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【PNAS文献解读】非编码RNA在拟南芥磷饥饿下的翻译调控

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    发表于 2019.1.28 16:54:14 | 显示全部楼层 |阅读模式
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    众所周知,真核生物的DNA序列通过转录得到的转录本中,蛋白编码基因只占了一小部分,如拟南芥某个发育时间点的转录组中,只有38%的序列编码100个氨基酸以上的蛋白。
    其他的转录本除了tRNA、rRNA等的这些housekeeping RNAs,大多参与了基因的转录调控,包括miRNA, siRNA, lncRNA等。lncRNA在细胞核内参与了基因的表观调控和转录调控,在细胞质中则参与了mRNA稳定性和翻译调控,如我们较熟悉的ceRNA作用。而对于lncRNA在基因翻译调控过程中的作用,则研究较少。
    今天我们就来解读一篇2017年发表在PNAS上的文献,该文献研究的是拟南芥在磷饥饿胁迫下non-coding RNA是如何参与翻译调控的。


    发表杂志:PNAS
    影响因子:9.504

    实验方法

    拟南芥幼苗根在磷充足(500um,+P)和磷饥饿(12.5um,-P)培养液中培养7天后,提取poly(A)+mRNA进行RNA-seq。使用亲和纯化的方法分离核糖体-mRNA复合物,然后进行ribo-seq测序。

    研究结果

    1翻译特征分析

    首先对ribo-seq测序数据进行翻译特征的分析,这是评价ribo-seq实验成功与否的标准。由于ribo-seq数据会呈现一定的特征,如三碱基周期、在起始和终止密码子周边的分布特征等,因此可以作为质控手段,对测序数据进行严谨的质控。我们基迪奥的ribo-seq测序服务就会先对数据进行翻译特征的评估,合格后才会继续进行后续的测序与分析的。

    文章中通过分析RFs在起始和终止密码子周边的分布、RFs比对到CDS, 5’UTR和3’UTR的比例、以及评估RFs分布是否呈现三碱基周期规律,结果都符合核糖体翻译的特征(图1,2),说明实验是成功的。


    图1 RFs在起始和终止密码子周边的分布


    图2 RFs三碱基周期分布

    2 磷饥饿条件下基因转录与翻译的变化比较

    结果显示,RNA-seq与ribo-seq数据高度相关(r=0.76)(图3),而且两组学都鉴定到的差异表达基因具有相似的GO功能。RNA-seq与ribo-seq共有84个差异上调基因和163个差异下调基因。81个mRNA 翻译效率(TE)显著上调,184个mRNA TE显著下调(图3)。TE显著上调的mRNA与转运活性、激酶活性等生物学功能相关;而TE显著下调的mRNA与转录过程相关。


    图3 RNA-seq与ribo-seq相关性散点图   


    图4 RNA-seq与TE相关性散点图

    3uORF分析

    有文献报道uORF(上游开放阅读框)可以调控基因主开放阅读框(mORF)的翻译。为了研究磷饥饿条件下基因的TE发生变化是否与uORF翻译有关,鉴定mRNA 5’端的非overlapping uORF(>60nt)。在4505个有uORF的mRNA中,共有63个在磷饥饿胁迫下TE发生变化,其中16个mRNA其uORF区的RFs比mORF区显著更多(图5),表明了uORF通过翻译成多肽抑制了下游主开放阅读框的翻译起始。


    图5 uORF调控mORF翻译

    4lncRNA分析

    将mRNA-seq、ribo-seq数据与sRNA-seq、dsRNA-seq数据结合来分析lncRNA。共鉴定出2382个poly(A)+lncRNA,包括lincRNA, cis-NATs, siRNA precursors和 phasiRNA precursors。约一半(1140个)的lncRNA有ribo-seqreads支持(ribo-lncRNAs),占拟南芥根所有鉴定出的lncRNA的48%,这些ribo-lncRNAs包括约80%的lincRNA和约33%的NATs。这些结果说明很多lincRNA和NATs可以翻译。


    图6 lncRNA分析

    小知识:
    lincRNA:由基因间区或内含子区转录而来的长非编码RNA。
    cis-NATs:natural antisensetranscripts,与蛋白编码基因位于不同的链上,并且与蛋白编码基因外显子有大于50nt的overlap。
    tasiRNA/ phasiRNA:trans-actingphased small interfering RNAs

    5lncRNA可翻译的sORF预测

    接下来利用RRS和RiboTaper来分析lncRNA sORF的编码能力,两者交集共有9个lncRNA。同时利用拟南芥多个组织的蛋白质谱数据比对加入了预测的小肽(sPEP)序列的TAIR10蛋白数据库,找到了19个RRS支持的sPEP可翻译。这些被验证可翻译的lncRNA_sORFs在磷饥饿条件下编码了从11个氨基酸的小肽到100个氨基酸的多肽,其中8个翻译上调,4个翻译下调,说明sPEP在拟南芥磷饥饿胁迫下发挥着重要作用(图7)。


    图7 lncRNA可翻译的sORF预测

    6cis-NAT分析

    在568个有ribo-seqreads支持的cis-NATs(ribo-cis-NATs)中,12个在磷饥饿条件下显著差异表达。为了研究这些cis-NATs在磷饥饿条件下能否调控其正义链mRNA的表达,对dsRNA-seq数据进行定量分析。

    结果鉴定出143个cis-NATs差异表达,包括41个ribo-cis-NATs。其中5个的正义链mRNA的翻译效率显著上调(图8)。这些受调控的mRNA包括与营养摄取和侧根形成相关的两个转运因子ABCG2和ABCG20、和与根细胞延长相关的激酶PRK7。


    图8 ribo-cis-NATs调控其正义链mRNA的翻译表达

    7tasiRNA前体lncRNA分析

    上述鉴定到的ribo-lncRNAs包括一些已知tasiRNA的前体,比如TAS3a。TAS3a的52aa长sORF的终止密码子位于miR390/ARGO7结合位点的5’端,其翻译可以提高相应转录本的稳定性和tasiRNA的合成(图9)。


    图9 TAS3a的ribo-seq数据

    小结

    该文章联合转录组RNA-seq与翻译组ribo-seq来研究拟南芥幼苗根在磷饥饿胁迫下非编码RNA是如何参与翻译调控的。文章思路清晰、分析内容丰富且论证严谨,并且研究内容够创新,这是发PNAS高分杂志的关键。
    如果您也想分析非编码RNA在翻译调控过程中的作用、如果你也想发表高分文章,那么请联系我们基迪奥的技术人员吧!文章中的这些测序与分析我们都有完整的分析流程,可以助您一臂之力!


    本文作者:基迪奥小师妹

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