应用CPR改进基因共表达网络探究反式剪接的调控因子及机制

Trans-splicing is a non-collinear RNA splicing that fuses two independent transcripts (ie, parental RNAs) into a chimeric RNA, which in turn can integrate heterologous genetic information and diversify transcriptomes and proteomes. To explore its related regulatory issues can improve trans-splicing-mediated RNA therapy. However, its regulatory factors and mechanisms remain elusive. Although the standard gene co-expression network can high-throughput show inter-genetic collaboration, it will mix the regulations in two areas of RNA transcription and RNA splicing, which is not conducive to exploring RNA splicing mechanism. In our previous study, we found that the ratio of chimeric RNA to parental RNA on the transcription level (CPR) can divide the two parts: RNA transcription and trans-splicing in terms of data standardization. Using CPRs as nodes can improve the fine structure of the network and facilitate the mining of regulators and pathways in trans-splicing. Therefore, the present project will use CPRs to improve gene co-expression network, simultaneously capturing two kinds of regulatory relationship of RNA transcription and trans-splicing. We will then use network topological characteristics to identify key regulatory factors and pathways in trans-splicing. We will use affinity chromatography, molecular hybridization and quantitative analysis to verify the revealed rules. Finally, we seek to provide new ideas and targets in related researches and applications of trans-splicing and chimeric RNA.

反式剪接是一种非共线的RNA剪接，可将两个独立转录本（即亲本RNA）剪接成嵌合RNA，整合异源遗传信息，多样化转录组和蛋白组。探究反式剪接的相关调控问题，可为RNA治疗提供新楔入点。然而，其调控因子及机制仍不完善。标准基因共表达网络，虽然可呈现基因间的协作，但会混杂RNA转录和RNA剪接两种调控关系，不利于探究RNA剪接机制。本组前期发现，嵌合RNA和亲本RNA在转录水上的比值（CPR），从数据标准化的角度，可剖分RNA转录与反式剪接这两种效应；将CPR作为节点，引入基因共表达网络，可改善网络的精细结构，有利于挖掘反式剪接中的调控因子及通路。因而，本项目预以CPR改进基因共表达网络，准确捕获RNA转录和反式剪接两种调控关系；以网络拓扑特性，探究反式剪接中的关键调控因子及通路；以亲和层析、分子杂交、定量分析等试验，验证所揭示规律，为反式剪接和嵌合RNA的相关研究及应用，提供新思路和新靶点。

本研究发现嵌合RNA与其前体物（亲本RNA）在转录水平上的比值（CPR），可将嵌合RNA的丰度，标准化为去除转录影响的相对量，有效剖分RNA转录和反式剪接这两种信息。进而，本研究将CPR作为节点引入基因共表达网络，创建了CPR网络分析技术，鉴定了CPR—CPR、基因—基因和CPR—基因连通子图和相应枢纽基因，改善了网络的精细结构，挖掘了调控反式剪接的因子及通路，探究了RNA转录和反式剪接两种调控关系及通路。研究中发现，最大值方式是平衡不同亲本基因的转录丰度差异的最优方式。CPR网络中的枢纽基因，主要涉及RNA剪接体、miRNA介导的基因沉默、RISC复合体、内肽酶活性、蛋白质结合、蛋白质折叠等生物活性；还涉及癌症中的miRNA合成、剪接体合成等信号通路。其中，一些关键基因与剪接体的组成相关，主要涉及真核生物中的剪接体组织、核糖体生物发生等信号通路。进一步，发现嵌合基因与亲本基因会位于不同的网络模块中，表明嵌合基因与亲本基因可能具有不同的功能。在嵌合基因中，不同来源的结构域的连接形式多样，且可形成新结构域和改变细胞定位，增加了转录组和蛋白质组的多样性和复杂性；多数的嵌合RNA的自由能低于两亲本基因RNA的自由能。嵌合蛋白结构域的组成模式和特点、嵌合蛋白的功能，以及其在细胞分子网络中的作用，对于防治因嵌合基因所致的疾病，具有重要意义。通过分析，发现利用基因嵌合的规律，依据已知的蛋白功能机理和结构特性，进行全新的基因设计与合成，可进一步开发新基因设计的潜力，创作出丰富的基因资源。最终，在基因网络水平上，本研究建立了一种新的网络分析方法，并解析了嵌合基因结构和功能特性，为反式剪接和嵌合RNA的相关研究及应用，提供了新思路和新靶点。本项目资助发表SCI论文6篇。培养博士生2名、硕士生6名和本科生5名。