Khám phá sinh học dấu ấn: định lượng microRNA và các RNA không mã hóa nhỏ khác bằng phương pháp giải trình tự thế hệ tiếp theo

BMC Medical Genomics - Tập 8 - Trang 1-18 - 2015
Juan Pablo Lopez1,2, Alpha Diallo1, Cristiana Cruceanu1,2, Laura M. Fiori1, Sylvie Laboissiere3, Isabelle Guillet3, Joelle Fontaine3, Jiannis Ragoussis2,3, Vladimir Benes4, Gustavo Turecki1,2, Carl Ernst1,2
1McGill Group for Suicide Studies (MGSS), Douglas Mental Health University Institute, McGill University, Montreal, Canada
2Department of Human Genetics, McGill University, Montreal, Canada
3McGill University and Genome Quebec Innovation Centre, Montreal, Canada
4European Molecular Biology Laboratory (EMBL), Genomics Core Facility, Heidelberg, Germany

Tóm tắt

Các ncRNA nhỏ (sncRNAs) mở ra hy vọng lớn về việc trở thành các dấu ấn sinh học cho bệnh tật và phản ứng với điều trị. Điều này đã được nhấn mạnh trong bối cảnh của nhiều tình trạng bệnh lý như ung thư, bệnh gan, bệnh tim mạch và các rối loạn hệ thần kinh trung ương, và nhiều tình trạng khác. Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã đánh giá nhiều bước liên quan đến việc phát triển quy trình phát hiện dấu ấn ncRNA, từ chuẩn bị mẫu đến xử lý dữ liệu giải trình tự RNA nhỏ bằng công nghệ tin sinh học. Tổng cộng có 45 mẫu sinh học đã được đưa vào nghiên cứu hiện tại. Tất cả các thư viện đều được chuẩn bị bằng cách sử dụng giao thức Illumina TruSeq Small RNA và được giải trình tự bằng các máy giải trình tự HiSeq2500 hoặc MiSeq của Illumina. Dữ liệu giải trình tự RNA nhỏ đã được xác minh bằng phương pháp qRT-PCR. Ở mỗi giai đoạn, chúng tôi đã đánh giá những ưu điểm và nhược điểm của các kỹ thuật khác nhau có thể phù hợp với các thiết kế thí nghiệm khác nhau. Các phương pháp đánh giá bao gồm chất lượng dữ liệu đầu ra liên quan đến thời gian thực hành trong phòng thí nghiệm, chi phí và hiệu quả của quy trình xử lý. Kết quả của chúng tôi cho thấy các thư viện giải trình tự có chất lượng tốt có thể được chuẩn bị từ một lượng nhỏ RNA tổng thể và các mức độ phân hủy khác nhau trong các mẫu không có tác động đáng kể đến tổng thể việc định lượng sncRNAs qua NGS. Ngoài ra, chúng tôi mô tả những điểm mạnh và hạn chế của ba phương pháp chuẩn bị thư viện có sẵn trên thương mại: (1) gel Novex TBE PAGE; (2) hệ thống gel tự động Pippin Prep; và (3) hạt AMPure XP. Chúng tôi mô tả quy trình tin sinh học của mình, đưa ra các khuyến nghị cho độ bao phủ trong giải trình tự, và mô tả chi tiết sự biểu hiện và phân bố của tất cả sncRNAs trong bốn mô cảu người: máu toàn phần, não, tim và gan. Cuối cùng, nghiên cứu này cung cấp các công cụ và chỉ số đầu ra sẽ hỗ trợ các nhà nghiên cứu và bác sĩ lâm sàng trong việc chọn một phương pháp định lượng giải trình tự hiệu quả và phù hợp cho nhiều thiết kế nghiên cứu khác nhau, và qua đó tạo ra thông tin giá trị có thể đóng góp vào hiểu biết của chúng ta về ncRNAs nhỏ như là những dấu ấn sinh học tiềm năng và những trung gian của chức năng sinh học và bệnh tật.

Từ khóa

#ncRNAs #miRNAs #dấu ấn sinh học #giải trình tự thế hệ tiếp theo #bioinformatics

Tài liệu tham khảo

Hampel H, Frank R, Broich K, Teipel SJ, Katz RG, Hardy J, et al. Biomarkers for Alzheimer’s disease: academic, industry and regulatory perspectives. Nat Rev Drug Discov. 2010;9(7):560–74. doi:10.1038/nrd3115. Shaw LM, Korecka M, Clark CM, Lee VM, Trojanowski JQ. Biomarkers of neurodegeneration for diagnosis and monitoring therapeutics. Nat Rev Drug Discov. 2007;6(4):295–303. doi:10.1038/nrd2176. Davis J, Maes M, Andreazza A, McGrath JJ, Tye SJ, Berk M. Towards a classification of biomarkers of neuropsychiatric disease: from encompass to compass. Mol Psychiatry. 2014. doi:10.1038/mp.2014.139. Strimbu K, Tavel JA. What are biomarkers? Curr Opin HIV AIDS. 2010;5(6):463–6. doi:10.1097/COH.0b013e32833ed177. Liu Z, Que S, Xu J, Peng T. Alanine aminotransferase-old biomarker and new concept: a review. Int J Med Sci. 2014;11(9):925–35. doi:10.7150/ijms.8951. de Blacam C, Byrne C, Hughes E, McIlroy M, Bane F, Hill AD, et al. HOXC11-SRC-1 regulation of S100beta in cutaneous melanoma: new targets for the kinase inhibitor dasatinib. Br J Cancer. 2011;105(1):118–23. doi:10.1038/bjc.2011.193. Helleday T, Eshtad S, Nik-Zainal S. Mechanisms underlying mutational signatures in human cancers. Nat Rev Genet. 2014;15(9):585–98. doi:10.1038/nrg3729. Kandimalla R, van Tilborg AA, Zwarthoff EC. DNA methylation-based biomarkers in bladder cancer. Nat Rev Urol. 2013;10(6):327–35. doi:10.1038/nrurol.2013.89. Ordovas JM, Smith CE. Epigenetics and cardiovascular disease. Nat Rev Cardiol. 2010;7(9):510–9. doi:10.1038/nrcardio.2010.104. Warton K, Samimi G. Methylation of cell-free circulating DNA in the diagnosis of cancer. Front Mol Biosci. 2015;2:13. doi:10.3389/fmolb.2015.00013. Schubeler D. Function and information content of DNA methylation. Nature. 2015;517(7534):321–6. doi:10.1038/nature14192. Calin GA, Croce CM. MicroRNA signatures in human cancers. Nat Rev Cancer. 2006;6(11):857–66. doi:10.1038/nrc1997. Szabo G, Bala S. MicroRNAs in liver disease. Nat Rev Gastroenterol Hepatol. 2013;10(9):542–52. doi:10.1038/nrgastro.2013.87. Flemming A. Heart failure: targeting miRNA pathology in heart disease. Nat Rev Drug Discov. 2014;13(5):336. doi:10.1038/nrd4311. Lopez JP, Fiori LM, Gross JA, Labonte B, Yerko V, Mechawar N, et al. Regulatory role of miRNAs in polyamine gene expression in the prefrontal cortex of depressed suicide completers. Int J Neuropsychopharmacol. 2014;17(1):23–32. doi:10.1017/S1461145713000941. Lopez JP, Lim R, Cruceanu C, Crapper L, Fasano C, Labonte B, et al. miR-1202 is a primate-specific and brain-enriched microRNA involved in major depression and antidepressant treatment. Nat Med. 2014;20(7):764–8. doi:10.1038/nm.3582. Maffioletti E, Tardito D, Gennarelli M, Bocchio-Chiavetto L. Micro spies from the brain to the periphery: new clues from studies on microRNAs in neuropsychiatric disorders. Front Cell Neurosci. 2014;8:75. doi:10.3389/fncel.2014.00075. O’Connor RM, Dinan TG, Cryan JF. Little things on which happiness depends: microRNAs as novel therapeutic targets for the treatment of anxiety and depression. Mol Psychiatry. 2012;17(4):359–76. doi:10.1038/mp.2011.162. Esteller M. Non-coding RNAs in human disease. Nat Rev Genet. 2011;12(12):861–74. doi:10.1038/nrg3074. Li Z, Rana TM. Therapeutic targeting of microRNAs: current status and future challenges. Nat Rev Drug Discov. 2014;13(8):622–38. doi:10.1038/nrd4359. Qureshi IA, Mehler MF. Emerging roles of non-coding RNAs in brain evolution, development, plasticity and disease. Nat Rev Neurosci. 2012;13(8):528–41. doi:10.1038/nrn3234. Rukov JL, Vinther J, Shomron N. Pharmacogenomics genes show varying perceptibility to microRNA regulation. Pharmacogenet Genomics. 2011;21(5):251–62. doi:10.1097/FPC.0b013e3283438865. Ha M, Kim VN. Regulation of microRNA biogenesis. Nat Rev Mol Cell Biol. 2014;15(8):509–24. doi:10.1038/nrm3838. Hu W, Coller J. What comes first: translational repression or mRNA degradation? The deepening mystery of microRNA function. Cell Res. 2012;22(9):1322–4. doi:10.1038/cr.2012.80. Taft RJ, Pang KC, Mercer TR, Dinger M, Mattick JS. Non-coding RNAs: regulators of disease. J Pathol. 2010;220(2):126–39. doi:10.1002/path.2638. Aravin AA, Sachidanandam R, Girard A, Fejes-Toth K, Hannon GJ. Developmentally regulated piRNA clusters implicate MILI in transposon control. Science. 2007;316(5825):744–7. doi:10.1126/science.1142612. Brennecke J, Aravin AA, Stark A, Dus M, Kellis M, Sachidanandam R, et al. Discrete small RNA-generating loci as master regulators of transposon activity in Drosophila. Cell. 2007;128(6):1089–103. doi:10.1016/j.cell.2007.01.043. Kuramochi-Miyagawa S, Watanabe T, Gotoh K, Takamatsu K, Chuma S, Kojima-Kita K, et al. MVH in piRNA processing and gene silencing of retrotransposons. Genes Dev. 2010;24(9):887–92. doi:10.1101/gad.1902110. Chu H, Hui G, Yuan L, Shi D, Wang Y, Du M, et al. Identification of novel piRNAs in bladder cancer. Cancer Lett. 2015;356(2 Pt B):561–7. doi:10.1016/j.canlet.2014.10.004. Zhang H, Ren Y, Xu H, Pang D, Duan C, Liu C. The expression of stem cell protein Piwil2 and piR-932 in breast cancer. Surg Oncol. 2013;22(4):217–23. doi:10.1016/j.suronc.2013.07.001. Cui L, Lou Y, Zhang X, Zhou H, Deng H, Song H, et al. Detection of circulating tumor cells in peripheral blood from patients with gastric cancer using piRNAs as markers. Clin Biochem. 2011;44(13):1050–7. doi:10.1016/j.clinbiochem.2011.06.004. Kiss-Laszlo Z, Henry Y, Bachellerie JP, Caizergues-Ferrer M, Kiss T. Site-specific ribose methylation of preribosomal RNA: a novel function for small nucleolar RNAs. Cell. 1996;85(7):1077–88. King TH, Liu B, McCully RR, Fournier MJ. Ribosome structure and activity are altered in cells lacking snoRNPs that form pseudouridines in the peptidyl transferase center. Mol Cell. 2003;11(2):425–35. Thorenoor N, Slaby O. Small nucleolar RNAs functioning and potential roles in cancer. Tumour Biol. 2015;36(1):41–53. doi:10.1007/s13277-014-2818-8. Martens-Uzunova ES, Olvedy M, Jenster G. Beyond microRNA--novel RNAs derived from small non-coding RNA and their implication in cancer. Cancer Lett. 2013;340(2):201–11. doi:10.1016/j.canlet.2012.11.058. Mannoor K, Liao J, Jiang F. Small nucleolar RNAs in cancer. Biochim Biophys Acta. 2012;1826(1):121–8. doi:10.1016/j.bbcan.2012.03.005. Yarmishyn AA, Kurochkin IV. Long noncoding RNAs: a potential novel class of cancer biomarkers. Front Genet. 2015;6:145. doi:10.3389/fgene.2015.00145. Duggirala A, Delogu F, Angelini TG, Smith T, Caputo M, Rajakaruna C, et al. Non coding RNAs in aortic aneurysmal disease. Front Genet. 2015;6:125. doi:10.3389/fgene.2015.00125. Jin K, Luo G, Xiao Z, Liu Z, Liu C, Ji S, et al. Noncoding RNAs as potential biomarkers to predict the outcome in pancreatic cancer. Drug Des Dev Ther. 2015;9:1247–55. doi:10.2147/DDDT.S77597. Zhang W, Ren SC, Shi XL, Liu YW, Zhu YS, Jing TL, et al. A novel urinary long non-coding RNA transcript improves diagnostic accuracy in patients undergoing prostate biopsy. Prostate. 2015;75(6):653–61. doi:10.1002/pros.22949. Gupta RA, Shah N, Wang KC, Kim J, Horlings HM, Wong DJ, et al. Long non-coding RNA HOTAIR reprograms chromatin state to promote cancer metastasis. Nature. 2010;464(7291):1071–6. doi:10.1038/nature08975. Guttman M, Amit I, Garber M, French C, Lin MF, Feldser D, et al. Chromatin signature reveals over a thousand highly conserved large non-coding RNAs in mammals. Nature. 2009;458(7235):223–7. doi:10.1038/nature07672. Calin GA, Liu CG, Ferracin M, Hyslop T, Spizzo R, Sevignani C, et al. Ultraconserved regions encoding ncRNAs are altered in human leukemias and carcinomas. Cancer Cell. 2007;12(3):215–29. doi:10.1016/j.ccr.2007.07.027. Sana J, Hankeova S, Svoboda M, Kiss I, Vyzula R, Slaby O. Expression levels of transcribed ultraconserved regions uc.73 and uc.388 are altered in colorectal cancer. Oncology. 2012;82(2):114–8. doi:10.1159/000336479. Berezikov E. Evolution of microRNA diversity and regulation in animals. Nat Rev Genet. 2011;12(12):846–60. doi:10.1038/nrg3079. van Rooij E. The art of microRNA research. Circ Res. 2011;108(2):219–34. doi:10.1161/CIRCRESAHA.110.227496. Pritchard CC, Cheng HH, Tewari M. MicroRNA profiling: approaches and considerations. Nat Rev Genet. 2012;13(5):358–69. doi:10.1038/nrg3198. Weiland M, Gao XH, Zhou L, Mi QS. Small RNAs have a large impact: circulating microRNAs as biomarkers for human diseases. RNA Biol. 2012;9(6):850–9. doi:10.4161/rna.20378. De Guire V, Robitaille R, Tetreault N, Guerin R, Menard C, Bambace N, et al. Circulating miRNAs as sensitive and specific biomarkers for the diagnosis and monitoring of human diseases: promises and challenges. Clin Biochem. 2013;46(10–11):846–60. doi:10.1016/j.clinbiochem.2013.03.015. Huang X, Yuan T, Tschannen M, Sun Z, Jacob H, Du M, et al. Characterization of human plasma-derived exosomal RNAs by deep sequencing. BMC Genomics. 2013;14:319. doi:10.1186/1471-2164-14-319. Spornraft M, Kirchner B, Haase B, Benes V, Pfaffl MW, Riedmaier I. Optimization of extraction of circulating RNAs from plasma--enabling small RNA sequencing. PLoS One. 2014;9(9), e107259. doi:10.1371/journal.pone.0107259. Illumina. Illumina CASAVA 1.8 http://support.illumina.com/content/dam/illumina-support/documents/myillumina/33d66b02-53b5-4f4d-9d8b-f94237c7e44d/casava_qrg_15011197b.pdf. 2011. Gordon A. FASTX-toolkit. Computer program distributed by the author, website http://hannonlab.cshl.edu/fastx_toolkit/index.html [accessed 2014–2015] Song L, Florea L, Langmead B. Lighter: fast and memory-efficient sequencing error correction without counting. Genome Biol. 2014;15(11):509. doi:10.1186/PREACCEPT-9663167051308943. Kent WJ, Sugnet CW, Furey TS, Roskin KM, Pringle TH, Zahler AM, et al. The human genome browser at UCSC. Genome Res. 2002;12(6):996–1006. doi:10.1101/gr.229102. Article published online before print in May 2002. Chen CJ, Servant N, Toedling J, Sarazin A, Marchais A, Duvernois-Berthet E, et al. ncPRO-seq: a tool for annotation and profiling of ncRNAs in sRNA-seq data. Bioinformatics. 2012;28(23):3147–9. doi:10.1093/bioinformatics/bts587. Kozomara A, Griffiths-Jones S. miRBase: integrating microRNA annotation and deep-sequencing data. Nucleic Acids Res. 2011;39(Database issue):D152–7. doi:10.1093/nar/gkq1027. Kozomara A, Griffiths-Jones S. miRBase: annotating high confidence microRNAs using deep sequencing data. Nucleic Acids Res. 2014;42(Database issue):D68–73. doi:10.1093/nar/gkt1181. Gardner PP, Daub J, Tate JG, Nawrocki EP, Kolbe DL, Lindgreen S, et al. Rfam: updates to the RNA families database. Nucleic Acids Res. 2009;37(Database issue):D136–40. doi:10.1093/nar/gkn766. Sai Lakshmi S, Agrawal S. piRNABank: a web resource on classified and clustered Piwi-interacting RNAs. Nucleic Acids Res. 2008;36(Database issue):D173–7. doi:10.1093/nar/gkm696. Love MI, Huber W, Anders S. Moderated estimation of fold change and dispersion for RNA-seq data with DESeq2. Genome Biol. 2014;15(12):550. doi:10.1186/s13059-014-0550-8. Camps C, Saini HK, Mole DR, Choudhry H, Reczko M, Guerra-Assuncao JA, et al. Integrated analysis of microRNA and mRNA expression and association with HIF binding reveals the complexity of microRNA expression regulation under hypoxia. Mol Cancer. 2014;13:28. doi:10.1186/1476-4598-13-28. van de Bunt M, Gaulton KJ, Parts L, Moran I, Johnson PR, Lindgren CM, et al. The miRNA profile of human pancreatic islets and beta-cells and relationship to type 2 diabetes pathogenesis. PLoS One. 2013;8(1), e55272. doi:10.1371/journal.pone.0055272. Jung M, Schaefer A, Steiner I, Kempkensteffen C, Stephan C, Erbersdobler A, et al. Robust microRNA stability in degraded RNA preparations from human tissue and cell samples. Clin Chem. 2010;56(6):998–1006. doi:10.1373/clinchem.2009.141580. Gantier MP, McCoy CE, Rusinova I, Saulep D, Wang D, Xu D, et al. Analysis of microRNA turnover in mammalian cells following Dicer1 ablation. Nucleic Acids Res. 2011;39(13):5692–703. doi:10.1093/nar/gkr148. Zhang Z, Qin YW, Brewer G, Jing Q. MicroRNA degradation and turnover: regulating the regulators. Wiley Interdiscip Rev RNA. 2012;3(4):593–600. doi:10.1002/wrna.1114. Bail S, Swerdel M, Liu H, Jiao X, Goff LA, Hart RP, et al. Differential regulation of microRNA stability. RNA. 2010;16(5):1032–9. doi:10.1261/rna.1851510. Wang Y, Sheng G, Juranek S, Tuschl T, Patel DJ. Structure of the guide-strand-containing argonaute silencing complex. Nature. 2008;456(7219):209–13. doi:10.1038/nature07315. Nagy C MM, Lopez JP, Vaillancourt K, Cruceanu C, Gross J, Arnovitz M, Mechawar N, Turecki G. The effects of post-mortem interval on biomolecule integrity in the brain. J Neuropath Exp Neur. 2015;In Press. Fiedler J, Thum T. MicroRNAs in myocardial infarction. Arterioscler Thromb Vasc Biol. 2013;33(2):201–5. doi:10.1161/ATVBAHA.112.300137. Zhang Y, Jia Y, Zheng R, Guo Y, Wang Y, Guo H, et al. Plasma microRNA-122 as a biomarker for viral-, alcohol-, and chemical-related hepatic diseases. Clin Chem. 2010;56(12):1830–8. doi:10.1373/clinchem.2010.147850. Weber JA, Baxter DH, Zhang S, Huang DY, Huang KH, Lee MJ, et al. The microRNA spectrum in 12 body fluids. Clin Chem. 2010;56(11):1733–41. doi:10.1373/clinchem.2010.147405.
Thông tin
Thông tin xuất bản

BMC Medical Genomics

Tập 8

1-18

Thông tin tác giả