基于RNA-Seq数据识别果蝇剪接位点和可变剪接事件

完整基因结构的预测是当前生命科学研究的一个重要基础课题,其中一个关键环节是剪接位点和各种可变剪接事件的精确识别.基于转录组测序（RNA-seq）数据,识别剪接位点和可变剪接事件是近几年随着新一代测序技术发展起来的新技术策略和方法.本工作基于黑腹果蝇睾丸RNA-seq数据,使用TopHat软件成功识别出39718个果蝇剪接位点,其中有10584个新剪接位点.同时,基于剪接位点的不同组合,针对各类型可变剪接特征开发出计算识别算法,成功识别了8477个可变剪接事件（其中新识别的可变剪接事件3922个）,包括可变供体位点、可变受体位点、内含子保留和外显子缺失4种类型.RT-PCR实验验证了2个果蝇基因上新识别的可变剪接事件,发现了全新的剪接异构体.进一步表明,RNA-seq数据可有效应用于识别剪接位点和可变剪接事件,为深入揭示剪接机制及可变剪接生物学功能提供新思路和新手段.     

东方蜜蜂微孢子虫基因的可变剪接及可变腺苷酸化解析

本研究旨在基于已获得的第三代纳米孔全长转录组数据对东方蜜蜂微孢子虫Nosema ceranae基因的可变剪接（alternative splicing,AS）和可变多聚腺苷酸化（alternative polyadenylation,APA）进行分析。通过Astalavista软件鉴定东方蜜蜂微孢子虫基因的AS事件类型。采用TAPIS pipeline对东方蜜蜂微孢子虫基因的APA位点进行鉴定。利用MEME软件分析所有全长转录本的poly (A)剪接位点上游50bp的序列特征并鉴定motif。共鉴定出发生于5个基因的5次AS事件,包括1次可变供体位点（alternative donor site,ADS）和4次内含子保留（intron retention,IR）。鉴定出233个基因发生APA,其中含有1个poly (A)剪接位点的基因数量最多（143,61.37%）。序列特征分析结果显示,东方蜜蜂微孢子虫全长转录本的3’ UTR的上下游表现出明显的碱基倾向性,U在3’ UTR的上游富集,而A在3’ UTR的下游富集。此外,在东方蜜蜂微孢子虫全长转录本的poly (A)剪接位点上游鉴定到3个motif（AAUAAA、UGAUGC和GCGACG）。研究结果揭示了东方蜜蜂微孢子虫转录组的复杂性,完善了现有的参考基因组和转录组注释,也为深入探究不同剪接异构体的分子功能提供了基础。此外,本研究为其他真菌的AS和APA研究提供了有益的思路和方法借鉴。     

RBM15结合促进RNA内含子或外显子滞留

RBM15是一种RNA结合蛋白,参与到RNA的m6A修饰及可变剪接调控中.然而,RBM15在转录组水平如何调控可变剪接尚不清楚.本研究应用超分辨率荧光显微镜技术发现,RBM15在细胞核中形成斑点状结构,且与核斑有密切接触或完全定位于核斑中.核斑为细胞核中无膜细胞器,富含多种剪接因子,这提示RBM15可能参与到可变剪接的调控过程中.为了确定RBM15能否及如何调控可变剪接,我们利用siRNA敲低RBM15,并对敲低RBM15和野生型细胞进行二代测序.结果显示,敲低RBM15能够引起1 111个转录本中的1 279个可变剪接事件的变化.与已发表的RBM15-CLIP数据进行比较分析,我们发现,这1 111个转录本中,有191个能够与RBM15结合,提示这191个转录本可能为RBM15调控的直接靶标.进一步的分析表明,RBM15结合能够促进这191个转录本中的121个发生内含子或外显子的滞留.该研究揭示了RBM15在转录组水平调控可变剪接的规律.     

嗜热四膜虫可变剪接基因鉴定及功能分析

可变剪接是产生蛋白质组多样性和调节基因表达的重要机制,相关研究在高等真核生物中开展较多,而在单细胞真核生物中则较少,尤其是单细胞原生动物纤毛虫中,仅有少量报道。本文基于单细胞模式原生动物嗜热四膜虫种大量转录组数据,对其可变剪接基因进行了鉴定及分析。在嗜热四膜虫中共鉴定到2 894个可变剪接位点,涉及到2 698个可变剪接基因,可分为四类。考虑到转录本拼接的准确性,选择了其中464个与基因组预测模型完全一致的可变剪接基因进行深入分析,其中生长(growth)时期、饥饿(starvation)时期、接合生殖(conjugation)时期特异性的可变剪接基因分别为49个、79个和135个。对可变剪接基因的功能进行分析表明其涉及的功能广泛且显著富集于蛋白激酶过程,提示可变剪接基因在嗜热四膜虫蛋白磷酸化和信号传导中具有重要作用。     

眼优角蚱两性成体转录组差异分析

为了解蚱类昆虫两性间基因转录水平上的整体差异,本研究以眼优角蚱Eucriotettix oculatus为研究对象,通过高通量转录组（RNA-Seq）测序和分析技术对其雌、雄成体的转录组进行了测定和分析。结果显示,在雌、雄转录组中共获得13 432条转录本,两性间差异表达基因共3 597个,其中雌性相对于雄性显著上调基因1 295个,显著下调基因2 302个。对其中9个差异基因进行实时荧光定量PCR验证,其结果与RNA-Seq分析一致。差异基因显著富集的GO条目大多是与细胞的形成有关,结合、细胞组分和细胞过程等条目相关基因显著高表达。KEGG富集显示差异基因主要是与性腺发育、遗传信息加工、能量代谢和消化等通路有关。研究结果对从分子水平进一步研究眼优角蚱两性差异提供一定的理论基础。     

猪早期胚胎发育中SOX2基因启动子活性分析

转录因子SOX2 (sex determining region Y-box2)在早期胚胎发育第一次谱系分化以及内细胞团多能性维持等方面具有重要的作用。但是目前有关SOX2基因启动子的系统研究较少,尤其是在猪(Sus scrofa)中尚无相关报道。为系统分析猪SOX2基因启动子在早期胚胎中的活性,本研究通过优化显微注射体系中绿色荧光蛋白表达载体种类和注射时间,构建了适合猪SOX2基因启动子活性分析的参照体系和显微注射体系;对猪SOX2基因翻译起始位点上游5000 bp区域进行转录因子结合位点的预测,发现该区域存在4个转录因子结合位点簇;针对上述区域设计并构建相应的缺失型SOX2基因启动子报告载体,利用建立的显微注射体系将其导入胚胎,通过mCherry荧光强度以及qRT-PCR定量分析SOX2基因启动子中不同转录因子结合位点簇对启动子活性的影响。结果表明,与全长SOX2基因启动子相比,SOX2基因翻译起始位点上游2254～2442 bp区域缺失后,猪4-细胞和8-细胞胚胎中SOX2基因启动子活性下降至17.8%,该缺失区域中仅包含两个NF-AT(nuclear factor of activated T cells)转录因子结合位点。因此,本研究结果推测猪SOX2基因启动子中NF-AT转录因子结合位点是影响猪早期胚胎SOX2基因启动子活性的关键位点。本研究为揭示猪早期胚胎发育中SOX2基因表达调控机制提供了数据支持。     

果蝇原生殖细胞特化的分子机制

原生殖细胞在许多有性生殖动物的胚胎发育早期就已特化出来,并进一步分化为生殖细胞以产生新的子代。动物原生殖细胞的特化主要有生殖质决定和诱导两种模式,果蝇原生殖细胞的特化模式属于前者。研究表明,果蝇原生殖细胞特化过程中生殖质组装的关键基因是osk,其调控下游基因转录产物的定位和翻译,如vas和tud。此外,基因转录沉默是原生殖细胞特化过程的一个重要特征,其与生殖质中的成分如基因nos、gcl、pgc的表达产物密切相关。现对果蝇原生殖细胞特化分子机制进行综述。     

果蝇昼夜节律生物钟机制研究进展

昼夜节律生物钟包括输入途径、生物钟本身和输出途径。果蝇作为昼夜节律生物钟研究的前沿模式生物需被进一步了解。本文对果蝇昼夜节律生物钟的钟基因、激酶和磷酸酶的调控、两个相互依赖的转录/翻译反馈环路、生物钟细胞和昼夜节律行为进行了综述。     

黑须污蝇不同发育阶段转录组及嗅觉相关基因分析

【目的】建立黑须污蝇Wohlfahrtia magnifica转录组数据库,挖掘黑须污蝇基因数据,为更深入地研究双峰驼阴道蝇蛆病提供理论依据。【方法】采用高通量测序平台Illumina HiseqTM4000对黑须污蝇幼虫、蛹和成虫进行转录组测序,并进行生物信息学分析。利用黑须污蝇幼虫、蛹和成虫转录组数据,通过基因差异表达分析以及GO功能显著性富集分析的方法筛选出嗅觉相关基因,并通过荧光定量PCR技术对黑须污蝇幼虫、蛹和成虫中OBP99b,OBP56a和OBP99a 3个嗅觉相关基因表达水平进行验证。【结果】结果显示,每个黑须污蝇样本的转录组数据量在4.96 Gb以上,G+C含量在35.35%以上,Q20含量在97%以上。与NCBInr, GO, KEGG, Pfam, Swiss-Prot和eggNOG数据库进行对比,共注释到73 303条unigenes。其中eggNOG数据库注释到的unigenes最多,为35 066条,分布在23个蛋白功能中,其中的翻译修饰、蛋白质周转的unigenes所占比例较大;GO数据库注释到的unigenes数为29 193条,功能包括分子功能、细胞组分、生物学过程三大类50个分支,其中参与生物学过程和氧化还原过程的unigenes比例较大;KEGG数据库注释到的unigenes数为15 068条,其中参与信号转导过程的unigenes比例较大。上述数据表明该转录组测序结果较好,为后续研究奠定了基础。依据黑须污蝇幼虫、蛹、成虫转录组数据筛选到30个嗅觉相关基因,其中包含9个气味结合蛋白(OBP)基因,进一步基因注释发现OBP99b,OBP56a和OBP99a基因在黑须污蝇不同发育阶段表达差异显著(|log2FC|>1,P<0.05),这在荧光定量PCR分析结果中得到了验证。【结论】本研究获得了黑须污蝇幼虫、蛹和成虫转录组数据,筛选出黑须污蝇各发育阶段嗅觉相关基因,并验证了OBP99b,OBP56a和OBP99a基因在黑须污蝇幼虫、蛹和成虫3个发育阶段差异表达,为防治双峰驼阴道蝇蛆病提供了新思路。     

梨小食心虫幼虫中肠转录组及SSR分子标记分析

【目的】梨小食心虫Grapholitha molesta是一种重要的世界性果树害虫。昆虫中肠在食物消化、免疫反应、生长发育等方面发挥着重要作用。本研究旨在建立梨小食心虫幼虫中肠转录组数据库,挖掘其基因信息。【方法】利用高通量测序平台(Illumina HiSeq X Ten)对梨小食心虫幼虫中肠进行转录组测序、组装及生物信息学分析;进而利用转录组数据进行梨小食心虫幼虫中肠SSR分子标记鉴定。【结果】总计获得梨小食心虫幼虫中肠转录组96 419条unigenes,与公共数据库比对,共注释到57 300条unigenes。通过GO数据库注释,将unigenes的功能分为生物学进程、细胞组分和分子功能三大类55个功能区,其中参与细胞进程、细胞和细胞组分及结合功能的unigenes比例较大。KOG结果显示,10 090条unigenes归到25个基因家族,注释到一般功能预测的最多。KEGG数据库中,10 250条序列注释到232个代谢通路,注释到核糖体的基因数最多。此外,用MISH软件,在10 600条unigenes中搜索到12 690个SSR位点,通过PCR开发出6个SSR位点。【结论】本研究成功组装梨小食心虫幼虫中肠参考转录组,为以中肠为靶标的害虫防治提供理论依据。     

蜜蜂球囊菌菌丝和孢子中毒力因子相关全长转录本的鉴定及分析

[目的]蜜蜂球囊菌Ascosphaera apis是一种专性侵染蜜蜂幼虫而导致白垩病的致死性真菌病原.基于前期已获得的高质量纳米孔(Nanopore)长读段测序数据,对蜜蜂球囊菌菌丝(AaM)和孢子(AaS)中的毒力因子相关全长转录本进行鉴定和分析,为毒力因子相关剪接异构体的功能研究提供参考信息和基础.[方法]利用BLAST工具,将AaM和AaS中的所有全长转录本比对Nr数据库,以鉴定蜜蜂球囊菌的毒力因子(几丁质酶、脂肪酶、水解酶和蛋白酶)相关的全长转录本.使用minimap2软件,将AaM和AaS中的全长转录本序列与蜜蜂球囊菌参考基因组注释的已知转录本序列进行比对,将比对到参考基因组的全长转录本进行归一化处理,再通过每百万计数法(Counts per million,CPM)计算毒力因子相关全长转录本的表达量.利用百迈克云平台的相关工具绘制转录本的表达量聚类热图.通过IGV浏览器对部分毒力因子相关全长转录本结构进行可视化.[结果]在AaM鉴定到毒力因子相关的367个基因及407个全长转录本,包括12条几丁质酶相关全长转录本,48条脂肪酶相关全长转录本,289条水解酶相关全长转录本,58条蛋白酶相关全长转录本.在AaS鉴定到毒力因子相关367个基因及400个全长转录本,包括14条几丁质酶相关全长转录本,63条脂肪酶相关全长转录本,267条水解酶相关全长转录本,56条蛋白酶相关全长转录本.另外,AaM和AaS特有的毒力因子(几丁质酶、脂肪酶)相关全长转录本分别有0条和17条,共有的毒力因子相关全长转录本有60条.进一步分析发现,蜜蜂球囊菌的部分毒力因子基因可通过可变剪接形成多条剪接异构体.[结论]共鉴定到蜜蜂球囊菌毒力因子(几丁质酶、脂肪酶、水解酶和蛋白酶)相关的367个基因和486条全长转录本;相比于蜜蜂球囊菌参考基因组注释的转录本,绝大多数毒力因子基因对应的全长转录本数量更多且结构更为复杂.研究结果丰富了蜜蜂球囊菌毒力因子相关基因和转录本的注释信息,为毒力因子相关剪接异构体的功能研究提供了基础,也为白垩病防控提供了潜在靶点.     

草菇谷胱甘肽S-转移酶编码基因(vv-gto1)的序列分析及其差异表达

【目的】通过对草菇组学数据的分析,获得一个谷胱甘肽S-转移酶(GSTs)编码基因(vv-gto1),对其基因结构、序列特征及表达情况进行分析,探索GSTs在食用菌生长发育过程中的作用机制,并为其他食用菌GSTs编码基因的发现提供依据。【方法】应用ZOOM软件将基因组与转录组的测序读段(reads)与基因组拼接序列进行定位确定基因全长及其序列准确性,并对基因结构进行可视化分析。采用MEGA 5.1进行多序列比对及进化树分析,对草菇GTO1进行功能归类及同其他真菌的亲缘关系分析。结合表达谱、蛋白质组数据分析该基因在草菇不同生长时期的差异表达,并应用荧光定量PCR进行验证。【结果】vv-gto1全长2083bp,含有11个外显子、10个内含子,编码356个氨基酸;5'端非翻译区长度为305bp、包含1个内含子区域,3'端非翻译区为86bp;RNA加工过程中有两个内含子存在保留现象,由内含子保留所形成的转录本均无法翻译形成正确的保守功能域。vv-gto1全长序列都获得超过50个reads的准确定位,证明该区段的基因组测序及组装结果正确可靠。进化树结果显示,草菇GTO1属于Omega类第I小类谷胱甘肽S-转移酶,与黄孢原毛平革菌的GTO1、GTO2亲缘关系最近。数字基因表达谱、荧光定量PCR及蛋白质组的分析结果表明,vv-gto1在异核体菌丝H1521的表达量最高。【结论】本研究首次在草菇中获得一个Omega类谷胱甘肽S-转移酶编码基因,该基因在异核体菌丝生物学功能的行使过程中可能起到重要作用,同时也暗示草菇异核体菌丝具备较强的抗逆性。另外,vv-gto1可以通过形成不同的可变剪接体来调节基因的转录和翻译,最终影响蛋白质的功能行使。     

一种新的Srrm1/SRm160可变剪接体经历无义突变介导的mRNA降解

目的:研究基因Srrm1/SRm160的可变剪接。方法:应用RT-PCR研究Srrm1/SRm160的可变剪接,通过蛋白质的翻译抑制和RNA干扰研究剪接异构体是否经历无义突变介导的mRNA降解(NMD)过程。结果:获得Srrm1/SRm160新的可变剪接异构体,该异构体产生提前终止密码子,翻译抑制和RNA干扰证实含有提前终止密码子的剪接体经过NMD而降解。结论:Srrm1/SRm160通过可变剪接和NMD调节自身的表达水平,作为剪接因子进一步调节其他基因的可变剪接。     

真核基因可变剪接研究现状与展望

mRNA前体(pre-mRNA)的可变剪接是控制基因表达和产生蛋白质多样性的重要机制,是功能基因组时代的研究重点之一。生物信息学在识别可变剪接基因及其结构、分析可变剪接的功能和调控方式等方面具有重要作用。除了耗时的实验研究,识别可变剪接基因及其结构主要通过EST、mRNA等转录数据与基因组序列进行比对,获得同一基因的不同结构方式。分析蛋白质产物可对可变剪接的功能进行预测;潜在调控元件的统计分析则可为可变剪接调控机制的研究提供必要的数据。转录数据的时空信息以及比较基因组学对理解可变剪接信息的精确调控将提供重要资料。可变剪接及其调控机制的深入研究将为基因组和蛋白质组之间的对接提供重要的桥梁。     

基于转录组与翻译组的海洋食烷菌(Alcanivorax)烷烃代谢调控研究

【目的】食烷菌是海洋烃类降解优势菌,其烷烃代谢调控机制有待深入研究。本研究拟从食烷菌转录和翻译水平上认识烷烃降解的调控过程。【方法】分别以乙酸和正十六烷(C16)为唯一碳源与能源,获取柴油食烷菌(Alcanivorax dieselolei) B5菌株的转录组和翻译组数据,并整合数据计算得到该菌在2种碳源培养条件下基因的翻译效率。采用基因本体论(gene ontology, GO)和京都基因和基因组百科全书(Kyoto encyclopedia of genes and genomes, KEGG)对差异翻译和翻译效率基因进行功能和代谢通路注释。【结果】当以C16为唯一碳源与能源时,B5菌株烷烃代谢途径的关键基因在转录与翻译水平均大量提升,包括烷烃单加氧酶、细胞色素P450氧化酶、醇脱氢酶和醛脱氢酶等。KEGG富集结果表明,翻译水平显著上调基因参与了肽聚糖生物合成、脂肪酸降解、氯代烷烃降解、氧化磷酸化和生物膜形成等通路;翻译效率差异基因主要富集在铁载体非核糖体肽的生物合成、氧化磷酸化和不饱和脂肪酸的生物合成等途径。通过转录组和翻译组学的联合分析显示,为了适应烷烃氧化,B5有效地协调了转...     

抗肿瘤多肽9R-P201诱导下的肝癌HepG2细胞转录组测序分析

旨在探索多肽9R-P201处理肝癌HepG2细胞后基因融合、单核苷酸多态性(Single nucleotide polymorphism,SNP)突变、可变剪接等事件,并分析差异表达基因所参与的生物学进程与信号通路,以期解析多肽9R-P201在转录组水平对肝癌细胞的调控。通过转录组测序检测9R-P201处理肝癌HepG2细胞前后基因差异表达情况,tophat-fusion软件检测基因融合,SAMTOOLS软件检测SNP位点,r MATS软件鉴定可变剪接,使用基因本体(Gene Ontology,GO)和京都基因与基因组百科全书(Kyoto encyclopedia of genes and genomes,KEGG)富集分析方法对差异表达基因进行功能富集分析。结果共检测到可变剪接事件276个、SNP位点5 557个、基因融合事件45个;同时共得到显著差异表达基因403个,其中上调269个而下调134个,基因的功能富集分析结果显示差异表达基因显著富集细胞生长、迁移等肿瘤相关生物进程,并参与多条与癌症相关的信号通路。研究表明在9R-P201诱导HepG2细胞后,导致表达差异基因显著与肿瘤生物学进程和通路相关,并发生了大量可变剪接、SNP突变、基因融合等事件,这暗示着该多肽有望作为后续肝癌介入治疗潜在药物分子。     

黑曲霉木质纤维素降解酶基因的可变剪接分析及验证

黑曲霉Aspergillus niger因能够产生大量的木质纤维素降解酶而在木质纤维素资源利用中发挥重要作用。目前,有关黑曲霉基因组中与木质纤维素降解相关的基因是否存在可变剪接的情况尚不清楚。本研究以黑曲霉CBS513.88菌株为研究对象,采用rMATS和ABLas两种方法对黑曲霉在葡萄糖为唯一碳源(G组)和小麦秸秆为唯一碳源(WS组)下的56个木质纤维素降解酶基因的可变剪接事件进行分析,并通过RT-PCR扩增和内含子特异性扩增对3个典型基因的可变剪接体进行了验证。结果表明,ABLas可变剪接分析算法相较于rMATS分析算法更为准确,ABLas分析算法显示G组和WS组共有21个木质纤维素降解酶基因出现了可变剪接,可变剪接类型以内含子保留(IR)为主,占所有可变剪接事件的82.85%。另外,G组和WS组发生可变剪接的木质纤维素降解酶基因也有所不同：G组发生可变剪接的基因为13个,WS组发生可变剪接的基因为14个,两组都发生可变剪接的基因为6个,这表明黑曲霉木质纤维素降解酶基因的可变剪接在不同生长条件下存在差异,另一方面,黑曲霉中众多可变剪接体的存在也为开发新型的木质纤维素降解酶资源提供基础。     

Ras信号通路通过激活转录因子Myc促进核内复制细胞生长

【目的】果蝇Ras信号通路在细胞增殖与生长过程中发挥着重要的作用。Myc基因是bHLH转录因子家族基因,可调控细胞生长、竞争和再生增殖等生理过程。本研究旨在明确Ras信号通路与Myc的关系,探索Ras信号调控核内复制细胞生长的作用机制。【方法】生物信息学分析转基因家蚕Bombyx mori后部丝腺Myc基因的转录水平,并通过qPCR验证;在黑腹果蝇Drosophila melanogaster Kc细胞中,分别转染pAc5.1-HisB-Ras~(V12)-V5或pAc5.1-HisB-Raf-Flag过表达Ras~(V12)或Raf后,通过qPCR和Western blot技术分别检测Myc基因在mRNA和蛋白水平的相对表达量;在黑腹果蝇幼虫脂肪体和唾液腺中,结合黑腹果蝇遗传工具和分子生物学手段,验证Ras信号通路对Myc基因的调控作用。【结果】家蚕后部丝腺过表达Ras1~(CA)上调Myc转录水平。激活Ras信号使得黑腹果蝇Kc细胞内Myc在转录水平和蛋白水平上的表达量上调;黑腹果蝇幼虫唾液腺和脂肪体中,游走期Myc基因的表达量高于取食期;过表达Myc或激活Ras信号可以促进细胞核内周期进程;激活Ras信号促进Myc表达。【结论】Ras信号通路激活Myc表达,促进细胞核内周期进程,促进器官发育。     

基于PCR 技术的人脑基因可变剪接差异性研究

目的:对人脑的基因可变剪接位点差异性进行分析。方法:通过RNA-Seq得到的转录组数据,分析推测出在不同年龄的7对样本的大脑前额叶皮层(prefrontal cortex,PFC)表达的某些基因具有可变剪接位点的差异性;为验证此推测,设计7对引物,提取不同年龄样本的RNA,通过反转录合成cDNA,采用PCR技术扩增目的序列。结果:在已剪接和(或)未剪接产物预期片段处有明显的条带。结论:通过Quantity One软件分析后,确定在不同年龄间存在可变剪接差异。基于PCR技术的基因可变剪接分析对RNA-seq数据集的预测结果进行验证是一种有效新颖的PCR新应用。