MicroRNAs研究进展(mRNA及其靶标的生物信息学鉴定)_图文

1、 万方数据:18丝:现岱生物医堂进展她丛垒堕曼壅!塾壁!堡壁鱼婪蛰堡鲤鱼鲢鲤量婴翻垒巫量煎堕塑垒鱼鱼Z盟!垒b!窒准,反复检测和改进这套运算法则,可以得到这部分microRNAs的准确的分数,再将另一批已知的lnicroI喇As作为未知序列,输人计算机为其打分,这两批已知的InicroIAs的分数可用来评估这套运算法则的敏感性和特异性。大多数预测程序的依据是不同物种间IIlicro鼢蛆s的高度保守性,计算机检测到的lnicroRNAs具有同源性。这种方法可以滤除假阳性的序列,但在检测保守的microIAs时有其局限性。MicroI州As的计算机鉴定对研究人员来说是一个巨大的挑战。Micro砌q

2、As并没有足够的特征可以进行精确的鉴定,多数情况下严格的检测标准设置会降低方法的敏感性。要得到更令人满意的准确度,适宜的方法是将nlicmI冰As多个特征结合起来,并给予每个特征不同的权重。这需要反复的精细的调节,通过反复测定方法的精确度,将不同特征的权重调整到合适的大小。通过运算获得高分的序列需要验证其在不同组织和细胞中的表达。预测的microRNAs如果用生化方法检测不到,并不代表生物信息学的预测方法是错误的。导致这种结果的原因可能是microI斟As在被检测的组织中不表达,或仅在细胞周期的某个阶段表达,或者micmRNAs的表达量很低。后者很难解决,因为低丰度tIlicroRNA通常与另

3、一个高表达的rnicroRNA很相似。高丰度IIlicro鼢她的表达会掩盖相似的低丰度micro心忱的表达,特别是用PcR进行扩增时。1.2MicmRNA预测的运算程序几种优秀的计算机化micfoRNA预测方法已被建立和应用“。研究人员使用mi黜eeker(计算机化的micmRNA预测程序辨认48个果蝇序列,确认24个序列为microRNA。“Mold”是在两种果蝇中发现的高度保守的一种发夹结构,111i黜eeker 利用“Mfold”评估与已知的IIlicroRNAs的核苷酸序列有差别的RNA折叠片段是否为micmRNA【”】。另一种程序Mirscan鉴定出30个线虫microRNAs,38

4、个Berezikov et a1.发现micro鼢慵发夹环茎部的核苷酸序列具有更高的保守性。利用这个特征与IIlicroRNA其它已知的特征相结合,Berezikov et a1.确认了16个新的人类micmIAs。最近,一种新的lIlicroI斟A检测技术被建立。研究人员利用该技术确认了89个人类microRNA,其中54个为灵长类特有的商croRNA。新发现的lllicroRNAs是属于灵长类特有的两个大基因簇,不同于此前已知的其他人类rnjcroRNA基因簇那些簇在所有哺乳动物都有。两大基因簇的其中一个簇定位在19号染色体上,并且只在胎盘中表达。它是目前为止报道过的最大的nlicroRN

5、A簇,包括54个新的micmRNA。第二个基因簇定位在x染色体,包括10个rnicmRNA,它们只在睾丸中表达。这种技术与上述的方法并不相同,它不依赖于mi. croRNA的序列保守性,因此可以发现灵长类特有的商croR-NA。其原理是先采用“RNAFold扫描整个基因组非编码区,筛选出的发夹结构通过微阵列技术和测序技术进行鉴定。它可以发现基因组中大量的成簇存在的rnicroRNAs旧。1.3Micr0RNA的鉴定技术由于micmRNAs一类很小的分子,表达量也很低,多数情况下与其它的IIlicroRNAs序列高度相似,检测它的表达非常困难。传统的基因表达技术的敏感性和特异性都达不到检测mic

6、roRNA的水平。过去的几年里,几种鉴定方法取得了重大的进展,已经能够解决这个问题。克隆和测序对预测的micmRNA是一种最有效的鉴定方法。下面是所使用的几种克隆方法的简要描述。随机克隆和测序在最初是主要的检测方法,现在作为间接的方法和microR-NA的生物信息学预测相结合以鉴定microRNA。预测的micfoRNA平行的随机克隆和测序,再将结果加以比较。这种方法不能鉴定出低表达量的IIlicmRNA【10】。部分扩增测序是一种PcR扩增技术。它使用一条部分覆盖lllicroRNA序列的引物,另一条引物为cDNA克隆的适配体,现已成为预测的microRNA主要的测序方法。随机克隆和测序无法

7、鉴定的microRNA 也能被其检测。但该方法有一缺点,它与预测的111icroI斟A配对的引物有几个核苷酸是游离的,这可能无法区分序列高度相似的111icmRNA【Iq。序列特异性克隆和测序是新被建立的方法,克服了上述的缺点。它首先根据预测的microRNA设计一段生物素标记的寡聚核苷酸,再用这段核苷酸去捕获cDNA文库(来源于小鼢叮A中同源的micmRNA,用被捕获的cDNA进行扩增和测序”。不同的杂交实验可间接的鉴定预测的micmRNA。Nonllem bl吣被视为鉴定预测的IIlicmRNA的金标准,然而Nonhem blots已被证明在鉴定少见的IIlicroRNA时并不总是有效阍。

8、几种依赖于杂交技术的高通量的鉴定方法正被应用。这些方法包括:膜阵列,这种方法利用放射性标记的探针检测互补的micmRNA,是一种廉价、有效的方法,但对大量的检测并不合适;微阵列,是一种敏感和特异的方法,可以高通量的检测microRNA,多种micro心队可被同时鉴定。2Micro鼢认靶标的预测和鉴定2.1Micro对妊靶标的预测与新的删A的频频发现相比,miRNA的功能研究相对缓慢。到目前为止,在发现的1300多个miRNA中,确定功能的miRNA仅有十个。导致lIliRNA功能研究进展缓慢的非常重要的原因是mjRNA的作用靶标难以确定。早期觚cr0RNA靶标的识别主要通过筛查micmRNA的

9、互补序列。这种方法更有利于植物lIlicr0RNA靶标的识别,因为植物microRNA与其靶标的互补性比动物micmRNA的互补性高。当前,通过实验方法确定IIliRNA的作用靶标非常耗时,尚无高通量的靶标鉴定方法,因此,通过理论方法预测miRNA的作用靶标成为当前识别miI矾A作用靶标的较为理想的途径。MicroRNA靶标的计算机预测比micmRNA的预测更困难。首先,缺乏足够的已知111icroRNA靶标作标准,其次,mi-croRNA靶标的鉴定更复杂,没有高通量的鉴定方法,实际上仅有一小部分预测的lllicr0鼢峨靶标被鉴定【21】。常用的的预测程序有Targetscan aIld Ta

10、玛etscaIls,m派anda,DIANA-microT,RN舳,b耐,Pic.I打等等。虽然现有的几种预测程序在技术细节上有所不同,但它们都建立在相同的原理上,即micr0RNA与靶标的结合机制。这种机制包括: MicroRNA靶标的5末端6.8个保守核苷酸,下游的保守万方数据巫丛生物医堂进屋里圈旦!坠i鱼坐壁照:坠曼!壁塾里!鳃艘璺璺鱼§鱼亟壁婴壁i鲤皇蚴皇星QQZ!盟Q:!星:18竺§:腺苷酸19】。研究几种已知的IIlicroRNAs的单核苷酸突变与其靶标的结合模式,研究人员发现micmIA 5末端68个核苷酸是microRNA与靶标结合的关键,对microRNA

11、抑制其靶标的表达是必需的。MicmI斟A靶标的5末端不完全与IIlicroRNA 配对,计算机分析指出通常与之相连的下游核苷酸为腺苷酸口嘲。代偿性的3末端。3末端作为5末端不完全配对的代偿。现已发现两种类型的microRNA结合位点:5优势位点,IIli.croRNA通过该位点与靶标的5末端配对,需要或不需要3端的结合;3代偿位点,需要3端的结合以支持5端不完全的配对嗍。多个结合位点及其上下游序列。核苷酸突变研究揭示多个micmRNA与靶标的位点相结合,以协同、联合的形式发挥功能瞄】。mIA靶标的结构。最近的研究发现111】黼A靶标结合位点的二维结构是不稳定的,其相邻结构也是不稳定的,5结合位

12、点至少有3个核苷酸不参与结合。这种结构有利于micmR.NA的接近和结合阳。2.2MicmRNA靶标的鉴定目前,尚无简单、高通量的方法鉴定rIlicmRNA靶标,通过程序预测到的IIlicroRNA靶标一般用生物学和信息学方法相联合进行鉴定。常用的生物学鉴定方法包括:报告基因构建,突变研究,基因沉默技术【4】,经典的遗传学技术【2。大约30个动物microRNA靶标使用这些方法进行了鉴定。虽然生物学方法只鉴定了很小一部分的micr0RNA靶标,但证实了预测程序可有效识别microRNA靶标。3结论最近几年,microRNAs的预测获得了巨大的进展。而.cmIA的预测程序和microIA鉴定技术

13、的结合,为我们打开了通向基因调节世界的大门。敏感的生物学鉴定技术可以指导预测程序的微调,而这些技术的发展又依赖于有效的预测程序。计算机预测程序和高通量生物学鉴定技术的整和将是最有效的micmRNA探测技术。从2003年33个人类IIlicr0RNAs被发现,到最近680个microRNAs等待鉴定【18】,人们对IllicroRNA的研究不断深入,高效的microRNA预测和鉴定技术将是了解和探索micmR-NAs功能的关键。参考文献(References1JOHNSTON RJ aIld HoBEI汀O.A micmRNA commlling le削rightneumnalasmme缸y i

14、nCacnorhabditiselegansJ.NatIlre.2003,426:845849【2】LvI LP,GLASNERME,K1AS,et al,Venebrate microRNAgenes【Jt Science.2003,299:1540regul砒es insulinse-cretionJ.Nature,2004,432:2262304LEE RC,FEINBAUM RL.andAmROS V.TheC.elegans hete-mchrDnicgenelin一4encodes smallRNAs丽m aIltisense complement撕ty to lin一14J】ce

15、ll,1993,75:8438545】REINHART BtJ,sLAcK FJ,BAsSON M,eta1.The 2l-nucleotidelet7RNAregulatesdeVelopmentaltiminginCaenorhabditiselegansJ】.NatIlre,2000,403:901-9066BRENNECKE J,HIPFNER DR,sTARK A,eta1.Bantarnencodesadevelopmentally rcgulated microRNA that contmls cellprolifbration and regulatestheproapopto

16、tic genehid inDmsophila【J】.Cell,2003,l】3:25.367】(U P,VERNooY SY,GU0M,et a1.The Dros叩hila microI心渔LP,、矾sTEIN EG,eta1.An abundant class oftinyRNAs丽th pmbable regIllatory mles in Caenorhabditis eleg髓sJ】Science,2001,294:858862【9】LEE RC and AMBROS V.An extensive classof sman RNAs inCaenorhabditiselegaIls

17、J】Science,200l,294:862-86410LAGOSQI肺汀ANA M,RAIIIT R,LENDEC丑w,et a1.Identi矗cation of novelgenescoding for small exprcssedRNAsJ】.Science,2001,294:8538581l】LAGOSQI,n盯ANA M,RAl7HIIT R,YALc玳A,et a1.Idcntification oftisslJespec谲c MicroRNAs丘Dm mouseJ】cu玎.Biol,2002,12:735.739【12】LAJ EC,T伪讧ANCAK P,W几11AMs Rw

18、,et putationalidentification ofDrosophila micmIA genesJ】.GenomeBiol,2003,4:R42【13】N队THEws DH,SABINA J,ZuKER M,ct a1.Expandedsequenced印endence of themlod,IIamic parameters impmves prediction of RNA14】GR.AD Y,AACH J,HAYES GD,et a1.Computational and expe一meIltalidentification of c.elegaIls microRNAs【J】

19、MolI Cell,2003,11:1253一126315】B舢泌D 0.MicmI悄Aexpressiondetected by oli90nucleotide mi.cr0锄ys:systemes诅blishment and expression profning in humantissues叨.Genome Res.2004,14:2486249416】BEREz(oV E,GUItYEV V,VAN DE BJ,et a1.Phylogenetic shado丽ng and computationaIidentification ofhumaIl IIlicro鼢蛆genesJ】.C

20、ell,2005,120:2l一2417】SEMPERE IjP,FIujEM舢n1正S,PITHA-ROWE I,et a1.Expressionpm丘ling of mammalian micr0砌qAsuncovers asubset of bmin-expressed microRNAs谢th possible mles in m嘶ne andh岫aIlneuronaldiffhclltiationJ】Genome Biol,2004,5:R1318】BE汀WICH I.Idemification ofhlllldrcds ofconserved a11dnoncon.served19

21、】LES BP,BURGE CB and BARTEL DP.conserved seed pairing,often nall:ked byad即osiIles,砌cates thatthousands of humangenesa|.emicroI心渔targetsJ】.Cell,2005,120:1520【20GI己FTHS-JoNES S.1k microRNA regis时【J】.Nucleic Acids Res,2004.32:D109-1l l21UwIS BP,SHm,JoNEs-RHoADES Mw,et a1.Prediction ofmammalian micmRNA

22、targets【J】.Cell,2003,115:78779822】KL00STERMAN wP,w1勘呵HOLDs E,KETT矾G RF.et a1.sub.straterequircments for 1ct-7如nction in me developing zebmfish embrroJ】.Nucleic Acids R船,2004,32:6284629l23】BRENNEcKE J,STARK氏RusSELLRB,eta1.Principles of Micm砌妊target reco髓itionJ】.PLoS.Biol,2005,3:e8524】KIAK017M,NELSoN

23、PT,K01IIcANoV A,et a1.A combinedcompu诅tional experimental approach prcdicts humall micmRNAt辨gets【J.Genes Dcv.2004,18:11651178【2习DoENCH JG and SHARP PA.Specifjcityo矗nicroRNAtarget selection in仃=anslationalr印ressionJ.GenesDcv,2004,18:504-51126LEWIS BP,BURGE CB and BARTEl DP.Conseed seed pairing,often

24、naIlked by adenosiIIes,indicates tllatthousands of humangenesareMicroRNAta】苫ets【J.cell.2005,120:152027ROB烈SH,LI Y aIld PADGETTRW.Incorporating smlcture to prcdictmicroI心mtargetsJ.PNAS,2005,102:4006.4009万方数据 MicroRNAs研究进展作者:李广平, 邱长春, LI Guang-ping, QIU Chang-chun作者单位:中国医学科学院基础医学研究所分子生物学重点实验室,北京,10000

25、5刊名:现代生物医学进展英文刊名:PROGRESS IN MODERN BIOMEDICINE年,卷(期:2007,7(12引用次数:0次参考文献(27条1.JOHNSTON RJ.HOBERT O A microRNA controlling left/right neuronal asymmetry in Caenorhabditis elegans 20032.LIM LP.GLASNER ME.YEKTA S Vertebrate microRNA genes 20033.POY M.N A pancreatic islet-specific microRNA regulates in

26、sulin secretion 20044.LEE RC.FEINBAUM RL.AMBROS V The C.elegans heterochronic gene lin-4 encodes small RNAs with antisense complementarity to lin-14 19936.BRENNECKE J.HIPFNER DR.STARK A Bantam encodes a developmentally regulated microRNA that controls cell proliferation and regulates the proapoptoti

27、c gene hid in Drosophila 20037.XU P.VERNOOY SY.GUO M The Drosophila microRNA Mir-14 suppresses cell death and is required for normal fat metabolism 20038.LAU NC.LIM LP.WEINSTEIN EG An abundant class of tiny RNAs with probable regulatory roles in Caenorhabditis elegans 20019.LEE RC.AMBROS V An extens

28、ive class of small RNAs in Caenorhabditis elegans 200110.LAGOS-QUINTANA M.RAUHUT R.LENDECKEL W Identification of novel genes coding for small expressed RNAs 200111.LAGOS-QUINTANA M.RAUHUT R.YALCIN A Identification of tissue-specific MicroRNAs from mouse 200212.LAI EC.TOMANCAK P.WILLIAMS RW Computati

29、onal identification of Drosophila microRNA genes 200313.MATHEWS DH.SABINA J.ZUKER M Expanded sequence dependence of thermodynamic parameters improves prediction of RNA secondary structure 199914.GRAD Y.AACH J.HAYES GD Computational and experimental identification of C.elegans microRNAs 200315.BARAD

30、O MicroRNA expression detected by oligonucleotide microarrays:system establishment and expression profiling in human tissues 200416.BEREZIKOV E.GURYEV V.VAN DE BJ Phylogenetic shadowing and computational identification of human microRNA genes 200517.SEMPERE LF.FREEMANTLE S.PITHA-ROWE I Expression pr

31、ofiling of mammalian microRNAs uncovers a subset of brain-expressed microRNAs with possible roles in murine and human neuronal differentiation 200418.BENTWICH I Identification of hundreds of conserved and nonconserved human microRNAs 200519.LEWIS BP.BURGE CB.BARTEL DP Conserved seed pairing,often fl

32、anked by adenosines,indicates thatthousands of human genes are microRNA targets 200520.GRIFFTHS-JONES S The microRNA registry 200421.LEWIS BP.SHIH IH.JONES-RHOADES MW Prediction of mammalian microRNA targets 200322.KLOOSTERMAN WP.WIENHOLDS E.KETTING RF Substrate requirements for let-7 function in th

33、e developing zebrafish embryo 200423.BRENNECKE J.STARK A.RUSSELL RB Principles of MicroRNA-target recognition 200524.KIRIAKIDOU M.NELSON PT.KOURANOV A A combined computational experimental approach predicts human microRNA targets 200425.DOENCH JG.SHARP PA SpecificityofmicroRNAtarget selection intran

34、slational repression 200426.LEWIS BP.BURGE CB.BARTEl DP Conserved seed pairing,often flanked by adenosines,indicates that thousands of human genes are MicroRNA targets 200527.ROBINS H.LI Y.PADGETT RW Incorporating structure to predict microRNA targets 2005相似文献(10条1.学位论文屠康哺乳动物microRNA的靶基因预测新方法2008mic

35、roRNA是一类重要的非编码RNA,通过在转录后水平上抑制靶基因的mRNA翻译或降解靶基因mRNA来发挥作用。microRNA数目众多,根据miRBase数据库,到目前为止,已经发现了678个人类的microRNA基因,并且新的microRNA还在不断的发现中。microRNA的功能重要,目前认为microRNA参与很多重要的生物学过程,如转录因子调控网络,发育过程中的时序控制,神经突触形成,细胞增殖,细胞死亡,细胞分化等。microRNA是近年来分子生物学上的研究热点之一。 microRNA的功能通过作用到靶基因实现,发现microRNA的靶基因将极大地促进microRNA的功能研究。但是,

36、目前尽管发现了很多microRNA,但是寻找microRNA靶基因相对困难,虽然目前有多种计算生物学的工具用来预测哺乳动物中microRNA的靶基因,比如miRanda,TargetScan,PicTar,但得到实验验证的靶基因数目远远小于通过计算方法预测的数目,因此提高目前microRNA靶基因预测方法的预测准确性是非常重要的。 本文在现有的研究基础上,原创性的提出了3种不同类型的microRNA靶基因识别方法,它们分别是根据序列特征提高识别microRNA的靶基因方法的准确率的机器学习方法,基于MIGE数据集识别microRNA的降解靶基因以及构造microRNA的一、二级调控网络的统计模

37、型和用正向和反向工程结合的方法构建人类转录因子和microRNA调控网络的数学模型。这三类方法基于不同的原理,使用不同来源和类型的数据,分别预测出了microRNA的靶基因。实验结果说明三种预测方法都是有效可信的。2.学位论文华友佳microRNA芯片相关研究及microRNA功能预测2008microRNA(miRNA是现今生物学研究的热门方向,涉及到肿瘤、发育、免疫凋亡等多个领域。miRNA芯片是检测miRNA最重要的高通量手段,但是在标准化等过程的方法学上还存在一些问题。miRNA两种功能的机制正在初步阐明,但目前尚缺乏预测区分两者的方法。 本文基于miRNA表达的信号检测原理,构建了m

38、iRNA寡核苷酸芯片实验平台,并在建立整套实验操作流程的同时,完善了芯片杂交的若干关键实验条件,如杂交时间、杂交温度、总RNA上样量和mRNA对芯片的影响等。通过量化比较各种标准化方法,来确立最适于处理miRNA芯片的方法。利用大鼠14个正常组织的miRNA表达谱数据,进行组织分类、特异性miRNA的识别、miRNA靶基因功能通路富集、miRNA家族保守性等方面的分析。使用机器学习的方法,通过对己知功能的miRNA靶位点特征的训练,对未知功能的miRNA靶位点进行功能学上的预测分类。 本研究使用两套miRNA芯片数据集,衡量15种标准化方法处理的效果,确定print tip-loess是对于m

39、iRNA芯片最优的标准化方法。miRNA表达谱可以正确地区分神经组织和非神经组织。识别了26个神经组织特异性表达的miRNA,其中有7个是单个神经组织特异性的;这26个miRNA共预测出3282个靶基因,这些靶基因分别被注释到GO功能和KEGG通路上。 在机器学习预测miRNA功能的部分,通过设计好的特征在训练集上的学习过程,发现采用“多层感知”分类器和“信息增益”特征选择策略,在10个特征的水平上的训练效果最好。使用这套方法总共预测出了17767个抑制功能的靶位点和2501个降解功能的靶位点,并通过6个miRNA在细胞内的过表达(细胞转染实验,来检测下游预测靶基因BCL2的表达变化,以验证机器学习预测方法的可靠性:实验与预测相符的占50%。chun生物信息学中的MicroRNA预测研究-吉林大学学报(信息科学版2008,26(3为microRNA预测的研究提供参考,讨论了生物信息学中有关MicroRNA预测研究的若干问题.根据最新的研究成果,由MicroRNA预测的特征信息和数据源,从结构序列分析方法、比较基因组方法和机器学习方法等方面对MicroRNA