Nature子刊:趙方慶團隊提出環狀RNA定量和可變剪接體轉換識別的新方法
BioWorld · 2020/01/08
環狀RNA是一類在真核生物中廣泛存在的具有特殊環狀結構的非編碼RNA分子。已有文獻表明,在生物體內,環狀RNA有著miRNA海綿,RBP海綿以及翻譯短肽等多項功能,在許多生物學過程中發揮著重要的作用。

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環狀RNA是一類在真核生物中廣泛存在的具有特殊環狀結構的非編碼RNA分子。已有文獻表明,在生物體內,環狀RNA有著miRNA海綿,RBP海綿以及翻譯短肽等多項功能,在許多生物學過程中發揮著重要的作用。

目前研究表明,大部分環狀RNA來源于蛋白編碼基因的外顯子區域。在pre-mRNA剪接的過程中,除典型的內含子剪接事件外,還可能會發生5’端到3’端的反向剪接事件,從而形成環狀RNA。因此,剪接產物中環狀RNA所占比例是環狀RNA分析的重要指標之一,具有高成環比例的環狀RNA分子,可能具有更加重要的生物學功能。同時,同一基因內部也可能產生多種不同的環狀RNA,基因內對環狀RNA產生位點的使用偏好,也在一定程度上反應了轉錄過程對環狀RNA產生的調控。因此,環狀RNA轉錄本水平的準確定量,是目前環狀RNA分析的重要基礎。

2020年1月3日,中國科學院北京生命科學研究院趙方慶團隊在 Nature Communications 雜志上發表題為:Accurate quantification of circular RNAs identifies extensive circular isoform switching events 的研究論文。

該研究開發了環狀RNA定量和差異表達分析的新方法——CIRIquant。與常用的環狀RNA分析軟件相比,CIRIquant可以更準確對環狀RNA轉錄本進行識別和定量,并為環狀RNA的差異表達分析提供了便捷的一站式分析工具。


為了解決該問題,趙方慶團隊開發了一個新的環狀RNA分析算法。根據已有工具鑒定出的環狀RNA成環位點信息,研究人員重構了具有反向剪接特征的環狀RNA參考序列,簡化了復雜的反向剪接位點比對問題,并結合測序讀段比對到參考基因組和環狀序列的結果,篩選出了高置信度的來自環狀RNA的讀段,解決了目前環狀RNA識別和定量方法中準確度低和假陽性率高的問題。作者在模擬數據和真實轉錄組數據中,對多種常用環狀RNA識別軟件的表現進行了綜合評估,發現該研究中開發的方法在環狀RNA表達量和成環比例的計算中,均取得了最佳的結果。


圖1. CIRIquant算法流程

接著,研究團隊還通過統計模型,對環狀RNA建庫過程中常用的RNase R處理效率進行了擬合和校正,從而在RNase R處理后的樣本中,消除了RNase R處理步驟引入的偏差,取得了更準確的定量結果。在此基礎上,該團隊還對環狀RNA的差異表達計算方法進行了改進,提出了新的評估表達水平和剪接傾向變化程度的打分方法。

利用上述方法,研究人員在三個剪接因子敲低的HeLa細胞和20對肝癌-癌旁樣本中,發現了兩類線性-環形比例和成環位點使用偏好發生變化的環狀RNA。這兩類環狀RNA在成環比例以及基因內成環位點使用水平上具有非常顯著的改變,反映了環狀RNA轉錄過程以及轉錄后水平調控情況的變化。此外,在阿爾茲海默癥以及腎細胞癌的樣本中,研究人員也發現了這兩類事件的廣泛存在,說明這兩類環狀RNA可能擁有更加重要的生物學功能。


圖2. 肝癌中線性和環形轉錄本差異及競爭性調控

該研究在轉錄組數據中實現了環狀RNA的準確識別和定量,并對環狀RNA差異表達分析方法進行了改進,提供了便捷的分析流程,為后續具有潛在功能的環狀RNA篩選提供了重要的方法學工具。

據悉,該工作由趙方慶課題組的研究生張金陽,陳帥和楊靜雯完成。趙方慶團隊在前期的工作中建立了環狀RNA識別、轉錄本組裝、可變剪接檢測及定量等方法,相關研究發表在相關工作發表在Genome Biology (2015)、Nature Communications (2016,2020)、Briefings in Bioinformatics (2017)、Trends in Genetics (2018)、Genome Medicine (2019)和Cell Reports (2019)。這些研究豐富了我們對環狀RNA的組成及結構的認識,為深入了解這一嶄新類型的非編碼RNA分子提供了重要工具和數據支持。


參考資料:

[1] https://www.nature.com/articles/s41467-019-13840-9

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