生物信息学方法挖掘小麦中的microRNAs及其靶基因

microRNAs（miRNAs）是最近发现的一种内源、非编码、长度约为21nt的小分子RNA,在转录后水平起调控基因表达的作用．先前的研究发现,植物中的miRNAs具有高度的保守性,这为在其他植物物种中通过同源比对发现保守的miRNAs提供了思路．本文利用EST和GSS分析法在小麦中预测miRNA及其靶基因．简单过程是,将其他植物物种中已经发现的miRNA与小麦的EST和GSS数据库比对,经过一系列的标准筛选、预测小麦miRNA．通过这一策略,本文共得到属于18个家族的37条小麦miRNA,其中有10条保守的miRNA是第一次被发现．发现miR395是一个非常特殊的家族,因为它的3个成员成簇的存在形式与动物miRNAs非常相似．本文还利用新发现的小麦miRNAs通过在线软件miRU与编码蛋白的数据库比对,总共预测到361个靶基因,其中一些靶基因参与到了小麦的生长发育、新陈代谢及抗逆过程．     

玉米microRNAs及其靶基因的生物信息学预测

microRNAs (miRNAs) 是一类非编码的小分子RNA, 通过碱基互补调控靶基因的表达。鉴定和发现新的miRNAs及其靶基因, 对揭示miRNAs在基因表达调控中的作用至关重要。玉米全基因组测序工作开展较晚, 已经鉴定登记的miRNAs很少, 对靶基因的调控作用尚待解明。文章根据miRNA进化上的保守性, 以已知的植物miRNAs为探针, 与相关数据库中玉米表达序列标签(EST)和基因组序列(GSS)中的非编码序列比对, 共发现11个新的miRNA前体。虽然在序列长度和二级结构方面各有变化, 但这11个前体均可折叠形成miRNA家族的标准二级结构。通过靶基因预测, 找到其中7条miRNAs的26个靶基因, 分别编码与新陈代谢、信号转导、转录调节、跨膜运输、生物和非生物胁迫及叶绿体组装等相关的蛋白。这些miRNAs及其靶基因的鉴定, 补充了miRNA数据库的不足。     

植物miR390的研究进展

MicroRNAs(miRNAs)是真核生物中一类非编码内源小分子RNA,它通过对靶m RNA的剪切或抑制靶m RNA的翻译来调控基因的表达,从而对靶基因实施转录后水平调控,在植物器官形成、生长发育、信号转导及非生物胁迫应答等过程起重要作用。MicroRNA390(miR390)家族是一个古老的高度保守的家族,其主要的靶基因AGO7是RNA沉默复合体的重要组成成分,广泛参与对靶miRNA的剪切,可能在植物的生长发育、侧生器官极性形成、花器官形成及胁迫等方面有重要作用,但是目前对miR390的研究主要集中在植物生长发育方面,在非生物逆境胁迫应答方面鲜有报道。综述了miR390的发现及其在植物中的类型、miR390家族的形成过程及miR390参与植物的生长发育过程和响应重金属、干旱、盐、低温等非生物胁迫的作用,同时对miRNAs功能研究手段作了展望,有利于进一步综合了解miR390的研究概况及对miR390参与非生物胁迫的研究。     

番茄中与致病密切相关miRNA的挖掘及特性分析

MicroRNAs(miRNAs)是一类在真核生物体内普遍存在的、长度约22nt的内源性非编码小分子RNA, 它通过与靶mRNA的结合参与多种基因的表达调控。番茄作为一种重要的模式植物, 其miRNA的研究近年来也取得了较大的进展。文章通过搜集已报道的文献和miRBase, 找到番茄中34个miRNA的表达与致病相关, 采用生物信息学方法预测它们的靶基因, 利用Cytoscope软件构建miRNA及其靶基因的调控网络。从中筛选出13个与致病密切相关的miRNA, 根据各miRNA之间关联性的大小及其与致病相关靶基因的多少, 进一步选出miR169、miR482、miR5300、miR6024、miR6026和miR6027, 并对其进行了靶基因功能分析、启动子分析及实时定量PCR验证, 为全面深入研究miRNA的作用机制奠定了基础。     

蒙古沙冬青保守microRNAs的鉴定及靶基因预测

蒙古沙冬青(Ammopiptanthus mongolicus)是生长在荒漠中的木本植物, 对于我国西北部干旱、半干旱区域的植被维护与恢复具有重要价值。蒙古沙冬青对干旱、低温等多种逆境具有较高的耐受性, 是研究林木耐受逆境生理与分子机制的合适材料。MicroRNA(miRNA)是一类长度约为21个核苷酸的内源性非编码小分子RNA, 在植物生长发育和逆境应答等生物学过程中发挥着重要的调控作用。目前, 许多植物物种的miRNAs已经获得鉴定, 但未见蒙古沙冬青miRNAs的相关报道。文章应用高通量测序和生物信息学分析方法对蒙古沙冬青幼苗保守miRNAs的类型、表达丰度以及靶基因进行了分析和预测。共鉴定了10个家族的19种保守miRNAs, 其表达丰度介于55~1920269个拷贝之间。通过在线软件psRNATarget预测了其中14个保守miRNAs的靶基因。对于这些靶基因的功能分析表明, 蒙古沙冬青的保守miRNA主要通过转录调控、激素信号途径、物质代谢和胁迫应答等生物学过程参与植物生长发育和环境响应。     

植物miR159家族成员分子特性及其进化规律研究

为了解植物miR159家族成员的分子特性及其进化规律,该研究对miRBase数据库中登录的miR159家族成员进行分类统计、进化树构建、科间比较、二级结构预测及靶基因分析。结果表明:miR159家族在植物界分布非常广泛,蕨类植物可能是miR159家族的进化祖先;系统发育进化树分析显示,植物miR159家族成员间存在多个进化分支,且进化关系与植物属性有关,即植物亲缘关系越近的成员更易成枝,且具有相同进化方向的成员序列高度同源;Mfold预测显示,pre-miR159均会自发形成典型、稳定的茎环二级结构,并包含19~21个碱基为单位的功能片段,每个单位均有可能形成miR159成熟体;靶基因分析发现,miR159家族成员主要作用于MYB转录因子、转座因子和假定蛋白等,但在不同物种间及相同物种的不同成员间作用的靶标种类与靶基因ID数量均存在差异,尤其是miR159-3p与miR159-5p间的差异最为显著。     

芥蓝miR172家族成员进化特性比较及时空表达分析

为了明确植物miR172家族成员的进化特性及其在不同组织部位的表达情况,该研究以芥蓝miR172a家族为例,通过芥蓝miR172a成熟体序列比对、前体(pre-miRNA)二级结构预测、系统发育进化树构建、靶基因预测及实时荧光定量等手段,对芥蓝miR172a和miR172b基因家族的进化特性及其在芥蓝不同组织部位中的表达规律进行分析。结果显示:(1)芥蓝miR172家族存在20个成熟体成员,通过比对发现20条序列都存在一个重叠区域,该区域中ACTAGATC 8个碱基高度保守,并且在芥蓝pre-miR172的3′和5′端均能形成成熟体。(2)mfold预测结果显示,miR172a家族5个前体成员的最小折叠自由能在-54.55~-78.60kal/mol之间,均能自发形成典型、稳定的茎环二级结构。(3)系统发育进化树显示,芥蓝miR172a家族的前体成员具有一定的保守性和多样性,并与番木瓜pre-miR172a亲缘关系较近。(4)靶基因预测发现芥蓝miR172a共有13个不同靶标基因,多个成员也可以作用于相同靶标基因。(5)实时荧光定量PCR显示,芥蓝pre-miR172a和pre-miR172b家族不同成员在不同组织部位表达量差异显著,10个成员在9个组织部位中的表达各不相同。其中,芥蓝pre-miR172a-1、pre-miR172a-2、premiR172a-3和pre-miR172b在芥蓝荚中大量表达;pre-miR172b-5p和pre-miR172b-5p-2在芥蓝花中大量表达。研究表明,miR172在芥蓝花和荚的发育过程中起着重要的作用。     

miR172参与植物发育调控的研究进展

microRNAs(miRNAs)是一类长度为19-25 nt的非编码小分子RNA,在转录后水平调控植物的生长发育、信号传导及逆境响应等多个过程,现已成为生物学研究的热点。miR172是植物中一个保守的miRNA家族,通过调控APETALA2类基因,在植物的开花诱导、花器官形态建成、果实成熟、叶片和根的生长等各器官的发育过程中起到重要作用。鉴于此,综述了近20年miR172在植物营养器官、生殖器官及其他器官的发育,以及在发育阶段过渡中的功能,讨论了其他因素对miR172的影响,以期为深入解析miR172及其靶基因的作用机理和分子调控网络提供参考。     

三裂叶薯SPL基因家族鉴定、表达及miR156的调控分析

SQUAMOSA promoter binding protein-like(SPL)是一类广泛存在于植物中的转录因子,均含有一个高度保守的SBP结构域(SQUAMOSA-PROMOTER BINDING PROTEIN)。本研究通过SBP结构域的隐马尔可夫模型、Blastp、CDD和SMART等程序从栽培甘薯的二倍体近缘野生种三裂叶薯(Ipomoea triloba L.)全基因组中鉴定出26个SPL基因家族成员。它们不均匀分布于三裂叶薯的12条染色体上。利用系统进化分析将新鉴定的26个三裂叶薯ItbSPL基因和来源于苔藓植物、单子叶植物、双子叶植物的116个SPL基因构建进化树,并根据拟南芥AtSPL基因家族的分类标准将26个ItbSPL基因家族分为7组。GSDS 2.0基因结构和MEME 4.12.0保守基序分析表明,不同进化分支中的ItbSPL基因的外显子/内含子数目及其蛋白基序组成差异明显。利用拟南芥中已知功能的SPL对ItbSPL基因的功能进行预测,发现三裂叶薯ItbSPL家族基因成员可能与植物开花、逆境胁迫、次生代谢产物等生物学过程相关。通过预测microRNA156(miR156)的作用位点发现,在26个ItbSPL基因中14个含有miR156的作用位点,其中13个ItbSPL基因具有PCR扩增产物。利用qRT-PCR检测13个候选靶基因及miR156在三裂叶薯叶、茎、根中的表达量,发现13个ItbSPL均在茎中的表达量最低,显著低于叶与根中的表达,而miR156则在茎中的表达量最高,在根中的表达量最低,初步推测这13个ItbSPL是miR156的靶基因。以上研究结果为六倍体栽培甘薯SPL基因家族成员的鉴定、进化分析及功能研究提供了方法和基础。     

红花microRNAs靶基因的生物信息学预测

miRNA是一类动、植物细胞中负责转录后调控的非编码RNA,植物的miRNA通常来源于具有茎环结构的单链RNA前体上,加工成熟后同ARGONAUTE转变成蛋白复合体结构,通过结合并沉默蛋白合成模板的方式关闭完整的基因表达网络。由于miRNA存在组织表达的特异性,且miRNA在植物中的表达高度保守。通过高通量测序获得的红花(Carthamus tinctorious L.)miRNA序列信息与红花转录EST数据库比对,通过靶基因预测筛选,对属于104个家族的173个红花miRNA进行预测,其中得到109个miRNAs对应调控的385个红花靶基因。并且通过Nr基因注释表明多数红花miRNA的靶基因编码包括调控细胞生长发育、信号转导及新陈代谢等相关的功能蛋白。     

miRNA–miRNA interaction implicates for potential mutual regulatory pattern

Background

Natural or endogenous sense/antisense miRNAs, located on sense and antisense strands in the same genomic region, respectively, are detected recently. However, little is known about these miRNA pairs, especially for their distributions in different animal species. We herein present systematic analysis of them in human, mouse and rat miRNAs, and their expression patterns based on deep sequencing datasets.

Methods and results

The phenomenon of miRNA–miRNA interaction could be detected in different animal species. The common miRNAs pairs were found across species. These miRNA pairs could form miRNA:miRNA duplex with complete complementary structure, and were prone to be located on specific chromosomes. They might be homologous miRNA genes (especially in human), or clustered in a gene cluster (especially in rat), or simultaneously detected in different genomic regions due to multicopy pre-miRNAs. Remarkably, some miRNA pairs, located in different genomic regions, also showed complementarity as well as endogenous sense/antisense miRNAs. Based on published deep sequencing datasets, one member of miRNA pairs always was abundantly expressed, whereas another was quite rare. Rare common target mRNAs of these miRNA pairs were predicted.

Conclusions

Interaction between miRNAs and significant expression divergence implied complex potential mutual regulatory pattern in the miRNA world. The study would enrich miRNA regulatory network.