人类基因组Z-DNA形成序列识别

Z-DNA conformation was reported to play important roles in DNA tricrption, chromation remodeling and DNA recombination. However, it is very difficult to experimentally identify Z-DNA segments in the human genome, and to date it is lack of reliable bioinformatic tools to conduct whole genome wide Z-DNA scanning. Therefore, there is no systematic study on the distribution of Z-DNA over different fuctional regions in the genome. We propose here to develop a novel bioinformatics approach to identifying Z-DNA forming sequences at whole genome level by combining the information of DNA base compostion and the energy requirment of a DNA sequence to undergo a B-Z transition, and the energy requiement will be calculated in terms of negative supercoiling density. We will use the current available data of chromatin affinity precipitation (CHAP) experiments of the Z-DNA binding domain Zalpha-ADAR1 and the Z-DNA conformation to evaluate our Z-DNA scanning method and to optimize the key parameters. The developed Z-DNA scanning tool will be finally used to analyze the Z-DNA distribution over various functional regions in the human genome.

Z-DNA 构型在DNA 转录，染色质重塑和DNA 重组等过程中都扮演着重要角色。但实验识别Z-DNA构型十分困难，而目前又缺乏全基因组范围内识别Z-DNA 形成序列的可靠生物信息学工具。也缺乏对基因组各功能区Z-DNA 形成序列分布的系统分析。我们将结合DNA 序列片段碱基构成和B-Z 构型转化所需能量，以DNA 负超螺旋密度为标准，开发全基因组范围识别Z-DNA 形成序列的新方法，并通过Z-DNA 结合蛋白域Zalpha-ADAR1 与Z-DNA构型的染色质亲和沉淀实验（Chromatin Affinity Precipitation）的现有实验数据评估我们的Z-DNA 识别方法，优化关键参数， 编制相应的计算机程序，预测并分析基因组各功能区域Z-DNA 形成序列的分布。

Z-DNA 构型在DNA 转录，染色质重塑和DNA 重组等过程中都扮演着重要角色。但实验识别Z-DNA构型十分困难，而目前又缺乏全基因组范围内识别Z-DNA 形成区域（ZDR）的可靠生物信息学工具，也缺乏对基因组各功能区域中ZDR分布的系统分析。在本项目研究中我们结合DNA 序列片段碱基构成和B-Z 构型转化所需能量，以DNA 负超螺旋密度为标准，开发了全基因组范围识别Z-DNA 形成序列的方法，并编制了相应的计算机程序Z-Catcher2。利用Z-Catcher2我们系统分析了人类基因组各功能区域中的ZDR分布， 并且分别比较了转录起始位点附近与染色体上随机位点附近、蛋白编码基因的转录起始位点附近与非蛋白编码基因的转录起始位点、以及外显子与内含子中的ZDR分布情况。结果表明： 1. 尽管ZDR在人类基因组中普遍存在，但却不是随机或均匀分布的；2. ZDR在转录起始位点附近显著富集；3.外显子中的ZDR密度明显高于内含子中或染色体上的ZDR密度；4.在人类染色体上存在大量的长ZDR（大于80碱基），而在随机生成的序列中却没有发现大于60碱基的ZDR.这些结果表明基因组中存在某种形成Z-DNA的机制。