基于组学数据的可变剪接调控机制研究

Alternative splicing is an important biological process of gene expression. Illuminating mechanisms of alternative splicing regulation will facilitate the understanding of gene functions and its relationships to human diseases. It has been demonstrated that alternative splicing is regulated not only by trans-acting factors that can interact with cis-acting elements, but also by epigenetic factors. However, the detailed mechanisms remain unclear. In the present research, we will systematically analyze the distribution of histone methylation and acetylation modifications in introns/exons of multiple human cell lines including CD4+ T, H1, H9 and IMR90 cells, and explore the cell-type specificity of histone methylation and acetylation modifications around splice sites. Based on this result, histone methylation and acetylation modification interaction networks associated with cell-type specific alternative splicing events will be constructed. By analyzing the casual relationships of histone methylation and acetylation modifications, we will further analyze the cooperative interactions of histone methylation and acetylation modifications and explore their regulatory mechanisms for cell-type specific alternative splicings. This research will not only contribute to illuminating the roles of epigenetic factors in cell-type specific alternative splicing, but also providing novel insights into the researches on the regulatory mechanisms for alternative splicing.

可变剪接是基因表达过程中的重要环节，阐明可变剪接的调控机制是认识基因功能及其与疾病关系的有效途径。可变剪接不仅受顺式作用元件和反式作用因子的调节，组蛋白修饰等表观遗传因素也与可变剪接过程密切相关，但具体机制尚不明确。本项目将以人类CD4+ T，H1，H9，IMR90 等多个细胞系为研究对象，通过分析组蛋白甲基化和乙酰化修饰在各细胞系内含子/外显子中的分布规律，阐明可变剪接事件中组蛋白甲基化和乙酰化修饰的细胞系特异性；在此基础上，构建与细胞系特异性可变剪接相关的组蛋白甲基化和乙酰化修饰相互作用网络，明确组蛋白甲基化和乙酰化修饰之间的因果关系，分析组蛋白甲基化和组蛋白乙酰化修饰在细胞系特异性可变剪接过程中的协同作用，探究组蛋白甲基化和组蛋白乙酰化修饰对可变剪接的调控机制。本项目的实施对深入了解表观遗传因素在可变剪接过程中的作用具有重要意义，同时也将为可变剪接调控机制的研究提供新思路。

可变剪接是基因表达过程中的重要环节，阐明可变剪接的调控机制是认识基因功能及其与疾病关系的有效途径。组蛋白修饰和RNA修饰等表观遗传因素与可变剪接的过程密切相关，但其调控可变剪接的机制尚不明确。本项目通过分析RNA-seq和ChIP-seq数据，(1)发现了38种组蛋白甲基化和乙酰化修饰在内含子和外显子区域分布规律的异同。在此基础上，提出了基于组蛋白修饰信息结合特征筛选方法识别盒式外显子可变剪接方式中可变外显子的生物信息学方法，该方法对盒式外显子中可变外显子的识别准确率为79.65%，优于现有QD模型的识别准确率；(2)利用z-test对96个特征在包含和排除外显子中的分布频率进行了比较，发现有29个特征偏好于出现在包含外显子及其侧翼的内含子序列，有52个特征偏好于出现在排除外显子及其侧翼的内含子序列中。在81个具有显著分布偏好性的特征中，有61个特征分布在内含子区域，说明调控盒式可变剪接的组蛋白修饰信息更倾向存在于内含子中；(3)基于组蛋白甲基化和组蛋白乙酰化修饰间的联合条件概率，构建了与可变剪接相关的组蛋白修饰相互作用网络，发现包含和排除外显子区及其上下游内含子区所对应的组蛋白修饰网络存在明显差异；这些修饰通过与剪接因子相互作用，直接或间接地参与了盒式外显子这种可变剪接的调控；(4) 确定RNA修饰在RNA中的位置并分析其与RNA剪接的关系，也将是揭示RNA可变剪接调控机制的途径之一。通过分析RNA修饰的高通量实验数据，针对不同类型RNA修饰的特点，率先开发出了一系列可用RNA修饰位点识别的生物信息学方法；提出了可同时识别m1A、m6A、m5C、Ψ和 A-to-I 编辑等多种RNA修饰位点的生物信息学方法并构建了在线预测平台iMRM。上述结果不仅为表观遗传因素在可变剪接过程中调控机制的研究提供新思路，也为RNA修饰的研究提供了新方法。