植物circRNA数据库构建及其生物信息学方法研究

论文摘要

环状RNA（circRNA）是一类共价键闭合的单链环状RNA分子,早在二十多年前就已有研究报道。但是早期的circRNA往往被认为是剪接的副产物,不具有生物学功能。随着高通量测序技术和生物信息学的快速发展,研究人员在大量物种中（包括人、小鼠等哺乳动物以及拟南芥、水稻等植物）发现大量circRNA,并且发现部分circRNA具有生物学功能,例如作为miRNA海绵吸附miRNA从而达到调节miRNA靶基因表达的目的;与小核核糖核蛋白结合调控母基因的转录;与蛋白之间相互调节等。然而,在2014年之前,大多数circRNA的研究都集中在动物上,植物circRNA研究几乎为空白。为此,本研究在本实验室前期研究基础上,开展了植物circRNA数据库构建、植物circRNA特征分析和植物circRNA的生物信息学方法研究。取得的主要结果如下:（1）基于本实验室的研究基础,我们构建了植物首个circRNA数据库,即PlantcircBase（http://ibi.zju.edu.cn/plantcircbase/）。该数据库目前收录了来自 16个植物物种的一共115,171个circRNA。数据库中收集的circRNA主要来源于已发表的文献,同时也包括我们用不同的鉴定软件在拟南芥和水稻公共高通量数据上的鉴定结果（拟南芥和水稻中分别鉴定到30,534和26,160个circRNA）。此外,我们根据circRNA反向剪接位点在基因组上的位置,对植物circRNA的类型进行了详细的分类（一共分十种）;根据circRNA的类型及其母基因名称,对植物circRNA进行了命名（例如AT1G01010circg.l）。PlantcircBase中每个circRNA的记录中包括circRNA的名称、位置、序列、类型、母基因、剪接信号、是否在外显子边界、编码潜能、保守性、circRNA-miRNA-mRNA关系网络等信息。除了每个circRNA的记录,PlantcircBase还具有物种浏览、关键词和序列搜索、下载、circRNA结构可视化、circRNA基因组可视化等功能。（2）基于PlantcircBase中收录的植物circRNA,我们发现植物circRNA具有以下特征:植物circRNA的表达具有组织特异性;植物circRNA的基因组序列长度分布在100-500bp;大部分植物circRNA来源于蛋白编码基因;植物circRNA中存在大量可变剪接现象;植物circRNA具有非典型性剪接信号等。（3）我们针对植物circRNA开展了两项生物信息学方法研究。一是circRNA形成机制预测方法:基于目前研究相对较为完善的三种circRNA的形成机制,也就是基于RNA绑定蛋白（RBP）、反向互补序列、套索结构介导的环化机制,我们研发了 circRNA形成机制预测软件（https://github.com/qjchu/BMPcirc）。对人类、小鼠、线虫、拟南芥和水稻中已鉴定的circRNA进行形成机制预测,结果显示我们研发的软件能够对部分circRNA进行形成机制的预测（其他不能给出明确结果的,其可能的形成机制不在我们所参考的三种里面）,并且预测为基于RBP介导的形成机制占大多数。二是融合circRNA的鉴定方法:该方法（https://github.com/qjchu/findfcRNA）的主要原理是基于融合基因对的外显子序列的排列组合（假想参考序列）,并且用高通量测序读序在假想参考序列上寻找融合circRNA的可变剪接位点。我们的方法在人类和水稻的模拟数据上测试,其精确度都能达到90%以上,灵敏度能达到70%以上;在人类、线虫和水稻的转录组高通量测序数据上测试,都能找到一定数量的候选融合circRNA,可见该方法的可行性和准确性。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 缩写、符号清单、术语表
• 第一章 文献综述
•   1.1 环状RNA （circRNA）的定义和发现
•   1.2 circRNA的类型和特征
•     1.2.1 circRNA的类型
•     1.2.2 circRNA的表达特征
•     1.2.3 circRNA的保守性
•     1.2.4 circRNA的可变剪接
•   1.3 circRNA的生物信息学鉴定
•     1.3.1 circRNA生物信息学鉴定方法的基本原理
•     1.3.2 circRNA鉴定软件的特征和表现
•   1.4 circRNA的形成
•     1.4.1 顺式调节元件促使circRNA形成
•     1.4.2 RBP调节circRNA形成
•   1.5 circRNA的功能
•     1.5.1 circRNA已知功能
•     1.5.2 植物circRNA的功能
•   1.6 circRNA相关的数据库
•   1.7 本研究的目的和意义
• 第二章 植物circRNA数据库“PlantcircBase”的构建
•   2.1 植物circRNA数据来源和统计
•   2.2 植物circRNA的分类和命名
•   2.3 植物circRNA的保守性
•   2.4 植物circRNA-miRNA-mRNA的网络构建
•   2.5 数据库搭建和功能
•     2.5.1 数据库的搭建
•     2.5.2 circRNA信息展示功能
•     2.5.3 浏览和搜索功能
•     2.5.4 可视化功能
•   2.6 本章小结
• 第三章 植物circRNA特征研究
•   3.1 植物circRNA的表达存在组织特异性
•   3.2 植物circRNA的长度分布
•     3.2.1 circRNA的基因组序列的长度分布
•     3.2.2 拼接的circRNA全长长度分布
•   3.3 大部分植物circRNA来源于编码基因
•   3.4 植物circRNA存在可变剪接现象
•   3.5 植物circRNA具有非典型性剪接信号
•   3.6 本章小结
• 第四章 植物circRNA生物信息学分析方法研究
•   4.1 植物circRNA形成机制预测方法
•     4.1.1 形成机制预测方法
•     4.1.2 数据和结果
•     4.1.3 分析和讨论
•   4.2 植物新类型circRNA——融合circRNA鉴定方法
•     4.2.1 融合circRNA的鉴定方法
•     4.2.2 模拟数据和结果
•     4.2.3 真实数据和结果
•     4.2.4 分析和讨论
•   4.3 本章小结
• 第五章 总结和展望
•   5.1 总结
•   5.2 展望
• 参考文献
• 附录
• 作者简历

文章来源

类型: 博士论文

作者: 褚琴洁

导师: 樊龙江

关键词: 植物及其特征,特征,形成机制,融合,生物信息学方法

来源: 浙江大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 生物学,生物学,生物学

单位: 浙江大学

基金: 国家基金委对科研项目

分类号: Q943.2;Q811.4

总页数: 97

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