Các RNA nhỏ và sự điều chỉnh của các bản sao đối kháng tự nhiên cis trong Arabidopsis

Springer Science and Business Media LLC - Tập 9 - Trang 1-13 - 2008
Hailing Jin1, Vladimir Vacic2, Thomas Girke3, Stefano Lonardi4, Jian-Kang Zhu3
1Departments of Plant Pathology & Microbiology, Center for Plant Cell Biology and Institute for Integrative Genome Biology, University of California, Riverside, USA
2Computer Science and Engineering, University of California Riverside, USA
3Botany and Plant Sciences, Center for Plant Cell Biology and Institute for Integrative Genome Biology, University of California, Riverside, USA
4Computer Science and Engineering, Center for Plant Cell Biology and Institute for Integrative Genome Biology, University of California, Riverside, USA

Tóm tắt

Mặc dù có các khoảng không gian giữa gen lớn trong bộ gen thực vật và động vật, 7% đến 30% số gen trong bộ gen mã hóa các bản sao đối kháng tự nhiên cis (cis-NATs) chồng chéo nhau. Sự xuất hiện rộng rãi của cis-NATs cho thấy có lợi thế tiến hóa cho loại sắp xếp gen này. Bằng chứng thực nghiệm về việc điều chỉnh hai cặp gen cis-NAT bởi các RNA nhỏ gây ra từ các bản sao đối kháng tự nhiên (nat-siRNAs) thông qua con đường can thiệp RNA (RNAi) đã được báo cáo ở Arabidopsis. Tuy nhiên, mức độ điều chỉnh gen cis-NAT do siRNA vẫn chưa rõ ràng trong bất kỳ bộ gen nào. Các đặc điểm nổi bật của việc điều chỉnh RNAi đối với NATs là 1) sự điều chỉnh ngược của hai gen trong một cặp cis-NAT dưới tác động của các tín hiệu môi trường và phát triển và 2) sự tạo ra của siRNAs bởi các gen cis-NAT. Chúng tôi đã xem xét dữ liệu phân tích gen của Arabidopsis từ các cơ sở dữ liệu vi mạch công cộng để xác định các cặp cis-NAT mà các bản sao đối kháng và chính thức có sự thay đổi biểu hiện đối lập. Một tập hợp con các gen cis-NAT cho thấy các đặc điểm biểu hiện tương quan tiêu cực cũng như sự thay đổi biểu hiện ngược lại dưới ít nhất một trong các giai đoạn phát triển hoặc điều kiện điều trị được kiểm tra. Bằng cách tìm kiếm dự án RNA nhỏ Arabidopsis (ASRP) và các cơ sở dữ liệu RNA nhỏ Massively Parallel Signature Sequencing (MPSS) cũng như tập dữ liệu RNA nhỏ của chúng tôi từ các điều trị căng thẳng, chúng tôi đã tìm thấy các RNA nhỏ phù hợp với ít nhất một gen trong 646 cặp trong số 1008 (64%) cặp gen mã hóa protein cis-NAT, điều này cho thấy siRNAs có thể điều chỉnh sự biểu hiện của nhiều gen cis-NAT. 209 siRNAs khả thi có khả năng nhắm mục tiêu nhiều hơn một gen và một nửa trong số RNA nhỏ này có thể nhắm mục tiêu nhiều thành viên của một họ gen. Hơn nữa, đa số các siRNAs khả thi trong các vùng chồng chéo có xu hướng chỉ nhắm một bản sao của một cặp NAT nhất định, điều này nhất quán với phát hiện trước đây của chúng tôi về nat-siRNAs gây ra bởi muối và vi khuẩn. Ngoài ra, chúng tôi phát hiện rằng các gen mã hóa protein nhắm mục tiêu plastid hoặc ty thể được đại diện vượt mức trong các cis-NAT của Arabidopsis và 19% các gen đối tác chính và đối kháng của các cis-NAT chia sẻ ít nhất một thuật ngữ chung trong Gene Ontology, cho thấy rằng chúng mã hóa các protein có thể có kết nối chức năng. Các mẫu biểu hiện tỷ lệ nghịch của các gen chính và đối kháng cũng như sự hiện diện của siRNAs trong nhiều cis-NATs cho thấy rằng việc điều chỉnh siRNA của cis-NATs thông qua con đường RNAi là một cơ chế điều chỉnh gen quan trọng cho ít nhất một nhóm nhỏ các cis-NATs trong Arabidopsis.

Từ khóa


Tài liệu tham khảo

Werner A, Berdal A: Natural antisense transcripts: sound or silence? Physiol Genomics 2005,23(2):125-131.

Makalowska I, Lin CF, Makalowski W: Overlapping genes in vertebrate genomes. Comput Biol Chem 2005,29(1):1-12.

Boi S, Solda G, Tenchini ML: Shedding light on the dark side of the genome: Overlapping genes in higher eukaryotes. Current Genomics 2004,5(6):509-524.

Lavorgna G, Dahary D, Lehner B, Sorek R, Sanderson CM, Casari G: In search of antisense. Trends Biochem Sci 2004,29(2):88-94.

Zhang Y, Liu XS, Liu QR, Wei L: Genome-wide in silico identification and analysis of cis natural antisense transcripts (cis-NATs) in ten species. Nucleic Acids Res 2006,34(12):3465-3475.

Chen JJ, Sun M, Kent WJ, Huang XQ, Xie HQ, Wang WQ, Zhou GL, Shi RZ, Rowley JD: Over 20% of human transcripts might form sense-antisense pairs. Nucleic Acids Research 2004,32(16):4812-4820.

Yelin R, Dahary D, Sorek R, Levanon EY, Goldstein O, Shoshan A, Diber A, Biton S, Tamir Y, Khosravi RR, Nemzer S, Pinner E, Walach S, Bernstein J, Savitsky K, Rotman G: Widespread occurrence of antisense transcription in the human genome. Nature Biotechnology 2003,21(4):379-386.

Kiyosawa H, Yamanaka I, Osato N, Kondo S, Hayashizaki Y: Antisense transcripts with FANTOM2 clone set and their implications for gene regulation. Genome Res 2003,13(6B):1324-1334.

Okazaki Y, Furuno M, Kasukawa T, Adachi J, Bono H, Kondo S, Nikaido I, Osato N, Saito R, Suzuki H, et al.: Analysis of the mouse transcriptome based on functional annotation of 60,770 full-length cDNAs. Nature 2002,420(6915):563-573.

Katayama S, Tomaru Y, Kasukawa T, Waki K, Nakanishi M, Nakamura M, Nishida H, Yap CC, Suzuki M, Kawai J, Yamanaka I, Kiyosawa H, Yagi K, Tomaru Y, Hasegawa Y, Nogami A, Schonbach C, Gojobori T, Baldarelli R, Hill DP, Bult C, Hume DA, Quackenbush J, Schriml LM, Kanapin A, Matsuda H, Batalov S, Beisel KW, Blake JA, Bradt D, et al.: Antisense transcription in the mammalian transcriptome. Science 2005,309(5740):1564-1566.

Misra S, Crosby MA, Mungall CJ, Matthews BB, Campbell KS, Hradecky P, Huang Y, Kaminker JS, Millburn GH, Prochnik SE, Smith CD, Tupy JL, Whitfied EJ, Bayraktaroglu L, Berman BP, Bettencourt BR, Celniker SE, de Grey AD, Drysdale RA, Harris NL, Richter J, Russo S, Schroeder AJ, Shu SQ, Stapleton M, Yamada C, Ashburner M, Gelbart WM, Rubin GM, Lewis SE: Annotation of the Drosophila melanogaster euchromatic genome: a systematic review. Genome Biol 2002,3(12):RESEARCH0083.

Jen CH, Michalopoulos I, Westhead DR, Meyer P: Natural antisense transcripts with coding capacity in Arabidopsis may have a regulatory role that is not linked to double-stranded RNA degradation. Genome Biology 2005.,6(6):

Wang XJ, Gaasterland T, Chua NH: Genome-wide prediction and identification of cis-natural antisense transcripts in Arabidopsis thaliana. Genome Biology 2005.,6(4):

Osato N, Yamada H, Satoh K, Ooka H, Yamamoto M, Suzuki K, Kawai J, Carninci P, Ohtomo Y, Murakami K, Matsubara K, Kikuchi S, Hayashizaki Y: Antisense transcripts with rice full-length cDNAs. Genome Biol 2003,5(1):R5.

Galante PAF, Vidal DO, de Souza JE, Camargo AA, de Souza SJ: Sense-antisense pairs in mammals: functional/evolutionary considerations. Geome Biology 2007.,8(R40): 10.1186/gb-2007-1188-1183-r1140

Tufarelli C, Stanley JA, Garrick D, Sharpe JA, Ayyub H, Wood WG, Higgs DR: Transcription of antisense RNA leading to gene silencing and methylation as a novel cause of human genetic disease. Nat Genet 2003,34(2):157-165.

Prescott EM, Proudfoot NJ: Transcriptional collision between convergent genes in budding yeast. Proc Natl Acad Sci USA 2002,99(13):8796-8801.

Hastings ML, Milcarek C, Martincic K, Peterson ML, Munroe SH: Expression of the thyroid hormone receptor gene, erbAalpha, in B lymphocytes: alternative mRNA processing is independent of differentiation but correlates with antisense RNA levels. Nucleic Acids Res 1997,25(21):4296-4300.

Lee JT, Davidow LS, Warshawsky D: Tsix, a gene antisense to Xist at the X-inactivation centre. Nat Genet 1999,21(4):400-404.

Shibata S, Lee JT: Characterization and quantitation of differential Tsix transcripts: implications for Tsix function. Human Molecular Genetics 2003,12(2):125-136.

Shibata S, Lee JT: Tsix transcription-versus RNA-based mechanisms in Xist repression and epigenetic choice. Current Biology 2004,14(19):1747-1754.

Sleutels F, Zwart R, Barlow DP: The non-coding Air RNA is required for silencing autosomal imprinted genes. Nature 2002,415(6873):810-813.

Thakur N, Tiwari VK, Thomassin H, Pandey RR, Kanduri M, Gondor A, Grange T, Ohlsson R, Kanduri C: An antisense RNA regulates the bidirectional silencing property of the Kcnq1 imprinting control region. Mol Cell Biol 2004,24(18):7855-7862.

Lewis A, Mitsuya K, Umlauf D, Smith P, Dean W, Walter J, Higgins M, Feil R, Reik W: Imprinting on distal chromosome 7 in the placenta involves repressive histone methylation independent of DNA methylation. Nat Genet 2004,36(12):1291-1295.

Peters NT, Rohrbach JA, Zalewski BA, Byrkett CM, Vaughn JC: RNA editing and regulation of Drosophila 4f-rnp expression by sas-10 antisense readthrough mRNA transcripts. Rna 2003,9(6):698-710.

Kim DDY, Kim TTY, Walsh T, Kobayashi Y, Matise TC, Buyske S, Gabriel A: Widespread RNA editing of embedded Alu elements in the human transcriptome. Genome Research 2004,14(9):1719-1725.

Aravin AA, Naumova NM, Tulin AV, Vagin VV, Rozovsky YM, Gvozdev VA: Double-stranded RNA-mediated silencing of genomic tandem repeats and transposable elements in the D. melanogaster germline. Curr Biol 2001,11(13):1017-1027.

Katiyar-Agarwal S, Morgan R, Dahlbeck D, Borsani O, Villegas A, Zhu JK, Staskawicz BJ, Jin HL: A pathogen-inducible endogenous siRNA in plant immunity. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 2006,103(47):18002-18007.

Borsani O, Zhu JH, Verslues PE, Sunkar R, Zhu JK: Endogenous siRNAs derived from a pair of natural cis-antisense transcripts regulate salt tolerance in Arabidopsis. Cell 2005,123(7):1279-1291.

Baulcombe D: RNA silencing. Trends Biochem Sci 2005,30(6):290-293.

Vazquez F: Arabidopsis endogenous small RNAs: highways and byways. Trends in Plant Science 2006,11(9):460-468.

Chen J, Sun M, Hurst L, Carmichael G, Rowley JD: Genome-wide analysis of coordinate expression and evolution of human cis-encoded sense-antisense transcripts. Trends in Genetics 2005,21(6):326-329.

Lu C, Tej SS, Luo S, Haudenschild CD, Meyers BC, Green PJ: Elucidation of the small RNA component of the transcriptome. Science 2005,309(5740):1567-1569.

Kasschau KD, Fahlgren N, Chapman EJ, Sullivan CM, Cumbie JS, Givan SA, Carrington JC: Genome-Wide Profiling and Analysis of Arabidopsis siRNAs. PLoS Biol 2007,5(3):e57.

Rajagopalan R, Vaucheret H, Trejo J, Bartel DP: A diverse and evolutionarily fluid set of microRNAs in Arabidopsis thaliana. Genes & Development 2006,20(24):3407-3425.

AtGenExpress[http://www.arabidopsis.org/info/expression/ATGenExpress.jsp]

GEO[http://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo]

Smyth GK: Limma: linear models for microarray data. In 'Bioinformatics and Computational Biology Solutions using R and Bioconductor'. Edited by: Gentleman R, Carey V, Dudoit S, Irizarry R, Huber W. Springer, New York; 2005:397-420.

Henz SR, Cumbie JS, Kasschau KD, Lohmann JU, Carrington JC, Weigel D, Schmid M: Distinct expression patterns of natural antisense transcripts in Arabidopsis. Plant Physiol 2007,144(3):1247-1255.

Gustafson AM, Allen E, Givan S, Smith D, Carrington JC, Kasschau KD: ASRP: the Arabidopsis Small RNA Project Database. Nucleic Acids Research 2005, 33: D637-D640.

Fahlgren N, Howell MD, Kasschau KD, Chapman EJ, Sullivan CM, Cumbie JS, Givan SA, Law TF, Grant SR, Dangl JL, Carrington JC: High-Throughput Sequencing of Arabidopsis microRNAs: Evidence for Frequent Birth and Death of MIRNA Genes. PLoS ONE 2007, 2: e219.

Lu C, Kulkarni K, Souret F, Muthuvalliappan R, Tej S, Poethig R, Henderson I, Jacobsen S, Wang W, Green P, Meyers B: MicroRNAs and other small RNAs enriched in the Arabidopsis RNA-dependent RNA polymerase-2 mutant. Genome Res 2006,16(10):1276-1288.

Llave C, Kasschau KD, Rector MA, Carrington JC: Endogenous and silencing-associated small RNAs in plants. Plant Cell 2002,14(7):1605-1619.

Margulies M, Egholm M, Altman WE, Attiya S, Bader JS, Bemben LA, Berka J, Braverman MS, Chen YJ, Chen Z, Dewell SB, Du L, Fierro JM, Gomes XV, Godwin BC, He W, Helgesen S, Ho CH, Irzyk GP, Jando SC, Alenquer MLI, Jarvie TP, Jirage KB, Kim JB, Knight JR, Lanza JR, Leamon JH, Lefkowitz SM, Lei M, Li J, Lohman KL, Lu H, Makhijani VB, McDade KE, McKenna MP, Myers EW, Nickerson E, Nobile JR, Plant R, Puc BP, et al.: Genome sequencing in microfabricated high-density picolitre reactors. Nature 2005,437(7057):376-380.

454[http://www.454.com]

Wang H, Chua N, Wang X: Prediction of trans-antisense transcripts in Arabidopsis thaliana. Genome Biol 2006, in press.

Gentleman R: Using {GO} for statistical analyses. In Compstat 2004 Proceedings in Computational Statistics. Edited by: Jaromir Antoch. Physica Verlag; 2004:171-180.

Emanuelsson O, Nielsen H, Brunak S, Heijne G: Predicting subcellular localization of proteins based on their N-terminal amino acid sequence. J Mol Biol 2000, 300: 1005-1016.

Voinnet O: Induction and suppression of RNA silencing: Insights from viral infections. Nature Reviews Genetics 2005,6(3):206-U201.

Katiyar-Agarwal S, Gao S, Vivian-Smith A, Jin H: A novel class of bacteria-induced small RNAs in Arabidopsis. Genes & Development 2007,21(23):3123-34.

Yamada K, Lim J, Dale J, Chen H, et al.: Empirical analysis of transcriptional activity in the Arabidopsis genome. Science 2003,302(5646):842.

Gowda M, Venu RC, Li H, Jantasuriyarat C, Chen S, Bellizzi M, Pampanwar V, Kim H, Dean RA, Stahlberg E, Wing R, Soderlund C, Wang GL: Magnaporthe grisea infection triggers RNA variation and antisense transcript expression in rice. Plant Physiology 2007,144(1):524-533.

Team RDC: R: A language and environment for statistical computing. R Foundation for Statistical Computing, Vienna, Austria. ISBN 3-900051-07-0.2006. [http://www.R-project.org]

Gentleman RC, Carey VJ, Bates DM, Bolstad B, Dettling M, Dudoit S, Ellis B, Gautier L, Ge Y, Gentry J, Hornik K, Hothorn T, Huber W, Lacus S, Irizarry R, Leisch F, Li C, Maechler M, Rossini AJ, Sawitzki G, Smith C, Smyth G, Tierney L, Yang JY, Zhang J: Bioconductor: open software development for computational biology and bioinformatics. Genome Biol 2004,5(10):R80.

Irizarry RA, Gautier L, Bolstad BM, Miller Cwcf, Astrand M, Cope LM, Gentleman R, Gentry J, Halling C, Huber W, MacDonald J, Rubinstein BIP, Workman C, Zhang J: affy: Methods for Affymetrix Oligonucleotide Arrays. 2006.

Berardini T, Mundodi S, Reiser L, Huala E, Garcia-Hernandez M, Zhang P, Mueller LA, Yoon J, Doyle A, Lander G, Moseyko N, Yoo D, Xu I, Zoeckler B, Montoya M, Miller N, Weems D, Rhee SY: Functional annotation of the Arabidopsis genome using controlled vocabularies. Plant Physiol 2004,135(2):745-755.

Consortium TGO: Gene Ontology: tool for the unification of biology. Nature Genetics 2000.,25(25–29):

Rhee S, Beavis W, Berardini T, Chen G, Dixon D, Doyle A, Garcia-Hernandez M, Huala E, Lander G, Montoya M, Miller N, Mueller LA, Mundodi S, Reiser L, Tacklind J, Weems DC, Wu Y, Xu I, Yoo D, Yoon J, Zhang P: The Arabidopsis Information Resource (TAIR): a model organism database providing a centralized, curated gateway to Arabidopsis biology, research materials and community. Nucleic Acids Res 2003,31(1):224-228.

Altschul SF, Madden TL, Schaffer AA, Zhang JH, Zhang Z, Miller W, Lipman DJ: Gapped BLAST and PSI-BLAST: a new generation of protein database search programs. Nucleic Acids Research 1997,25(17):3389-3402.

Efron B, Tibshirani RJ: An Introduction to the Bootstrap. Chapman and Hall, New York 1993.

Horan K, Lauricha J, Bailey-Serres J, Raikhel N, Girke T: Genome cluster database. A sequence family analysis platform for Arabidopsis and rice. Plant Physiol 2005, 138: 47-54.

Thông tin
Thông tin xuất bản

Springer Science and Business Media LLC

Tập 9

1-13

Thông tin tác giả