高通量RNA甲基化测序数据处理与分析研究进展

随着高通量测序技术快速发展,Me RIP-seq(methylated RNA immunoprecipitation sequencing)测序技术开启了RNA表观遗传学研究新局面,能够在全基因组范围内描述RNA甲基化.从Me RIP-seq高通量数据中挖掘RNA甲基化模式,有助于揭示m RNA甲基化在调控基因表达、剪切等方面所发挥的潜在功能,有效指导癌症的干预治疗.本文从Me RIP-seq测序原理出发,较全面地综述Me RIP-seq数据处理和分析方法研究现状,并对其所面临的计算问题进行讨论和展望.     

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。     

高通量测序技术及其在表观遗传学上的应用

DNA测序技术是现代生命科学研究的重要工具之一,而高通量测序技术在全基因组的研究中发挥着越来越重要的作用。简要回溯DNA测序技术的产生与发展,着重从PCR扩增测序和单分子测序两个方面全面描述了高通量测序中众多代表性的技术及直接测序技术,并从DNA甲基化、组蛋白修饰、非编码RNA调控等方面阐述了高通量测序技术在表观遗传学上的运用。     

核糖体图谱技术在植物学研究中的应用

随着高通量测序技术的持续发展和进步, 开发出很多新颖的测序技术, 为诸多悬而未决的生物学难题提供了解决方案。其中, 核糖体图谱技术能够在全基因组水平和单核苷酸分辨率上监控细胞内的翻译事件, 填补了转录组学和蛋白质组学研究之间的空隙。核糖体图谱技术不仅能够鉴定处于翻译状态的RNA分子, 还能够精确定位RNA分子上正在翻译的核苷酸, 进而准确描绘RNA分子上的开放阅读框。此外, 结合转录组测序数据, 核糖体图谱技术还可以确定每个转录本上的核糖体数量, 从而计算每个转录本的翻译效率。目前, 核糖体图谱技术已成功应用于动物、植物和微生物等研究领域, 加深了人们对翻译调控机制的认识。然而, 由于植物细胞和组织的特性, 核糖体图谱技术在植物学研究中的应用仍然存在局限。该文综述了核糖体图谱技术的实验原理, 以及在植物学研究中的相关进展。     

选择性多聚腺苷酸化的生物学效应及其调控机制研究进展

真核生物基因的前体mRNA(pre-mRNA)及一些lncRNA在成熟过程中其3'端会发生剪切和多聚腺苷酸化反应(cleavage and polyadenylation, C/P),C/P的发生需要多聚腺苷酸化信号(polyadenylation signal, PAS)的存在。选择性多聚腺苷酸化(alternative cleavage and polyadenylation, APA)是指具有多个PAS的基因,在其mRNA3'端成熟过程中,由于选择不同的PAS,导致产生出多个3'UTR长度和序列组成不同的转录异构体。3'UTR长度和序列的不同会影响mRNA的稳定性、翻译效率、运输和细胞定位等,因此APA是真核生物的一个重要转录后调控方式。近年来,对大量动物、植物及酵母的基因组测序分析发现,APA在真核生物广泛存在,针对APA的生物学效应和调控机制开展了一系列研究。目前已鉴定出许多APA调控的顺式调控元件和反式作用因子。本文重点介绍了APA生物学效应和调控机制的最新研究进展,并探讨了未来APA调控的研究方向。     

下一代测序技术在干细胞转录调控研究中的应用

基因转录调控及其机制分析是后基因组时代生物学研究的重点之一。随着高通量测序技术的发展,人们可以从不同层面研究基因的转录调控行为,从转录组、转录因子结合,到染色质局部结构和整体空间构象,可系统分析转录调控的分子机制。干细胞分化过程的转录调控分析对研究再生医学和理解细胞癌变机制等具有重要意义。本文综述了下一代测序技术在干细胞转录调控研究中的应用,包括：(1)基于基因芯片或RNA测序的转录组分析;(2)基于染色体免疫共沉淀(chromatin immunoprecipitation, ChIP)测序的表观基因组和转录因子结合信息的分析;(3)基于DNase 酶切测序(DNase-Seq)的染色质开放性分析;(4)基于高通量染色质构象捕获(high-throughput chromosome conformation capture, Hi-C)技术的染色体远程相互作用分析。从基因表达谱、转录因子结合和基因组三维结构等层面展开介绍,重点关注了一些多能性转录因子(Oct4、Sox2和Nanog等)在维持干细胞干性和分化中的调控作用,以期为干细胞转录调控的研究提供借鉴和参考。     

CRISPR/Cas9全基因组筛选在生命科学中的应用

全基因组筛选是系统性分析基因组的有力工具,可在全基因组范围内发现具有特定生物学功能的基因或DNA元件。基于CRISPR/Cas9基因编辑技术的全基因组筛选具有高通量和高效率的特点,已被广泛应用于疾病机理和药物开发等研究,为临床治疗提供科学用药依据。同时,CRISPR/Cas9筛选可靶向启动子、增强子和长链非编码RNA等序列,解析其调控基因表达的功能。此外,将全基因组筛选与单细胞测序技术结合,可揭示细胞转录组差异,剖析基因功能关系。     

基于机器学习的RNA编辑位点预测方法综述

RNA编辑是一个十分重要的生物细胞分子机制。作为转录后修饰的一步,它可以增加蛋白质组学多样性,改变转录产物的稳定性,调节基因表达等。RNA编辑失调会导致各种疾病,包括神经疾病和癌症。在动物中,腺苷到肌苷(A-to-I)的编辑是最普遍的。高通量测序技术的进步大大提高了在全局范围内检测和量化RNA编辑的能力,使得RNA编辑的大规模全基因组分析变得可行,产生了一系列基于高通量测序技术的RNA编辑位点预测方法。通过对这些方法进行介绍、总结和分析,为RNA编辑的进一步研究提供一些思路。     

环状RNA研究进展

环状RNA(circRNA)是一类内源性非编码RNA(Non-coding RNA;ncRNA),与传统线性RNA不同,它是由反向剪接形成的、没有5'端帽子和3'端多聚腺苷酸尾巴的环状闭合结构。起初人们认为circRNA是错误剪接或者低丰度mRNA转录过程中的副产物,但随着高通量测序技术和生物信息学的发展,越来越多的circRNA已被发现和鉴定。circRNA在哺乳动物细胞中具有内生、丰富、保守、稳定、组织特异性、时空特异性等特点,且亚细胞定位存在差异。大量研究发现它可以通过多种机制参与动物生长发育调控,疾病等的发生和发展。综述了circRNA的发现与形成、特征、作用机制、研究方法及与疾病相关的研究进展,以期为circRNA的进一步研究提供参考。     

长链非编码RNA调控脂肪发育与代谢研究进展

长链非编码RNA(long noncoding RNA,lncRNA)是一种广泛存在于动植物中、长度大于200个核苷酸且不能编码蛋白的RNA。近年来,随着高通量基因组测序技术的不断发展,研究者们对lncRNA的关注度越来越高,通过对lncRNA的深入研究,证实其在细胞分化、表观遗传、细胞周期调控等众多生命活动中发挥重要作用,并且很多疾病的发生、发展过程都与之相关。借助于高通量测序或芯片技术,已经证实许多lncRNA与脂肪组织的生成、发育和代谢调控有关,在脂肪发育的过程中起着重要的作用。通过对脂肪发育相关lncRNA的研究可以更好地了解脂肪的发育、代谢过程,同时为代谢疾病的临床治疗提供新的方法。基于此,对lncRNA作用模式、调控脂肪发育以及其对肥胖相关代谢疾病的影响等研究展开综述,以期为脂肪发育与代谢研究提供理论指导。     

代谢酶与RNA相互作用的研究进展

细胞代谢重编程对维持细胞稳态、细胞生长与增殖等细胞过程发挥着重要作用,并广泛参与恶性转化等病理过程。随着高通量分子检测技术的发展,人们发现有些代谢酶不仅能通过催化细胞内各种生化反应参与细胞代谢调控,同时还能结合RNA分子。这些代谢酶不具备经典的RNA结合域。已有研究显示它们可能通过一种负反馈机制调控其结合mRNA的运输、稳定性或翻译,从而将基因表达调控与细胞代谢联系起来。除此之外,酶的代谢产物也可能参与RNA与代谢酶相互作用的调控。重点从近年来发现的具备RNA结合能力的代谢酶、代谢酶与RNA的相互作用方式、RNA结合蛋白的鉴定与验证、代谢调控机制以及这些代谢酶与RNA相互作用如何调控复杂的细胞活动和疾病的发生发展过程进行综述。     

m^6 A RNA甲基化修饰异常在肿瘤中的作用

N6-甲基腺嘌呤(N6-methyladenosine,m6A)是真核生物信使RNA(messenger RNA,mRNA)含量最多的化学修饰之一。m6A修饰主要由m6A甲基转移酶(methyltransferase)催化,m6A去甲基酶(demethylase)去除,并由m6A结合蛋白(binding protein)识别。它广泛参与调控mRNA剪接、加工、翻译和降解等生命周期的各个阶段,且与肥胖和肿瘤等多种疾病及异常的生理功能相关。近年的研究发现,肿瘤中m6A相关蛋白质(METTL3/14、WTAP、FTO、ALKBH5、YTHDFs)的异常表达,引发m6A甲基化的失调,调控致癌基因和抑癌基因的表达参与肿瘤的发生与发展,并与患者预后不良密切相关。随着RNA免疫沉淀测序技术与高通量测序技术和液相色谱等检测技术的快速发展,有关m6A在肿瘤发生发展中的作用机制研究的进展迅猛,靶向m6A也成为肿瘤临床治疗的新方向。本文重点对m6A RNA甲基化相关因子在癌症发生发展中的作用及机制进行综述,总结m6A RNA甲基化检测技术的最新进展,梳理现有文献报道的脱甲基酶抑制剂大黄酸、甲氯芬那酸2(meclofenamic acid2,MA2)和右旋羟戊二酸(R-2-hydroxyglutarate,R-2HG)等在肿瘤靶向治疗中的运用,为以m6A RNA甲基化为切入点的肿瘤防治研究提供思路与理论参考。     

高通量分析技术在资源微生物及功能基因发掘中的应用

随着新的微生物资源不断被发现以及微生物基因组测序数据的积累和完善,目前研究重点和难点是如何从大量数据中快速发现和鉴定与微生物重要表型相关的功能基因,这就需要高通量的分析研究手段,主要涉及建库和筛选两个主要技术单元。其中,建库是指构建能够覆盖微生物全基因组的突变或干扰文库,所涉及的技术包括宏基因组、转座子插入突变、RNA干扰(RNA interference,RNAi)、反转录子文库重组工程(retron library recombineering,RLR)、CRISPR抑制(CRISPRi)和CRISPR激活(CRISPRa)等。筛选则是通过某种胁迫压力来促使文库菌群的差异化生长,并结合高通量测序全面发掘与特定表型相关的功能基因,从而为后续研究提供有效信息。本文对功能基因组学研究中现有的高通量分析技术进行了梳理、总结和展望,以期为这类技术方法的拓展、优化以及应用提供参考。     

长非编码RNA与造血谱系分化

全基因组测序分析显示,人类基因组中蛋白质编码基因所占比例不足2%,但高达80%的基因位点可以转录出RNA。在这些非编码RNA(non-coding RNA,nc RNA)中,长度超过200个核苷酸的RNA分子被称为长非编码RNA(long non-coding RNA,lnc RNA)。在血液系统中,基于造血不同分化阶段的转录组测序和分析发现,几乎在造血分化各个阶段都有lnc RNA参与。lnc RNA在维持造血干细胞未分化状态、诱导红细胞脱核成熟、粒细胞定向分化以及淋巴细胞迁移等谱系分化过程中均发挥了不可或缺的作用。lnc RNA作为调控因子在转录、转录后以及翻译等多个水平参与造血谱系分化调控。该文综述了近年来lnc RNA在造血分化领域的研究现状,为后续进一步揭示lnc RNA介导的造血调控网络奠定基础。     

环状RNA翻译能力研究进展

随着高通量测序技术和翻译组学研究的快速发展,对环状RNA (circular RNA, circRNA)翻译能力的研究日益成为热点。已有研究表明,circRNA自身可以翻译为蛋白,其蛋白功能与人类疾病发生发展有着密切联系,而且其有望成为mRNA的理想替代品,未来可被广泛地应用在蛋白质工程。本文系统综述了circRNA来源、形成方式和主要特征、翻译蛋白的方式、翻译能力的鉴定和功能验证,归纳了近年来circRNA翻译在人类疾病中的研究进展及其在蛋白质工程的应用,并对后续研究关注的问题进行了展望,以期为相关领域的研究提供参考。     

环RNA研究概况

在1976年就已经发现RNA可以具有环形形式。但是长期以来对环形RNA(circRNAs)主要是作为一些特例加以研究。随着高通量RNA测序技术以及生物信息学的发展,近几年的研究发现circRNAs在真核生物中普遍存在,并且具有一定的保守性和细胞特异性。越来越多的证据指明circRNAs不是剪切噪音,而是具有一定生物学功能,可能与一系列调控甚至疾病的发生和发展相关。     

基于新一代高通量测序的环境微生物转录组学研究进展

环境微生物转录组学是一门新兴学科,它以复杂环境样品中的微生物mRNA为研究对象,利用近年兴起的RNA-Seq高通量测序技术,在整体水平上对环境微生物的基因表达水平和调控规律进行研究.本文概述了环境微生物转录组研究从样品的采集保存、RNA提取、mRNA的富集、cDNA合成直到高通量测序及数据分析的基本流程.总结了该技术面临的主要瓶颈:环境样品mRNA含量低、腐植酸等干扰杂质多、rRNA去除程度有限.针对RNA的提取、纯化以及mRNA的富集这些重点步骤,详细阐述了近年来在提高mRNA的得率与纯度上的方法学进展.重点介绍了高通量测序数据的处理及分析方法,从测序数据的质量控制、序列组装、rRNA的鉴定及去除、功能基因注释及分类到差异表达基因的鉴定.最后总结了近年来环境微生物转录组学在新基因的发现、不同环境条件下微生物的基因表达及调控规律研究、有机物的代谢路径分析等3个主要研究领域的广泛应用.随着测序技术及生物信息学分析工具的发展进步,环境微生物转录组学将具有更广阔的应用前景.     

翻译组研究技术进展

基于高通量测序的RNA-Seq广泛被用于检测组织和细胞中基因的表达和调控机理研究,然而已有的文献表明mRNA水平并不能反映蛋白质的丰度,而研究正在翻译的mRNA的翻译组则比转录组更能反映蛋白组的实际水平,因此翻译组研究比转录组研究更具有理论和实践意义。对翻译组研究最为经典的多聚核糖体图谱技术到最近发展起来的核糖体图谱技术、核糖体亲和纯化技术以及翻译谱分析技术进行了综述比较,并介绍了翻译组研究前景,以便为翻译组研究提供参考。     

微生物小开放阅读框:小蛋白及翻译调控研究进展

小开放阅读框(small open reading frame, sORF)广泛存在于不同生物基因组中,由于其序列短,以及编码的产物小蛋白(smallprotein,或称微蛋白;microprotein或迷你蛋白miniprotein)检测困难等原因,小开放阅读框长期未得到充分注释和研究。近年来,随着高通量测序、翻译组和质谱分析等技术的不断发展,在不同生物中发现大量新的小开放阅读框,其编码的小蛋白及介导的翻译调控已应用于药物开发及植物抗病机理等研究。但是,目前对微生物的小开放阅读框相关研究和应用还相对有限。本文综述了小开放阅读框编码产物小蛋白的发现和鉴定,以及上游开放阅读框(upstream open reading frame, uORF)对mRNA翻译调控等最新研究进展,重点介绍了微生物基因组中小开放阅读框的鉴定和功能研究进展,为深入认识微生物中小开放阅读框的功能和作用机制,以及植物和动物等高等其他生物的小蛋白和翻译调控相关研究提供参考。