拟南芥核基因组与大麦叶绿体基因组RNA编辑的鉴定与分析

摘要

RNA编辑是指DNA转录形成RNA过程中碱基发生改变的现象，其可能发生于RNA转录过程或者前体RNA转录后加工过程，一般以后者为主。RNA编辑通过对转录本的再修饰，丰富了基因表达方式，直接或间接地调节了基因表达水平，是丰富遗传信息、参与生命活动调控的重要方式。基于高通量测序的RNA-Seq技术的发展和各种生物信息工具的研发使得大规模鉴定基因组中的RNA编辑事件成为可能，但目前相关研究主要集中在人类和模式动物中，在植物领域的研究还比较少。鉴于此，本研究以拟南芥核基因组和大麦叶绿体基因组为研究对象，在检索、收集大量的RNA-Seq数据的基础上，利用RES-Scanner软件对拟南芥核基因组和大麦叶绿体基因组的RNA编辑事件进行了系统的预测与鉴定分析，以期初步明确植物核基因组和细胞器基因组RNA编辑的组成和特征，为进一步开展植物RNA编辑的生物学功能研究奠定基础。主要取得了如下结果： （1）利用拟南芥生殖生长阶段的84个转录组数据，以拟南芥基因组为参考，共鉴定到26,231个RNA编辑位点；经过去冗余和注释后得到1,886个unique位点；各染色体长度和该染色体上的转录本数目与RNA编辑事件的数目成正比；在拟南芥核基因组中，绝大多数的RN A编辑发生在C DS区域（1468；77.84%），此外intro n区域（178；9.44%）、3’UTR（123；6.52%）、5’UTR（105；5.57%）以及ncRNA区域（12；0.64%）也存在一定的编辑位点，但是C DS区域以及外显子区域内RN A编辑事件的发生频率在拟南芥不同发育时期有所不同，组织活跃度高的时期或样本，其基因编码区的RNA编辑事件频率也越高。 （2）拟南芥核基因组RNA编辑的特征分析发现，共存在12种碱基突变模式，其中四种为优势类型，分别为：G->A、C->T、T->C和A->G；进一步对这四种优势编辑类型所在位点上下游10nt碱基进行碱基偏好性分析发现，嘌呤间编辑和嘧啶间编辑的碱基偏好性并不相同；CDS区域内的RNA编辑导致1,514个密码子发生了变化，其中有759个同义编辑，733个非同义编辑，还有22个stop-ga in类型的无义编辑；非同义编辑主要改变了编码蛋白的序列信息，而对氨基酸疏水性的影响较小；对stop-ga in和非同义编辑相关基因进行GO富集发现，这些基因主要富集于物质代谢与能量运输，参与了对拟南芥生殖生长阶段生命活动的调控。 （3）对RNA编辑引起的序列变化的生物学功能进行初步分析，发现拟南芥3’UTR区域内的RN A编辑事件使原有的miRN A-mRN A对发生了变化。其中，5个位于miRN A结合区域内的RN A编辑事件导致3个miRN A结合区域失效；位于结合区域外的RN A 编辑事件新形成9个miRNA-mRNA对，这直接影响了miRNA对ACA1、HPR、UBP24、CUE1、AT1G02150等基因的表达，表明RNA编辑通过影响miRNA和mRNA的结合，间接调控基因表达水平。此外，拟南芥5’UTR区域内有6个编辑位点发生在Kozak序列中，其中5个编辑位点对翻译不利，对应转录本表达量均有降低。 （4）利用16个大麦叶转录组，采用上述流程，对大麦叶绿体基因组总的RNA编辑进行了分析。结果共鉴定到422个大麦叶绿体RNA编辑事件，经过去冗余和注释后得到106个uniq ue位点，其中101个为新鉴定到的；这些编辑位点中，77个位于C DS区域，3个位于intro n区域，26个位于基因间隔区域；位于基因区的80个编辑位点分布于37个基因中。大麦叶绿体RNA编辑事件共9种编辑类型，其中C->T占有绝对的数量优势。

目录

声明

第一章 文献综述

1. 1. 1 测序技术的发展

1. 1. 2 转录组测序技术

1. 1. 3 链特异性RNA-seq测序

1.2.1 RNA编辑的发现

1.2.2 RNA编辑的机制和特征

1. 2. 3 基于二代测序技术的RNA编辑位点检测

1. 3 研究目的及意义

第二章 拟南芥核基因组RNA编辑的鉴定与分析

2. 1 试验数据

2. 2 试验方法

2. 2. 1 试验数据的预处理

2.2.2 RNA编辑事件识别和鉴定

2.2.3 RNA编辑位点的注释

2.2.4 RNA编辑类型的确定

2. 2. 5 基因表达水平的定量方法

2. 3 结果与分析

2.3.1 RNA编辑事件在染色体上的分布

2.3.2 RNA编辑事件在基因组上的分布

2.3.3 RNA编辑事件的编辑类型和序列特征分析

2.3.4 RNA编辑事件对氨基酸的潜在影响

2.3.5 RNA编辑事件对miRNA的潜在影响

2.3.6 RNA编辑事件对mRNA翻译效率的潜在影响

2. 4 讨论

第三章 大麦叶绿体基因组RNA编辑的鉴定与分析

3. 1 试验数据

3. 2 试验方法

3. 3 结果与分析

3. 4 讨论

第四章 结论

参考文献

附录

附录 A 试验涉及的Python 脚本

致谢

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