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环状RNA的多组学关联思路

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发表于 2017-9-14 10:17:21 | 显示全部楼层 |阅读模式
生信自学课堂

在多组学研究过程中,处理组和对照组的对比所发现的差异RNA往往有很多。此外,生物学过程是时空动态的,某一时间点差异显著的RNA不一定是最相关的。如何提高筛选效率?


由于mRNA,lncRNA和环状RNA上存在miRNA反应元件(MRE),都可以结合miRNA,从而能够互相影响称为内源竞争性RNA(ceRNA)效应。利用多组学能够将mRNA和其它种类RNA分子关联起来,有助于深入了解某一生物学过程中复杂的分子机理。但是ceRNA也是有条件的,如何准确找到参与ceRNA的相关基因?


今天我们来解读一篇文献,看看作者如何利用多组学,结合不同的时间点的趋势分析来缩小筛选范围,同时依据靶向位点数量预测,找到关键性的miRNA,最后阐释生物学过程中存在的ceRNA分子机理。

发表期刊:《Nucleic Acids Research》

影响因子:9.202



研究目的

利用多组学综合研究化学物质BaP致癌过程的分子机理。


研究思路

化学致癌物BaP和对照DMSO处理细胞(6个时间点2个重复),分别进行去核糖体RNA-Seq和small RNA-Seq,筛选出侯选mRNA、miRNA和circRNA,通过靶向关系研究将三者关联起来。


研究结果

1
高通量测序筛选差异基因

得到raw data后,根据TMM(trimmed mean of M-values)进行归一化处理,统计不同时间点,处理组(BaP)和对照组(DMSO)HepG2细胞中的差异表达基因(Fold change ≥ 1.5;FDR ≤ 0.05),结果显示(表1):


表1 不同时间点,处理组和对照组差异表达的mRNA,circRNA和miRNA

  • 1143个差异表达的mRNA,其中多数显著富集于生物学功能“cellular response to xenobiotic stimulus”(GO: 0071466),与化学毒理和致癌相关的基因CYP1A1,ALDH3A1,AKR1B10等;DNA损伤和修复相关的基因MDM2,CDKN1A,CCND2,SFN,MGMT,RAD51B等;
  • 163个差异表达的circRNAs;
  • 16个差异表达的miRNA,包括唯一所有时间点都高表达的miR-181a-1 3p(受到BaP处理影响),此外还有miR181家族,miR-122和miR19家族的一些分子。还包括所有样本丰度最高的mir-192 5p,mir-21 5p和mir-191 5p(不受BaP处理影响)。


因此,每个时间,处理和对照组中的差异mRNA和circRNA比较多,不利于精确筛选最关键的基因;虽然,差异表达的miRNA相对较少,但是其靶基因也可能有很多。


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 楼主| 发表于 2017-9-14 10:18:50 | 显示全部楼层
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2
不同时间点趋势分析

利用STEM(Short Time-series Expression Miner)函数对不同时间点基因的表达趋势进行研究,观察mRNA、miRNA和circRNA是否存在一定的表达趋势。


  • GO: 0071466中大多数差异mRNA(512个)表达比较稳定,只在24h时丰度达到一个峰值,可能与BaP代谢过程有关。
  • 虽然每个时间点都有一些circRNAs差异表达,但是没有一个circRNA在所有时间点持续表达。


因此,从mRNA和circRNA的角度入手难度相对较大,而差异表达的miRNA数量较少,作者把目标锁定到miRNA上,其中miR-181a-1 3p表达量在所有时间点持续高表达,于是作者推测miR-181a-1 3p是关键的基因(图1)。

图1 miR-181a-1 3p不同处理时间点表达趋势


靶向关系预测

为了进一步筛选参与ceRNA的相关基因,作用利用miRanda分析差异miRNA与所有表达的mRNA和circRNA的靶向关系,结果发现在所有差异miRNA中,miR-181a-1 3p的靶基因数量最少(328个基因的3’UTR)。其中14个是差异表达mRNA,其中包括DNA修复相关的抑癌基因MGMT,在24h时表达量受到抑制(图2)。同时发现16个差异circRNA能与miR-181a-1 3p结合。

图2 miR-181a-1 3p靶基因MGMT表达趋势


4
分子机理推测

综合上述结果,作者推测,BaP诱导miR-181a-1 3p高表达,抑制了MGMT的丰度,导致了癌症发生;24h后,miR-181a-1 3p表达降低以及被circRNAs的数量增加竞争性结合,MGMT表达又上升,降低了突变的速度。

研究总结

1. 关于提高筛选精度:


首先,多组学数据可以建立相关性,缩小目标范围;其次,作为ceRNA的桥梁作用,miRNA是研究的关键。本文中发现差异表达的miRNA数量比mRNA和circRNA要少,所以作者容易从miRNA中找到突破。最后,在加入不同时间点后,可以通过趋势分析进一步缩小miRNA筛选的范围。


2. 关于ceRNA:


一般miRNA的靶基因数量较少,单个靶基因的表达量变化,才会引起其他靶基因比较显著的变化。反之ceRNA效应不明显;miRNA自身丰度的变化能促进ceRNA的效应。一些circRNA对miRNA的吸附能力也很强,因此参与ceRNA效应的概率也可能较大,是很有研究潜力的。


参考文献:

【1】Caiment F, Gaj S, Claessen S, et al. High-throughput data integration of RNA–miRNA–circRNA reveals novel insights into mechanisms of benzo[a]pyrene-induced carcinogenicity[J]. Nucleic Acids Research, 2015, 43(5):2525-34.


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