生物胁迫下拟南芥环形RNA的生物信息学分析和功能研究

RNA is the key component of the central dogma. It has been assumed to be functional as a linear representation for a few decades until researchers found that the circular RNA is another dominant form existing in the eukaryotes. Many recent studies reported that the circular RNA is a new type of non-coding RNA, either competing with mRNA for microRNA resources or regulating the expression of its parental gene, and then affecting the mRNA expression. However, the biological functions of the circular RNA remain unclear. In this study, we take Arabidopsis infected by Pst DC3000 as a model system to investigate the circular RNA in response to biotic stress by high-throughput sequencing. By integrating the bioinformatics approach with molecular biology techniques, we develop a novel pipeline to screen, identify, quantify and validate the circular RNA, detect the differentially expressed circular RNA, and study the related biological functions. In addition, based on the total RNA-Seq data sets from NCBI SRA, we aim to build a comprehensive data platform for Arabidopsis to store and study circular RNA. Together, our results will provide unprecedented insight into existence and biological function of these unusual molecules.

RNA是中心法则的关键组成部分。科学界一直认为功能性RNA是线形的，直到有些研究者报道环形RNA是真核生物中另外一种重要的功能结构。最近研究证实环形RNA是一种新型的非编码RNA,能够通过竞争性与mRNA争夺microRNA的资源或调控其来源基因的转录，从而影响mRNA的表达，但其具体功能仍然不清楚。本课题拟用假单孢杆菌侵染拟南芥，借助高通量测序，通过整合生物信息学技术和分子生物学技术，筛选、发现、定量、鉴定环形RNA，研究环形RNA特异性表达，实时分析假单孢杆菌侵染过程中不同时间点环形RNA的动态表达，探讨环形RNA的生物学功能。同时，整合已公开的拟南芥高通量全转录组数据(NCBI SRA)，构建拟南芥环形RNA数据平台。研究结果对了解生物胁迫下环形RNA的存在和生物学功能具有重要价值。

项目执行期间进行了下面几方面的研究，包括：拟南芥环形RNA的发现及鉴定；拟南芥环形RNA在生物胁迫下表达动态变化及功能研究；拟南芥环形RNA的数据平台构建。在此基础上，进一步研究了拟南芥中甲基化对环形RNA形成的影响；拟南芥中染色体外环形DNA与环形RNA相关关系。. 研究发现拟南芥剪接位点存在互补序列。37％的环形RNA剪接位点附近具有互补序列，大小从4到11个核苷酸不等。有趣的是，我们还观察到超过33％互补的环形结构序列在上游和下游序列之间至少有两个不同的组合。这种互补的多重组合序列可以弥补互补序列较短的问题，保证环形结构的形成。另外叶绿体中含有大量环形RNA，包括48个circRNA（占所有环状RNA的6％），其中正链25个，负链23个。经典剪接信号和非经典剪接信号共存。虽然大多数已鉴定的环状RNA确实显示出经典的剪接信号GT/AG，仍然有一小部分环状RNA产生于非经典的剪接信号。观察到的非经典的剪接信号百分比为1％，与非经典的线型剪接信号百分比相似。生物信息学分析外显子环状RNA与Gene Ontology分析揭示的植物对刺激的反应密切相关。实验验证了这种针对非生物和生物刺激的典型响应，并发现同一基因的线性和环状RNA都有特异性表达。利用本课题完成的高通量测序数据，结合已公开的拟南芥高通量全转录组大数据(NCBI SRA)，构建完成拟南芥、水稻、玉米数据平台，存储、分析、挖掘、展示环形RNA。在此基础上，进一步分析染色体外环形DNA。实验验证，有些eccDNA与环形RNA来自于同一基因组区域，很可能有功能上的相关性。以上结果解释了环形RNA的结构和功能，初步阐明了植物环形RNA在不同组织中的特异性，明确了生物胁迫下环形RNA的特异性表达，揭示了eccDNA与环形RNA的关系。