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非编码RNA(ncRNA)是一类功能广泛的RNA分子,它们以结构、催化或调控分子的方式参与细胞中的各种生命活动。大规模筛选和鉴定ncRNA,从而研究其结构和功能,对揭示细胞中的各种生命现象具有重要作用。
本文采用计算机RNA组学方法对黑腹果蝇(D.melanogaster)核仁小分子RNA(snoRNA)进行了全基因组水平的搜索分析,初步获得了来源于内含子区域的159种候选分子。再通过文库构建和Northern杂交方法的证实,鉴定了31种新的box C/D snoRNA。对31种新的box C/D snoRNA的功能进行了预测,其中25种可以指导修饰靶RNA分子(rRNA和snRNA)的甲基化修饰,另外6种由于未找到与rRNA和snRNA配对的功能区暂时被命名未“孤儿”分子(orphansnoRNA)。研究发现,果蝇box C/D snoRNA在内含子中具有非常明显的位置效应,其加工模式与其在内含子中的位置相关,绝大部分box C/D snoRNA为内含子加工依赖型。通过对所有box C/D snoRNA组织形式的分析,除了已报道的2个dUHG,本文又发现了6个新的dUHG。果蝇所有dUHG中的snoRNA分子数达51个,占已鉴定snoRNA分子总数的49%,表明果蝇中dUHG模式是一种占主导的基因组织形式。本文以六个果蝇近缘种的duHG同源区域为主要对象,对snoRNA分子的发生和进化进行了研究,表明dUHG中snoRNA的演化可能具有两种模式,即基因重复和基因转座。并推测dUHG中的snoRNA通过重复产生冗余拷贝,不断积累突变而与原基因产生分化,从而形成具有新功能的非编码RNA。
结合上述31种新的box C/D snoRNA和果蝇中所有已报道的非编码RNA,本文发现100-500bp长度范围的内含子是包含小分子非编码RNA的重要区域。对snoRNA侧翼的保守序列的分析,发现了在同一个内含子中与snoRNA共转录的新的非编码RNA,表明内含子中还隐含着新的非编码RNA,为在内含子中继续鉴定新的非编码RNA提供了初步线索。本文利用比较基因组学的方法对黑腹果蝇与其近缘种的基因组中的序列,主要针对小于500bp的内含子序列,进行了保守性分析,并获取了大量的保守序列(Multi-species Conserved IntronicSequences.MCISs)。通过对内含子大小区间分段分析,发现绝大部分minimalintron或小于100bp的内含子并不保守,只有0.2%的含有保守序列,表明这类内含子基本不含有功能序列。相反,研究发现100-500bp区间的内含子含有大量的保守序列。对文中的396 MCISs数据库中部分保守序列设计探针检测其作用为RNA基因的可能性,结果成功地鉴定了5个新的非编码RNA,包括2种miRNA、1种snoRNA、2种功能未知的新非编码RNA,进一步说明保守序列可能为未知的非编码RNA区域。但是,杂交鉴定的结果表明只有5%的保守序列可以加工成稳定表达的小分子RNA。加上396 MCISs数据库中保守序列对应的已知的38个非编码RNA,这些具有稳定RNA产物的反式因子的比例也只有11%左右,说明大部分的内含子保守序列可能作用为顺式元件。进一步分析保守序列的宿主基因的转录,发现大部分保守序列的宿主基因只有一个转录本,说明这些保守序列与选择性剪接无关,推测可能参与了宿主基因的表达调控、辅助染色质的结构形成等其它作用。
本研究取得的成果为全面了解果蝇基因组中ncRNA的种类,结构和功能奠定了基础,同时为在内含子中大规模地研究和鉴定新的顺式元件和反式作用因子,以及研究内含子在进化上的意义提供了重要参考。