秀丽隐杆线虫核糖体蛋白基因的调节元件

核糖体蛋白基因(RPGs)在胚胎发育和细胞生长中是至关重要、严格监管以及高表达的。在酵母、果蝇和脊椎动物中,即使它们的蛋白序列高度保守,它们的调节机制也是不保守的。清华大学生物信息学部张奇伟教授合作中国科学院生物物理研究所陈润生院士带领研究人员进行了秀丽隐杆线虫RPG调节的in-depth测试,在秀丽隐杆线虫RPGs的上游区域发现了9个高度保守的motifs。有一对motif250个转录本包括22RPGs的上游区域共生。该成果发表在20128月的《BMC Genomics》杂志上。

研究人员在秀丽隐杆线虫细胞质RPGs靠近上游区域检测到9motifs5motifs12-0,12-5,12-11,12-18和反式剪接)和研究人员先前用完全不同的数据分析所得的结果相似。4motifs显示了位置偏向性,始终出现在ATG上游200bp500bp之间。2motifsA-richAT-rich)通过1个或2个高度保守的AT碱基对识别。这些motifs在一系列核糖体上游都是显著高表达并且均匀分布的。另外两个motifsTGAATATTTAGG)是异常的。

RPGs中的motifs共现

Motifs 12-012-5表现出重要且有趣的共现模式。22RPGs在上游区域包含12-012-5,这两个motifs出现相同的相对顺序和方向。为了确定内含子是够包含其它的保守碱基,研究人员提取并比对了包含motifs 12-012-5的整条序列,研究人员观察到两个motifs之间有一些保守碱基,但是没有中介motifs

Motifs和已知TF结合位点比较

果蝇和酵母中,一个motif和秀丽隐杆线虫CEH-14 CHIP-Seq高度相似,和ZED1位点相似性较低,3motifsTF结合位点相似。Motifs 12-0CEH-14几乎相同。CEH-14峰和12-0位点一样,和RPG上游区域高度相关。研究人员也观察到12-0ZBED1 RPG相关的结合位点相似性低。在酵母、果蝇和脊椎动物中,RPGs的调节元件和motifs之间没有相似性。研究人员用STAMPMatcompareTESS三种方法比较9motifsTF结合序列数据库的所有已知位点。

Motifs分布在所有的上游区域

为了研究motifs A-richAT-rich是否和核小体覆盖相关,研究人员比较了motifs分布和全基因组核小体覆盖得分,结果表明上游区域每个碱基A-richAT-rich motifs的数量和核小体的平均覆盖率低度负相关。

Motif在所有的上游区域共现

实验中有14motifs在所有的上游区域共现。Motifs 12-012-5表现出高度共现趋势。

Motifs 12-012-5和细胞循环过程以及生殖发育相关的基因有联系

为了确定除了RPGs,哪些基因和motifs相关,研究人员从基因列表中排除了84个细胞质RPGs,并且进行了多次DAVID分析。Motifs 12-012-512-11GO 生物流程方面显著相关,例如出生或蛋孵化的胚胎发育结束、生殖发育过程和细胞循环过程,这也证明了这3motifs和其它重要基因相关。

Motifs对基因表达的影响

由于基因B0250.1rpl-2)的上游区域只包含12-012-512-113motifs,所以研究人员选择这个基因进行测试。Motifs 12-012-512-11rpl-2的自发表达是必不可少的,缺少12-5影响最大。

结论

该工作对一些领域的研究具有重要影响。研究人员对秀丽隐杆线虫RPGs有了独特的监管体系,其中包括7个公认的TF结合位点(12-012-512-1112-18TGAATATTTAGGR12-5 ⇛ 12-0侧翼序列)、两个DNA结构元件以及反剪接受体位点。每个RPG由这些元件的亚型调控表明该系统具有高度灵活性,并且允许不影响总体稳定性的结合位点反转。这些元件在其它线虫属中没有发现。总的来说,研究人员发现的每个监管机制都可以极大地扩增研究人员对系统的理解,并且这些机制可以被用来建立新的执行完全不同功能的生物系统。

参考文献:

Regulatory elements of Caenorhabditis elegans ribosomal protein genes. Monica C Sleumeret al. BMC Genomics 2012

作者简介:

张奇伟:清华大学信息学院与医学院双聘教授,清华信息国家实验室合成与系统生物实验室主任,首批千人计划教授。清华973国家重点基础研究发展计划项目《基于新一代测序的生物信息学理论与方法》第三课题组负责人。主要科研领域与方向:计算生物学与生物信息学;合成生物与系统生物学。

陈润生:中国科学院院士,现任中国科学院生物物理研究所非编码核酸重点实验室研究员,博士生导师,国际人类基因组组织(HUGO)会员,国际数据库组织(CODATA)生物大分子专业组委员,国际纯粹及应用物理学会(IUPAP)生物信息学专业委员会委员。陈润生是中国最早从事理论生物学和生物信息学研究的科研人员之一。