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上海生科院受邀在,我国科学家开辟RNA表观遗传

12月7日,Nature Biotechnology(Bass B, et al, Nat Biotech, 2012, 30:1207-1209)计算生物学专题邀请了包括计算生物学所杨力研究员在内的7位专家以Q&A形式探讨了高通量测序在RNA编辑研究中所面临的机遇和挑战。

10月20日,中国科学院上海生命科学研究院计算生物学研究所杨力研究组受邀在《分子细胞》(Molecular Cell)发表了题为RNA structure switches RBP binding 的专评文章,对该刊同期发表的一项题为RNA sequence context effects measured in vitro predict in vivo protein binding and regulation 的研究进行了点评和推荐。

北京大学伊成器研究组发展了一种通过化学标记和富集手段实现全转录组水平上假尿嘧啶RNA修饰的单碱基分辨率测序技术,并绘制了人和小鼠细胞转录组中假尿嘧啶RNA修饰的谱图。相关成果日前发表于《自然—化学生物学》杂志。

7月26日,中国科学院生物化学与细胞生物学研究所陈玲玲研究组与中国科学院-马普学会计算生物学伙伴研究所杨力研究组受邀在Molecular Cell发表了题为The biogenesis, functions and challenges of circular RNAs 的综述论文,系统总结了外显子反向剪接环形RNA的生成加工及其潜在生物学功能的最新进展,并深入讨论了环形RNA研究技术上存在的局限和挑战。

RNA编辑,包括碱基的插入、删除和序列改变,虽然只涉及1-2个碱基的变化,但却可以显著影响相关RNA剪接位置的选择、改变RNA的定位信号等,进而改变RNA分子在细胞中的命运。已有的研究表明,RNA编辑的准确调控与生物体正常功能的发挥密不可分,同时也与人类的重要疾病相关,如抑郁症、精神分裂症和癫痫等。因此,对RNA编辑的调控及其在生理功能和病理作用的研究一直是领域的重点和难点之一。近些年,通过大规模的高通量测序和分析研究发现大量新RNA编辑位点在体内的广泛存在和动态调控,为深入研究RNA编辑的功能作用奠定了重要基础。但是,由于高通量技术和后续计算分析的局限性,对RNA编辑在全转录组水平的精确预测还存在着很大的挑战。

高等真核生物中的可变剪接可以从一个前体mRNA分子产生多个成熟的mRNA分子,极大地拓展了基因功能的多样性。已有的研究表明,可变剪接受到具有特殊碱基短序列的顺式调控元件(RNA motif)和识别这些motif的RNA结合蛋白(RNA binding protein, RBP)调控。因此,发现和鉴定具有特殊序列的RNA motif及其相应RBP可以预测受调控的可变剪接。但是,一些最新的生化结合高通量测序分析研究表明,体内大概只有很少的一部分RNA motif能够与其相应的RBP结合。这提示,除了motif自身的特殊碱基序列以外,还有一些其它的序列/结构特征能够影响RNA motif与相应RBP的结合。在最新一期Molecular Cell上,来自于美国MIT的Christopher B. Burge教授实验室利用多种生化技术,结合计算和进化生物学方法对这一问题进行了系统分析,系统揭示了除了具有特殊碱基序列的RNA motif以外,区域性的RNA二级结构对RBP与RNA motif的结合具有决定性的作用。一方面来讲,当RNA motif序列位于RNA二级结构的单链开放区间时,其与RBP的结合能力较强,可以显著地调控可变剪接的发生;而从另一方面来讲,当RNA motif序列位于RNA二级结构的双链闭合区间时,其与RBP的结合被抑制,因此不能够调控可变剪接的发生。这一最新的研究成果提示区域性RNA二级结构可以作为调控RBP结合RNA motif的重要开关,为进一步建立更精确的RNA可变剪接预测模型提供了全新的研究基础。

转录后修饰在生命体中广泛存在,假尿嘧啶RNA修饰就是其中的重要成员。假尿嘧啶在多种非编码RNA上的功能与机制已有较多研究,但对于信使RNA上假尿嘧啶的分布和潜在生物学功能,目前知之甚少。最主要的难题在于如何实现假尿嘧啶在mRNA上的精准定位。

外显子反向剪接来源的环形RNA是一类不具有5'末端帽子和3'末端poly尾巴、却以共价键形成闭环结构的RNA新分子,主要由RNA聚合酶II转录产生的前体RNA通过反向剪接产生。近年来,随着转录组测序新技术的发展和应用、以及相应计算生物学分析流程的不断优化,科学家在真核生物中发现了多达几十万条的外显子反向剪接环形RNA。陈玲玲研究组最新发表在Molecular Cell上的这一环形RNA相关特邀综述论文,对环形RNA的生成加工、功能机制等进行了系统总结和梳理。外显子反向剪接环形RNA的生成加工受到严格的调控,并发生在多个水平,包括转录速度、多顺反子基因位点的转录通读、剪接复合体的构成、顺式作用元件、和/或反式作用因子调控等。更为重要的是,尽管大部分环形RNA的功能不详,越来越多的研究揭示了一些环形RNA可以通过不同的分子机制参与到细胞或个体正常的生命活动中,包括miRNA和蛋白质的分子海绵、影响RNA转录、干扰RNA前体的正常剪接,甚至可以通过翻译产生多肽等。但是,由于线性mRNA几乎完全涵盖了同基因来源的环形RNA的碱基序列,因此想要在不影响线性mRNA表达的情况下,特定地研究环形RNA的表达及其功能是十分困难的。克服环形RNA研究技术上存在的瓶颈和挑战,发展新的工具用于特定靶向环形RNA,将更好地促进环形RNA生成和功能调控的研究。

在此专题论文中,专家针对高通量转录组学数据在RNA编辑研究中的优点和难点、机遇和挑战进行了深入探讨,并就发展新实验技术和计算方法以高效和精确地预测RNA编辑进行了展望。

杨力一直从事转录组水平的RNA复杂性及其调控研究,在RNA可变剪接、RNA反向剪接产生环形RNA、RNA编辑修饰和长非编码RNA等领域发表了一系列原创性科研成果,多次受邀为Cell、Molecular Cell、WIREs RNA等期刊发表研究专评和撰写综述。

为研究哺乳动物转录组中的假尿嘧啶修饰,科学家首先利用高分辨质谱对mRNA中的假尿嘧啶修饰进行定量,发现其广泛存在于各种细胞系及小鼠的组织中,并且在哺乳动物mRNA中丰度相当高。科研人员继而通过化学生物学、高通量测序等手段,发展了一种利用小分子化合物实现特异性标记与富集的假尿嘧啶高通量测序技术。

陈玲玲研究组博士研究生李响为该论文的第一作者,陈玲玲和杨力为共同通讯作者。相关工作得到了中科院、国家自然科学基金、科技部、HHMI国际项目等的经费支持。

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利用该技术,他们实现了人细胞系以及小鼠全转录组水平的单碱基分辨率假尿嘧啶检测,发现在数千个mRNA与长非编码RNA上都含有假尿嘧啶修饰。

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研究还发现,转录组中假尿嘧啶的含量与分布均受到各种环境刺激的调控,呈现出“刺激条件特异性”的诱导修饰。因此,此项研究不但揭示了假尿嘧啶的广泛存在,绘制了转录组中假尿嘧啶RNA修饰的高清谱图,也为这一转录后修饰参与基因表达调控的研究提供了重要工具,同时为近年来兴起的RNA表观遗传学领域提供了崭新的研究方向。

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区域性的RNA二级结构对RBP与RNA motif的结合具有决定性的作用

外显子反向剪接环形RNA功能总结

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