动植物基因组可变剪接调控机制差异的多维度剖析

In multicellular eukaryotes, alternative pre-mRNA splicing is a major contributor to the expansion of the transcriptome and proteome diversity and is crucial for cell proliferation, differentiation, apoptosis, development, etc. The exact recognition of splice site is mainly determined by cis-acting RNA element, RNA structure, trans-acting protein, epigenetic information. In this project, the regulatory mechanism of exon skipping and intron retention in the human and A. thaliana genome is analyzed in terms of primary RNA sequence, secondary stucture and epigenetic information by using bioinformatics method. The information of primary RNA sequence is composed of sequence composition, intron length, sequence motif, and sequence information content. The information of secondary stucture is composed of palindrome structure and local folded structure. The epigenetic information is composed of nucleosome positioning, histone modification and DNA methylation. Furthermore, the regulatory differences of alternative splicing between aniamal and plant are elucidated. In addition, the theoretical algorithms are developed to classify the same type of alternative splicing events between aniamal and plant genome. This study will contribute to the understanding of regulatory mechanism of alternative splicing and provides some evidences for constructing alternative splicing regulatory network combining RNA sequence, epigenetic information, protein-protein interaction. In a word, the performing of this project plan will be helpful for deciphering the splicing code.

Pre-mRNA可变剪接是产生多细胞真核生物转录组和蛋白质组多样性的主要原因，也是细胞增殖、分化、凋亡以及个体发育等过程的重要调控方式。剪接位点的精确识别依赖于顺式序列元件、反式蛋白因子、表观遗传修饰等因素的协同作用。本项目以人类和拟南芥作为动植物基因组的模式生物，以外显子跳跃和内含子保留两类可变剪接事件为研究对象，利用生物信息学方法从RNA序列组分、内含子长度、序列模体、序列信息含量等一级序列信息，RNA回文结构、局部折叠等二级结构信息，核小体定位、组蛋白修饰、DNA甲基化等表观遗传信息三个维度系统地剖析动植物基因组间可变剪接调控机制的差异；发展区分动植物间同一类可变剪接事件的理论预测算法。该研究的顺利开展有助于真核基因组pre-mRNA可变剪接调控机制的解析，并为结合RNA序列、表观修饰信息、蛋白质相互作用等信息构建可变剪接调控网络提供依据，促进“剪接密码”的破译。

可变剪接是高等真核生物转录组和蛋白质组多样性的主要原因，也是细胞增殖、分化和凋亡、家系决定、胚胎发育、组织特异性决定、癌症发生等生物学过程的重要调控因子。. 本项目主要完成了以下几方面的工作：(1) 建立了小鼠着床前胚胎发育过程中的差异表达基因可变剪接、差异可变剪接动态图谱。发现了着床前胚胎发育过程中剪接因子通过“自差异表达”和“自剪接”的方式参与剪接的调控。识别了剪接开关事件在着床前胚胎发育过程中的精细调控作用。证实了早期胚胎发育过程中可变剪接与基因表达同步激活的生物学现象。(2)完成了二氧化硅胁迫的大鼠动物模型的肺组织转录组测序数据的可变剪接相关的生物信息学工作。(3) 完成了低氧胁迫的小鼠海马组织样本转录组测序数据的可变剪接相关的生物信息学工作。(4) 识别了拟南芥的种子、根、叶、花、花梗、节间、长角果共七种组织的表达基因和可变剪接事件，进而鉴定了不同组织之间的差异表达基因和差异可变剪接事件，并进行了相应的生物学功能分析。(5)计算了种子萌发前后多个生长发育阶段的基因表达水平，系统的识别了各阶段间的差异表达基因，并分析了其在种子萌发过程中的生物学功能。进一步，构建种子萌发前后各个生长发育阶段的pre-mRNA可变剪接图谱、识别各阶段间的差异可变剪接事件，并分析种子萌发过程中的可变剪接特征及差异可变剪接事件的生物学功能。. 项目开展的科学意义：(1)为从可变剪接层面解码早期胚胎发育机制提供了一定见解，为相关实验工作的开展提供了有价值的指导信息。(2)从可变剪接层面探索了尘肺病的发病机制和低氧胁迫小鼠海马组织的响应机制。(3)剖析了拟南芥组织分化和种子萌发过程中的可变剪接调控机制，有助于阐明组织分化和种子萌发过程中的基因表达调控机制，并为相关实验工作的开展提供一定的帮助。