Nature子刊:赵方庆团队提出环状RNA定量和可变剪接体转换识别的新方法
BioWorld · 2020/01/08
环状RNA是一类在真核生物中广泛存在的具有特殊环状结构的非编码RNA分子。已有文献表明,在生物体内,环状RNA有着miRNA海绵,RBP海绵以及翻译短肽等多项功能,在许多生物学过程中发挥着重要的作用。

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环状RNA是一类在真核生物中广泛存在的具有特殊环状结构的非编码RNA分子。已有文献表明,在生物体内,环状RNA有着miRNA海绵,RBP海绵以及翻译短肽等多项功能,在许多生物学过程中发挥着重要的作用。

目前研究表明,大部分环状RNA来源于蛋白编码基因的外显子区域。在pre-mRNA剪接的过程中,除典型的内含子剪接事件外,还可能会发生5’端到3’端的反向剪接事件,从而形成环状RNA。因此,剪接产物中环状RNA所占比例是环状RNA分析的重要指标之一,具有高成环比例的环状RNA分子,可能具有更加重要的生物学功能。同时,同一基因内部也可能产生多种不同的环状RNA,基因内对环状RNA产生位点的使用偏好,也在一定程度上反应了转录过程对环状RNA产生的调控。因此,环状RNA转录本水平的准确定量,是目前环状RNA分析的重要基础。

2020年1月3日,中国科学院北京生命科学研究院赵方庆团队在 Nature Communications 杂志上发表题为:Accurate quantification of circular RNAs identifies extensive circular isoform switching events 的研究论文。

该研究开发了环状RNA定量和差异表达分析的新方法——CIRIquant。与常用的环状RNA分析软件相比,CIRIquant可以更准确对环状RNA转录本进行识别和定量,并为环状RNA的差异表达分析提供了便捷的一站式分析工具。


为了解决该问题,赵方庆团队开发了一个新的环状RNA分析算法。根据已有工具鉴定出的环状RNA成环位点信息,研究人员重构了具有反向剪接特征的环状RNA参考序列,简化了复杂的反向剪接位点比对问题,并结合测序读段比对到参考基因组和环状序列的结果,筛选出了高置信度的来自环状RNA的读段,解决了目前环状RNA识别和定量方法中准确度低和假阳性率高的问题。作者在模拟数据和真实转录组数据中,对多种常用环状RNA识别软件的表现进行了综合评估,发现该研究中开发的方法在环状RNA表达量和成环比例的计算中,均取得了最佳的结果。


图1. CIRIquant算法流程

接着,研究团队还通过统计模型,对环状RNA建库过程中常用的RNase R处理效率进行了拟合和校正,从而在RNase R处理后的样本中,消除了RNase R处理步骤引入的偏差,取得了更准确的定量结果。在此基础上,该团队还对环状RNA的差异表达计算方法进行了改进,提出了新的评估表达水平和剪接倾向变化程度的打分方法。

利用上述方法,研究人员在三个剪接因子敲低的HeLa细胞和20对肝癌-癌旁样本中,发现了两类线性-环形比例和成环位点使用偏好发生变化的环状RNA。这两类环状RNA在成环比例以及基因内成环位点使用水平上具有非常显著的改变,反映了环状RNA转录过程以及转录后水平调控情况的变化。此外,在阿尔兹海默症以及肾细胞癌的样本中,研究人员也发现了这两类事件的广泛存在,说明这两类环状RNA可能拥有更加重要的生物学功能。


图2. 肝癌中线性和环形转录本差异及竞争性调控

该研究在转录组数据中实现了环状RNA的准确识别和定量,并对环状RNA差异表达分析方法进行了改进,提供了便捷的分析流程,为后续具有潜在功能的环状RNA筛选提供了重要的方法学工具。

据悉,该工作由赵方庆课题组的研究生张金阳,陈帅和杨静雯完成。赵方庆团队在前期的工作中建立了环状RNA识别、转录本组装、可变剪接检测及定量等方法,相关研究发表在相关工作发表在Genome Biology (2015)、Nature Communications (2016,2020)、Briefings in Bioinformatics (2017)、Trends in Genetics (2018)、Genome Medicine (2019)和Cell Reports (2019)。这些研究丰富了我们对环状RNA的组成及结构的认识,为深入了解这一崭新类型的非编码RNA分子提供了重要工具和数据支持。


参考资料:

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

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