新方法，開發(fā)鑒定同源長非編碼RNA的新方法

  長非編碼RNA（lncRNA）的發(fā)現(xiàn)和表征是過去幾十年分子生物學(xué)領(lǐng)域的重大進(jìn)展。已有研究成果表明，lncRNA在發(fā)育、腫瘤等多種生理和疾病過程中發(fā)揮調(diào)控作用1-3，但目前絕大多數(shù)lncRNA 的功能仍然未知。通過鑒定不同物種間同源的lncRNA，可以篩選出在進(jìn)化過程中保守的lncRNA，這些lncRNA也更可能具備重要的功能。但是，由于lncRNA的序列保守性較低4,5，傳統(tǒng)的序列比對方式只能鑒定出極少的不同物種間同源的lncRNA。例如，在斑馬魚和人類上萬的lncRNA基因中，通過序列比對只能找到幾十個序列保守的同源lncRNA。因此，不管是從lncRNA的理論還是技術(shù)方面考慮，目前都亟需一種新的方法來鑒定不同物種之間的同源lncRNA。

  2024年1月9日，生命中心張強(qiáng)鋒、北京大學(xué)汪陽明、席建忠研究團(tuán)隊(duì)合作在Nature genetics上發(fā)表題為Computational prediction and experimental validation identify functionally conserved lncRNAs from zebrafish to human（計(jì)算預(yù)測和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證鑒定人類和斑馬魚之間功能保守的長非編碼RNA）的研究論文。該工作開發(fā)了一套新的計(jì)算流程，在包括人類、小鼠、斑馬魚在內(nèi)的8種脊椎動物中，鑒定保守的同源lncRNA，工作同時開發(fā)了基于CRISPR的基因敲除和回補(bǔ)篩選系統(tǒng)，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所鑒定的同源lncRNA在不同物種中的保守功能，為該領(lǐng)域的研究提供了新的思路。

  該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一套鑒定不同物種之間同源lncRNA的計(jì)算方法（lncHOME）。lncHOME計(jì)算方法通過比較基因組和機(jī)器學(xué)習(xí)的人工智能方法，在8種脊椎動物中鑒定出了一類在不同物種中具有保守基因組位置及保守RNA結(jié)合蛋白（RBP）結(jié)合位點(diǎn)模式的lncRNA（圖1）。這些不同物種中潛在同源的lncRNA被命名為coPARSE-lncRNA （lncRNA with conserved genomic locations and patterns of RNA binding protein (RBP) binding sites）。

  lncHOME計(jì)算方法鑒定了570個在斑馬魚中具有同源基因的人類coPARSE-lncRNA，其中通過序列比對的方式僅僅只能鑒定出17個序列保守的同源lncRNA。相比于非同源的lncRNA，這些coPARSE-lncRNA基因富集了更多疾病相關(guān)突變，并且更傾向于在癌癥組織中異常表達(dá)。這些發(fā)現(xiàn)說明coPARSE-lncRNA可能具有重要的生理功能。

  接下來，該團(tuán)隊(duì)深入探究了所鑒定的同源lncRNA的功能保守性。首先，通過建立CRISPR-Cas12a介導(dǎo)的大片段基因敲除篩選系統(tǒng)，該團(tuán)隊(duì)鑒定出了75個能促進(jìn)癌癥細(xì)胞增殖的coPARSE-lncRNA，其中37個在HeLa細(xì)胞中起重要作用。著該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步開發(fā)了一個基于CRISPR-Cas12a的敲除和回補(bǔ)單步系統(tǒng)，應(yīng)用該系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，通過回補(bǔ)預(yù)測的斑馬魚同源lncRNA片段，可以挽救其中4個人類coPARSE-lncRNA的敲除所導(dǎo)致的HeLa細(xì)胞增殖的缺陷。更有意思的是，在斑馬魚胚胎中敲低這四個斑馬魚的coPARSE-lncRNA會導(dǎo)致嚴(yán)重的胚胎發(fā)育延遲，而這些表型可以通過回補(bǔ)人類的同源lncRNA進(jìn)行挽救。以上結(jié)果說明這些同源lncRNA具有很強(qiáng)的功能保守性。

  lncHOME算法得到的同源lncRNA具有保守的RBP結(jié)合位點(diǎn)模式。根據(jù)這一條件推測，coPARSE-lncRNA具有相似的RBP結(jié)合圖譜。針對其中兩條coPARSE-lncRNA，該團(tuán)隊(duì)通過RNA沉降結(jié)合質(zhì)譜實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這一假設(shè)。更重要的是，對于上面所描述的可以挽救細(xì)胞增殖或胚胎發(fā)育缺陷的同源lncRNA片段，如果突變其中某些RBP（例如NONO和IGF2BP2）的結(jié)合位點(diǎn)，所得到的新的片段無法起到挽救效果。這些突變實(shí)驗(yàn)證明了RBP結(jié)合位點(diǎn)對coPARSE-lncRNA的功能的重要性。

  總而言之，該團(tuán)隊(duì)的研究提供了一個基于機(jī)器學(xué)習(xí)的計(jì)算分析方法，鑒定得到了一系列在脊椎動物中潛在同源的lncRNA，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了同源lncRNA的功能保守性。這些lncRNA在進(jìn)化過程中序列保守性逐漸消失，但是卻保留著保守的RBP結(jié)合模式（圖2）。該工作極大地?cái)U(kuò)展了當(dāng)前脊椎動物中保守的lncRNA庫，為研究lncRNA的進(jìn)化、功能及作用機(jī)制提供了新視角和新資源。

  清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院黃文澤博士、熊團(tuán)林博士及北京大學(xué)未來技術(shù)學(xué)院趙雨亭博士為論文的共同**作者。生命中心PI張強(qiáng)鋒、北京大學(xué)未來技術(shù)學(xué)院的汪陽明教授和席建忠教授為論文的共同通訊作者。中國科學(xué)院動物研究所劉峰研究員、衡鑒博士、清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院韓鴿博士、王鵬飛博士生、北京大學(xué)趙志華博士、李娟博士、石銘和汪家震博士生、吳怡霞為論文工作做出了重要貢獻(xiàn)。

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