高通量测序技术在可选择性多聚腺苷酸化研究中的应用

可选择性多聚腺苷酸化(alternative polyadenylation,APA)在基因表达调控中起着重要的作用。位于最后一个外显子的APA可以产生具有不同3'UTR长度的mRNA异构体,在细胞中可影响信使RNA(messager RNA,mRNA)的稳定性、翻译效率、转运及亚细胞定位等。随着第二代高通量测序技术的发展,研究人员近年来发展了许多高通量测序文库制备方法,对全基因组APA进行测序和分析。综述了当前研究全基因组水平APA的技术,并且总结了APA与一系列关键生物现象的关系,包括免疫应答、神经反应、胚胎发育和肿瘤发生等。随着APA研究的深入,APA越发成为新的基因转录与翻译调控的研究热点。     

水稻OsJMJ718基因可选择性多聚腺苷酸化序列的 克隆及生殖发育期表达模式

可选择性多聚腺苷酸化是真核生物重要的基因调控机制之一, 通过形成不同长度的3'端非翻译区影响信使RNA的稳定性、定位和翻译效率, 从而增加转录本的复杂度。已有研究表明, 拟南芥(Arabidopsis thaliana)中参与DNA去甲基化调控IBM1基因的可选择性多聚腺苷酸化加工受染色质调节因子EDM2调控, 从而影响拟南芥基因组数千基因的CHG甲基化水平, 但该类调控机制是否在其它物种中同样存在仍然未知。以水稻(Oryza sativa)基因组中IBM1同源基因OsJMJ718为研究对象, 利用生物信息学分析和3'RACE实验, 发现IBM1同源基因也存在可选择性多聚腺苷酸化修饰, OsJMJ718基因可能存在9个可选择性多聚腺苷酸化序列。序列比对分析表明, NCBI网站现存日本晴OsJMJ718基因组3'末端序列与9522和明辉63等其它生态型基因组序列组成可能不同。荧光实时定量PCR分析表明, OsJMJ718的9个转录本在水稻生殖发育阶段呈现不同的动态表达模式, 其中TVX5转录本表达量最高。研究获得的OsJMJ718基因可选择性多聚腺苷酸化序列信息及相关的表达模式分析为进一步揭示水稻OsJMJ718基因的可选择性多聚腺苷酸化分子机制和生物学功能奠定了基础。     

前体mRNA的选择性多聚腺苷酸化与人类疾病

真核细胞的前体mRNA必须经过复杂的加工过程才能成熟,包括5’端加帽、剪接和3’端加工,其中3’加工包括3’端的切割和多聚腺苷酸化.该过程由前体mRNA上的顺式作用元件以及多个蛋白质因子控制.组成哺乳动物前体mRNA3’端加工机器的核心蛋白质复合体有切割和多聚腺苷酸化特异性因子、切割刺激因子、切割因子Ⅰ和切割因子Ⅱ.其他因子包括poly(A)聚合酶、poly(A)结合蛋白、偶对蛋白(symplekin)等.哺乳动物基因通常含有多个ploy(A)位点,选择性多聚腺苷酸化不仅可产生具有不同长度3’UTR的mRNA异构体,还可能改变基因的CDS区.作为真核生物基因表达调控的关键机制,选择性多聚腺苷酸化在细胞生长、增殖和分化中起着重要作用.本文综述了哺乳动物前体mRNA的3’端加工过程,3’端加工机器的组成及功能,探讨了选择性多聚腺苷酸化在多种人类疾病中的作用机制,以期为读者带来一些新的见解.     

可变多聚腺苷酸化与肿瘤

可变多聚腺苷酸化(alternative polyadenylation, APA)是真核细胞mRNA成熟过程中针对前体mRNA 3′端的一种加工修饰方式,是重要的转录后调控机制。APA通过调控3′非翻译区(3′UTR)长度而影响mRNA稳定性、翻译效率和定位。内含子多聚腺苷酸化(intronic polyadenylation, IPA)通过形成丢失重要结构域的截短型蛋白实现对靶基因的调控,参与形成肿瘤新抗原。APA具有肿瘤特异性,有可能用于肿瘤分子分型和靶向治疗。现对APA的形成过程和分类、高通量发现APA的测序和分析技术进展,以及APA对肿瘤发生发展的影响进行综述。     

细菌RNA聚腺苷酸化修饰及其调控机制与生理作用

聚腺苷酸化 (polyadenylation) 是指在底物RNA的3′-端加上一段聚腺苷酸残基的转录后修饰作用。1971年,第一次发现真核生物mRNA的3′-端存在多聚腺苷酸 (poly (A)) 尾,它保护mRNA免受核酸外切酶攻击,且对于转录终止、mRNA运输及翻译都起到重要作用,学者们一度将该现象认为是真核细胞mRNA的特征之一。时至今日,细菌RNA聚腺苷酸化现象的发现引起了学术界的高度重视,大量的研究结果不仅证明了该种修饰在细菌中普遍存在,而且发现其在细菌RNA的加工、降解及质量监控中扮演重要的角色;然而,与真核生物不同的是,在原核生物中该修饰倾向于使RNA去稳定化,即加速RNA的降解。本文综述了近年来细菌中RNA聚腺苷酸化修饰及其调控机制与生理作用的研究进展。     

结合三代测序与二代测序技术揭示蜜蜂球囊菌孢子转录组的复杂性

【目的】蜜蜂球囊菌(Ascosphaera apis)是一种专性侵染蜜蜂幼虫的致死性真菌病原。本研究旨在利用PacBio单分子实时(singlemoleculereal-time,SMRT)测序技术对蜜蜂球囊菌孢子(AaS)中基因的可变剪切(alternative splicing,AS)和可变多聚腺苷酸化(alternative polyadenylation,APA)以及长链非编码RNA (long non-coding RNA,lncRNA)进行鉴定和分析,进而揭示蜜蜂球囊菌孢子中转录组的复杂性。【方法】采用Suppa软件对蜜蜂球囊菌孢子中基因的AS事件进行鉴定。通过RT-PCR对不同类型的AS事件进行验证。采用TAPIS pipeline对蜜蜂球囊菌孢子基因的APA位点进行鉴定。利用MEME软件分析孢子全长转录本的poly(A)剪接位点上游50bp的序列特征并鉴定motif。联用CPC和CNCI软件和比对Swiss-prot数据库的方法预测lncRNA,取三者的交集作为高可信度的lncRNA集合。进一步比较lncRNA和mRNA的转录本长度,外显子数量与长度,内含子长度,GC含...     

聚腺苷酸特异性核糖核酸酶(PARN)的功能多样性

聚腺苷酸尾的降解对于mRNA的质量控制和转录后基因调控十分重要. 在真核生物中,去腺苷酸化是mRNA降解和翻译沉默的首要限速步骤. 3′核糖核酸外切酶--聚腺苷酸特异性核糖核酸酶（poly(A)-specific ribonuclease,PARN）能够高效降解真核生物mRNA的聚腺苷酸尾. PARN不仅在降解mRNA poly(A)尾中发挥关键的作用,还参与DNA损伤、非编码RNA的加工成熟以及肿瘤等疾病过程. PARN是一种多功能酶分子,本文就PARN发现、结构、催化机制和功能多样性进行综述.     

基于第三代长读段测序数据解析蜜蜂球囊菌基因的可变剪切与可变腺苷酸化

【目的】蜜蜂球囊菌(Ascosphaera apis,简称球囊菌)是一种专性侵染蜜蜂幼虫的真菌病原,导致的白垩病是严重影响养蜂生产的顽疾,每年给养蜂业造成较大损失。本研究旨在基于已获得的第三代长读段测序数据对球囊菌菌丝(Aam)和孢子(Aas)中基因的可变剪切(alternative splicing,AS)和可变多聚腺苷酸化(alternative polyadenylation,APA)进行深入分析。【方法】利用Astalavista软件鉴定Aam和Aas中基因的AS事件类型。利用IGV浏览器对部分剪切异构体(isoform)的结构进行可视化。通过TAPIS pipeline对Aam和Aas中基因的APA位点进行鉴定。通过MEME软件对Aam和Aas中全长转录本的APA位点上游50bp的序列特征进行分析并对motif进行鉴定。【结果】在Aam中共鉴定到286次AS事件,包括162次RI(Retained intron),87次A3(Alternative 3'splice-site)、32次A5(Alternative 5'splice-site)和5次SE (Skipping exon);在Aas中共鉴定到559次AS事件,包括305次RI、155次A3、85次A5、13次SE和1次MEE (Mutually exclusive exon)。进一步分析发现,现有参考基因组上的多数注释基因结构并不完整;部分注释基因在菌丝和孢子中转录形成的isoform在数量和结构方面均存在差异;部分isoform在参考基因组中没有对应的注释基因。Aam中共鉴定到2748个基因含有1个及以上的APA位点,其中含有1个APA位点的基因数量最多(726,26.42%);Aas中共鉴定到2768个基因含有1个及以上的APA位点,其中含有5个以上APA位点的基因数量最多(1180,42.63%)。部分基因在菌丝和孢子中含有不同的APA位点数。序列特征分析结果显示,球囊菌全长转录本的3'UTR的上下游表现出明显的碱基倾向性,U和A分别富集在3'UTR的上游和下游。此外,在球囊菌全长转录本的APA位点上游鉴定到4个motif,分别是UCUCCU、UCUUCU、CCCACC和CCCCCU。【结论】本研究通过对球囊菌菌丝和孢子中基因的AS和APA进行深入分析,揭示了球囊菌转录组的复杂性,为完善现有的基因组和转录组注释提供了宝贵信息,也为探究AS和APA在球囊菌的基因表达调控中的作用提供了关键基础。     

严重急性呼吸综合征冠状病毒2膜蛋白对宿主细胞pre-mRNA 3"UTR加工的影响

目的 研究严重急性呼吸综合征冠状病毒2（SARS-CoV-2）膜蛋白对宿主细胞mRNA前体（pre-mRNA）3"非翻译区（UTR）加工的影响。方法 本研究以人肺上皮细胞系A549为模型，利用瞬时转染在细胞内过表达SARS-CoV-2膜蛋白；利用RNA-Seq测序技术及生物信息学分析方法，系统性描绘宿主细胞选择性多聚腺苷酸化（alternative polyadenylation，APA）事件；Metascape数据库对发生显著APA变化的基因进行功能富集分析；RT-qPCR验证靶基因3"UTR长度变化；蛋白质免疫印迹（Western blot）检测目的蛋白表达水平。结果 SARS-CoV-2膜蛋白外源表达后宿主细胞内共813个基因发生显著APA变化。GO和KEGG分析显示，差异APA基因广泛参与有丝分裂细胞周期、调节细胞应激等生物过程，涉及病毒感染和蛋白质加工等。从中进一步筛选出AKT1基因，在IGV软件中显示3"UTR延长；RT-qPCR验证AKT1基因的3"UTR长度变化趋势；Western blot结果显示AKT1蛋白磷酸化水平增加。结论 SARS-CoV-2膜蛋白潜在影响宿主pre-mRNA的3"UTR加工，其中参与多种病毒性生物过程的AKT1基因 3"UTR延长，且其编码的蛋白质功能在细胞内被激活。     

基因表达与mRNA结构的关系

基因的转录调控和转录后水平的调控在基因表达过程中起着重要作用。mRNA的结构与基因表达调控的关系非常密切。目前对于mRNA结构对表达的影响因素,主要集中于起始密码子和S-D序列的结构和间隔长度、基因和基因间的间隔区序列和长度,5’末端与3’末端非翻译区、多聚（A）尾、内含子序列对翻译起始效率、发夹结构对mRNA的稳定性的影响和mRNA翻译起始区等对基因表达影响。     

Alternative polyadenylation: New insights from global analyses

Recent studies have revealed widespread mRNA alternative polyadenylation (APA) in eukaryotes and its dynamic spatial and temporal regulation. APA not only generates proteomic and functional diversity, but also plays important roles in regulating gene expression. Global deregulation of APA has been demonstrated in a variety of human diseases. Recent exciting advances in the field have been made possible in a large part by high throughput analyses using newly developed experimental tools. Here I review the recent progress in global studies of APA and the insights that have emerged from these and other studies that use more conventional methods.     

Analysis of alternative cleavage and polyadenylation in mature and differentiating neurons using RNA-seq data

Background: Most eukaryotic protein-coding genes exhibit alternative cleavage and polyadenylation (APA), resulting in mRNA isoforms with different 3′ untranslated regions (3′ UTRs). Studies have shown that brain cells tend to express long 3′ UTR isoforms using distal cleavage and polyadenylation sites (PASs). Methods: Using our recently developed, comprehensive PAS database PolyA_DB, we developed an efficient method to examine APA, named Significance Analysis of Alternative Polyadenylation using RNA-seq (SAAP-RS). We applied this method to study APA in brain cells and neurogenesis. Results: We found that neurons globally express longer 3′ UTRs than other cell types in brain, and microglia and endothelial cells express substantially shorter 3′ UTRs. We show that the 3′ UTR diversity across brain cells can be corroborated with single cell sequencing data. Further analysis of APA regulation of 3′ UTRs during differentiation of embryonic stem cells into neurons indicates that a large fraction of the APA events regulated in neurogenesis are similarly modulated in myogenesis, but to a much greater extent. Conclusion: Together, our data delineate APA profiles in different brain cells and indicate that APA regulation in neurogenesis is largely an augmented process taking place in other types of cell differentiation.