賓夕法尼亞大學(xué)佩雷??爾曼醫(yī)學(xué)院的研究人員設(shè)計(jì)了一種繪制“轉(zhuǎn)錄組”的新方法 - 由細(xì)胞活性基因表達(dá)的RNA讀數(shù)集合。RNA既是DNA與產(chǎn)生生命功能的蛋白質(zhì)之間的分子橋梁，又是分子工具箱，共同幫助這些蛋白質(zhì)發(fā)揮作用。因此，RNA以各種形式存在，每種形式都具有特定的作用和目的，并非所有形式都被完全理解。

利用這種新方法進(jìn)一步闡明RNA在細(xì)胞中的作用，研究小組確定了哺乳動(dòng)物中的RNA變異體，這些變體在以前的技術(shù)中基本上是不可見的。研究人員還證明，RNA中的這些“黑暗”變異在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中非常常見，并可能在組織，發(fā)育和人類疾病的基因調(diào)控中發(fā)揮作用。該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃使用現(xiàn)在免費(fèi)的軟件進(jìn)行分析，以查詢神經(jīng)退行性疾病，癌癥和其他疾病中的異常細(xì)胞。

“這對(duì)我們來說非常令人興奮，而且我認(rèn)為對(duì)于研究界來說，除其他原因之外，因?yàn)槲覀儸F(xiàn)在可以回顧大量現(xiàn)有的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，知道會(huì)出現(xiàn)新的和重要的事情，”資深作者Yoseph說。 Barash博士，遺傳學(xué)助理教授。Barash還是賓夕法尼亞大學(xué)生物醫(yī)學(xué)信息學(xué)研究所的高級(jí)研究員。

Barash及其團(tuán)隊(duì)的報(bào)告，包括聯(lián)合主要作者Jorge Vaquero-Garcia，Alejandro Barrera和Matthew R. Gazzara，Penn的所有研究人員，本周在eLife在線發(fā)布。

不完整的圖片

Barash的實(shí)驗(yàn)室主要致力于通過機(jī)器學(xué)習(xí)和計(jì)算建模研究RNA轉(zhuǎn)錄本及其變異。自20世紀(jì)70年代以來，科學(xué)家已經(jīng)知道一種主要的變異機(jī)制，稱為選擇性剪接。當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)編碼基因首先轉(zhuǎn)錄成RNA時(shí)，細(xì)胞機(jī)器將新鮮RNA轉(zhuǎn)錄物切成片段。然后它丟棄非蛋白質(zhì)編碼區(qū)段(內(nèi)含子)并將蛋白質(zhì)編碼區(qū)段(外顯子)拼接回到完整的信使RNA轉(zhuǎn)錄本中，后者隨后被翻譯成蛋白質(zhì)。

有時(shí)，根據(jù)細(xì)胞中的情況，剪接機(jī)器故意省略一個(gè)或多個(gè)外顯子中的剪接，結(jié)果是較短的信使-RNA轉(zhuǎn)錄物，其反過來編碼不同形式的蛋白質(zhì)。以這種方式，單個(gè)基因可以編碼相同蛋白質(zhì)的多種形式，每種形式具有其自身獨(dú)特的生物學(xué)作用，例如僅在一組細(xì)胞類型中起作用或僅在胎兒發(fā)育期間起作用。已知偏離正常的剪接模式會(huì)導(dǎo)致許多疾病。

生物學(xué)家長(zhǎng)期存在的一個(gè)問題是，他們沒有簡(jiǎn)單，無差錯(cuò)的方法來識(shí)別和量化樣本中所有不同的信使RNA剪接變體?，F(xiàn)代RNA測(cè)序技術(shù)(RNA-seq)是一種強(qiáng)大的科學(xué)工具，但主要產(chǎn)生僅信使RNA片段的序列。這些片段序列基本上必須在復(fù)雜的軟件和現(xiàn)有的RNA數(shù)據(jù)庫(kù)的幫助下縫合在一起，以獲得轉(zhuǎn)錄組的完整圖像。但這張照片不一定是完整的。

“與實(shí)際的信使RNA轉(zhuǎn)錄本相比，來自RNA-seq的讀數(shù)很少，而且也很短，所以你不能直接知道那些讀物的轉(zhuǎn)錄本是什么，”Barash說。“因此，你也不會(huì)直接知道這些成績(jī)單的豐富程度。”

轉(zhuǎn)錄組的新視角

Barash及其團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的新方法首先繪制了他們稱之為局部剪接變異(LSV)的圖譜 - 基本上是外顯子之間的可變連接，外顯子是跨越多個(gè)外顯子的可檢測(cè)序列。

“這些是細(xì)胞的剪接機(jī)器可以選擇將哪個(gè)外顯子拼接到另一個(gè)外殼的地方，”Barash說。

該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了用于從RNA-seq數(shù)據(jù)生成LSV圖譜的軟件，并將這些數(shù)據(jù)與現(xiàn)有RNA數(shù)據(jù)庫(kù)相結(jié)合，以產(chǎn)生包括普通的，已知的剪接變體以及其他方法無法檢測(cè)的復(fù)雜剪接變體的圖片。

為了評(píng)估迄今為止看不見的轉(zhuǎn)錄組部分的重要性，該團(tuán)隊(duì)使用新的MAJIQ軟件(模擬替代結(jié)合包涵體定量)來分析來自各種物種(包括蜥蜴，小鼠和人類)的RNA-seq數(shù)據(jù)。該分析顯示，復(fù)雜的剪接變體比以前認(rèn)為的更為常見，例如，人類樣品中約37%的轉(zhuǎn)錄組變異。

“這些變化有點(diǎn)像月亮的黑暗面，”巴拉什說。“他們已知存在，但我們?nèi)狈φ樟了鼈兊哪芰?- 現(xiàn)在它們構(gòu)成了人類信使RNA變異的三分之一。”

用MAJIQ檢測(cè)的復(fù)雜剪接變體包括來自基因Ptbp1的高度保守但以前未報(bào)告的變體，已知其對(duì)于正確的大腦發(fā)育是關(guān)鍵的。進(jìn)一步的分析表明，新發(fā)現(xiàn)的變異體通過引入“毒物外顯子”參與控制出生后Ptbp1的表達(dá)，該毒物外顯子標(biāo)記隨后降解的轉(zhuǎn)錄物。

與對(duì)照相比，使用來自人類突觸相關(guān)基因CAMK2D的MAJIQ檢測(cè)到的另一種復(fù)雜變體在阿爾茨海默病患者的腦組織中表達(dá)減少約40%。該團(tuán)隊(duì)后來在第二個(gè)更大的RNA-seq數(shù)據(jù)集中發(fā)現(xiàn)了類似的下降，這也是阿爾茨海默病的病例?？傮w而言，該團(tuán)隊(duì)確定了大約200例阿爾茨海默病患者的改變剪接病例，這些病例在兩項(xiàng)獨(dú)立研究中具有可重復(fù)性。

“我們認(rèn)為這些研究結(jié)果只是冰山一角，”巴拉什說。他和他的同事們現(xiàn)在計(jì)劃對(duì)其他疾病的復(fù)雜剪接變異進(jìn)行進(jìn)一步的基于MAJIQ的研究。然而，Barash強(qiáng)調(diào)MAJIQ軟件包現(xiàn)在可以免費(fèi)提供給其他學(xué)術(shù)研究人員，他們都可以以自己的方式使用它。除了MAJIQ之外，該團(tuán)隊(duì)還制作了一個(gè)補(bǔ)充軟件包VOILA，使研究人員能夠可視化MAJIQ檢測(cè)到的復(fù)雜剪接變體。