生物素依赖性酶的活性，从而对后代的能量代谢产生长远影响。
此外，晚期妊娠补充（PP）与全程补充（FP）之间的转录组差异相对较小，说明营养干预的时机也可能是一个重要因素，但其效应不如“补充与否”本身显著。
5 结论
本研究得出结论，妊娠期母体营养，特别是全程蛋白质-能量补充，对肉牛后代骨骼肌的调控主要发生在转录本使用和选择性剪接层面，而非传统的基因表达水平。这种转录后水平的调控构成了超越基因水平调控的长期适应性分子机制。研究发现强调了氨基酸转运（SLC家族基因）、生物素代谢和细胞内运输等通路在此过程中的重要性。通过应用DTE和DTU等先进生物信息学方法，本研究为理解母体营养如何通过精细的转录组调控塑造后代肌肉表型提供了新的视角，对肉牛育种和营养基因组学研究具有重要启示。
