基于转录组水平的microRNA对外界环境扰动拮抗效应研究

microRNAs (miRNAs) are a class of endogenously expressed small noncoding RNAs of 22 nt in length, they can regulate the target gene expression at the post-transcriptional level by interfering the translational process of mRNAs. For systematically analyze antagonistic effect of miRNAs on the external environmental stimulus by regulate the fluctuation of their targets, this study plans to screen multiple gene expression datasets and comprehensively explore the genes that have different degrees of fluctuation by an improved meta-analysis method, then to compare the degree of expression fluctuation between miRNA targets and non-targets to make sure the expression buffering effect of miRNAs. In addition, we will also compare the number of regulatory miRNAs, number of single nucleotide polymorphism at the target sites, length of 3'-untranslated regions of the genes that have different degrees of fluctuation, and perform the correlation analysis between miRNA expression level and the target expression fluctuation in order to clarify the main factors for miRNA regulation of target expression fluctuation. This research will investigte the regulatory effect of miRNAs on the whole, and will have great significance for understanding the molecular mechanism of miRNAs that confront with the environmental stimulation by regulate the gene expression fluctuation.

microRNA（miRNA）是一类长度约为22个核苷酸的内源性非编码RNA分子，可通过干扰mRNA指导蛋白合成过程，在转录后水平上发挥基因表达调控作用。为深入了解miRNA通过调节其靶基因表达波动，从而拮抗外界环境因素刺激中的作用，本研究拟筛选多套不同环境因素影响下的全基因组表达谱数据，通过一种改进后的meta-分析方法对具有不同表达波动程度的基因进行深入挖掘，用以比较miRNA靶基因与非靶基因之间的表达波动程度差异，从而明确miRNA对靶基因表达波动的调节作用。随后对具有不同波动程度基因的miRNA调控数量、单核苷酸多态位点数量，以及3’-非翻译区长度进行比较，对miRNA与靶基因表达波动进行关联分析，明确miRNA对其靶基因表达波动性起关键调节作用的因素。本研究从整体上分析miRNA对其靶基因表达波动的作用规律，对深入了解miRNA在拮抗环境扰动背后的内在机制将具有重要意义。

microRNA (miRNA) 对于靶基因的调控模式是当前生物信息学领域的一个研究热点。研究表明，miRNA对于靶基因可能存在两种不同的调控模式，即调节基因表达水平或调节基因表达波动水平。对于miRNA在基因表达水平调控中的作用机制已有较多了解，然而对其在基因表达波动过程进行调节，从而对抗外界环境因素扰动中所起的作用仍所知甚少。我们从人类全基因组表达数据出发，首先从Gene Expression Omnibus数据库中大批量筛选基于HGU133 plus2.0芯片平台的蛋白编码基因表达谱，从而进一步选取多套在不同环境因素影响下的表达谱数据，通过一种Meta-分析方法筛选出数百个稳定表达基因及波动表达基因，用以比较miRNA靶基因与非靶基因之间的表达波动水平差异，并进一步分析了miRNA对两组基因的调控偏好。随后对具有不同表达波动程度基因的miRNA调控数量、miRNA靶位点的单核苷酸多态位点数量以及基因3’-非翻译区长度进行统计比较，并在全基因组范围内对miRNA表达水平与其靶基因的波动程度进行关联分析，从而明确miRNA对其靶基因表达波动水平调节起关键作用的因素。分析结果表明：miRNA更倾向于调控稳定表达基因，即miRNA可使靶基因表达稳定性增强。进一步研究表明，蛋白编码基因3’-非翻译区长度在miRNA对其表达波动水平调控起到关键作用。此外，结合转录因子对miRNA靶基因的调节作用分析表明，转录因子和miRNA对于基因表达稳定性具有相反的效应，两者的协同作用共同起到精确调节蛋白编码基因表达水平的作用。本研究表明miRNA对于生物体对抗外界环境因素扰动从而稳定基因表达调控中起到关键作用，从而为从整体上分析miRNA对其靶基因表达波动的作用规律，深入解造成全基因组表达波动背后的内在分子机制具有重要意义。