植物环状RNA可变剪切的鉴定、形成机制及其在生长发育过程中的作用研究

Alternative splicing is one of important mechanisms for functional diversity of genes. As well as that in linear protein coding genes, alternative splicing (including alternative backsplicing) was also observed in non-coding circular RNAs (circRNAs) resulting in a large number of circRNA isoforms. However, it is still limited for the researches on identification, biogenesis mechanisms and functions of alternative splicing in circRNAs. This project is going to develop the algorithm of circRNA full-length sequence assembly and to obtain full-length circRNAs and their isoforms in diverse model species. We are further going to develop the software to predict biogenesis mechanisms of circRNAs aiming to partly reveal the biogenesis mechanisms of circRNA alternative splicing. The differences of biogenesis mechanisms between animal and plant circRNAs will be compared. Additionally, we are going to obtain circRNA isoforms in rice and reveal their functions in the growth and development through overexpression or knockdown of circRNA isoforms. Our results will provide softwares for identification and biogenesis mechanism prediction of circRNA isoforms, and first reveal functions of circRNA alternative splicing.

可变剪切是导致基因功能多样化的重要机制。非编码环状RNA（circular RNA; circRNA）与线性基因一样也具有大量可变剪切（包括可变环化）现象，然而目前对circRNA可变剪切的鉴定、形成机制及功能研究仍然有限。本项目拟通过研发circRNA全长序列拼接算法，获得重要模式生物中circRNA全长序列及可变剪切事件；拟研发circRNA形成机制预测软件，旨在一定程度揭示circRNA可变剪切形成机制，并比较动植物circRNA及其可变剪切形成机制差异；以模式植物水稻为研究对象，全面获得水稻不同生长发育时期circRNA可变剪切异构体，并挑选候选circRNA，通过circRNA不同异构体的过表达或敲除实验，揭示circRNA可变剪切在水稻生长发育过程中的重要作用。预期结果将获得circRNA可变剪切鉴定及形成机制预测的算法和软件，将首次揭示circRNA可变剪切的功能作用机制。

环状RNA是一类共价键闭合的单链环状RNA分子，研究表明部分环状RNA具有生物学功能，然而目前对于植物环状RNA的研究尚处于起步阶段。植物环状RNA的特点、保守性、可变剪切机制及功能研究仍然十分有限。.本项目拟通过研发环状RNA全长序列拼接算法，获得植物中环状RNA全长序列及可变剪切事件；开发环状RNA保守性鉴定流程，全面鉴定植物中保守的环状RNA，并且从进化角度解释植物环状RNA可能的起源机制；功能探索方面，具体以模式植物水稻为研究对象挑选候选环状RNA，通过基因编辑敲除实验，揭示环状RNA在水稻生长发育过程中的可能的重要生物学作用。本项目研究通过收集公开发表的所有植物的文献，整合信息并且添加到植物环状RNA数据库PlantcircBase，发现植物环状RNA具有明显的特征：表达具有组织特异性；大部分来源于蛋白编码基因；存在大量可变剪接现象和非典型性剪接信号；不同生物学重复之间环状RNA的鉴定重复性很差等。通过本项目研发的植物环状RNA全长序列鉴定软件，首次在植物上大规模获得环状RNA的全长转录信息，其中水稻中环状RNA的数量远大于目前其他鉴定软件得到的候选环状RNA数量（3-5倍）。本项目研究结果发现水稻中存在大量反向剪接位点的可变剪接现象；但是环状RNA的全长序列长度集中在100bp左右，环状RNA内部几乎不发生可变剪接，大部分（90%）环状RNA的序列与其参考基因组DNA序列一致。通过对137个已实验验证的水稻环状RNA（90个基因组位点）序列在23个物种中进行比较基因组学分析，发现大多数环位点（85个）在稻属以外物种中存在，只有5个位点仅在稻属内部存在。通过环状RNA突变体的构建，发现该位点的环状RNA可能与水稻根系发育相关，具体的功能机制还在研究探索中。.本项目对于植物环状RNA的研究有助于拓宽研究人员对植物环状RNA领域的认知、加深对环状RNA的潜在调控作用的理解，此外还能为作物（如水稻）的优质育种提供新思路和理论基础。.