灵芝天然反义转录本与环状RNA的发现及其关联性研究

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灵芝(Ganoderma lucidum(Fr.)Karst)，是灵芝科（Ganodermataceae）灵芝属(Ganoderma)中的一种药用真菌，具有抗肿瘤、抗氧化、抑菌和增强免疫力等药理活性。由于灵芝具有重要的药用和经济价值，培育其优良品种和改善其药用品质一直以来是研究热点。非编码RNA(non-coding RNA，ncRNA)在编码蛋白基因表达的各个水平发挥着重要的作用。本文利用链特异性转录组(strand specific RNA-seq，ssRNA-seq)数据，结合前期对灵芝基因间区长链非编码RNA(long intergenic non-coding RNA，lincRNA)的工作基础，对灵芝天然反义转录本（Natural Antisense Transcripts，NATs）和环状RNA(circular RNA,circRNAs)进行了系统地发现，并对NATs和circRNAs之间的相互作用进行了深入地分析，主要研究结果如下: (1)NATs生物信息学分析流程的建立。基于perl编程语言及第三方生物信息学分析软件，结合ssRNA-seq数据建立了NATs生物信息学分析流程—NATs-finder。该分析流程包括三个分析模块，分别用以发现:顺式天然反义转录本(cis-NATs)、反式天然反义转录本（trans-NATs）以及非编码的cis-NATs和trans-NATs。 (2)灵芝NATs的发现及功能解析。利用NATs-finder生物信息学分析流程，在灵芝菌丝、原基和子实体三个发育阶段样品的ssRNA-seq数据中发现了1613条cis-NATs和244条trans-NATs。并以25对与灵芝生长发育、次级代谢产物生物合成具有紧密关联的正义—反义转录本对（Sense-Antisese-Transcripts，SATs）作为主要研究对象，利用链特异性荧光定量PCR(strand specific RT-qPCR，ssRT-qPCR)实验手段检测SATs在三个发育阶段样品中的相对表达量，发现60％转录本的检测结果与在ssRNA-seq数据中的检测结果相一致（Pearson correlation coefficient，r≥0.9）;其次，88％SATs表达谱间的相关性具有显著性差异(p≤0.01)，且15对SATs表达谱间的r≥0.8，4对SATs的r≤-0.8。600条正义转录本（Senese Transcripts，STs）被映射到409个GO terms，14个GO terms为显著性富集，其中4个GO terms的特异性富集具有显著性差异(q＜0.05)。168个STs被映射到196条KEGG Pathways中，65条Pathways为显著性富集，其中5条Pathways的特异性富集具有显著性差异(q＜0.05)。根据STs的功能富集、SATs表达谱间的相关性等分析结果，本文推断NATs极有可能对参与灵芝木质素降解途径中的乙醇氧化酶(Alocohol oxidase)、乙醛乙醇氧化酶（Aryl Alcohol oxidase，AAO）、纤维素二糖脱氢酶(cellobiose dehydrogenase，CDH)等关键酶具有显著的调控作用。（3)灵芝circRNAs的发现及功能解析。在RNase R和lncRNA两种建库方法的ssRNA-seq数据中分别发现2193和250个灵芝circRNAs。并以在RNase R建库方法获得的ssRNA-seq数据中发现的具有表达的的外显子来源circRNAs(exonic circRNAs)作为主要分析内容:在总计发现的731个exonic circRNAs中，挑选出10个与灵芝生长发育紧密相关的候选exonic circRNAs进行实验验证，5个候选exonic circRNAs被PCR扩增出目的条带，其中3个候选exonic circRNAs被Sanger测序证实具有反式剪接位点(back-spliced sites)。177个exonic circRNAs在灵芝菌丝、原基和子实体三个发育阶段间的差异表达较为显著(q＜0.05)，119个exoniccircRNAs(16.3％)与源基因表达谱间的相关性为显著的正相关(r≥0.9，q＜0.01)，而226个exonic circRNAs(30.9％)与源基因表达谱间的相关性为显著的负相关(r≤-0.9，q＜0.01)。731个exonic circRNAs对应561个源基因，其中380个源基因被映射到335个GO terms中，64个GO terms为显著性富集(q＜0.05)，其中37个GO terms的特异性富集具有显著性差异(q＜0.05)。192个源基因被映射到208条KEGG Pathways，73条KEGG Pathways为显著性富集，其中28条KEGG Pathways的特异性富集具有显著性差异(q＜0.05)。由源基因的功能富集及源基因与exonic circRNAs表达谱间的相关性等研究结果显示:exonic circRNAs对灵芝三萜类合成MVA途径中的戊二酰辅酶A(glutaryl coenzyme A)、多糖类合成途径中的GTP结合蛋白Rho1(GTP-binding protein rho1)均具有显著地调控作用。 (4)灵芝源基因与NATs、circRNAs的互作分析。源基因、cis-NATs与exonic circRNAs之间具有多种相互作用关系:exonic circRNAs可抑制cis-NATs，进而降低cis-NATs对源基因的正调控;exonic circRNAs也可与cis-NATs发生协同作用，共同抑制或者促进源基因的表达，且源基因与cis-NATs、exonic circRNAs之间的相互作用与源基因和cis-NATs的构象关系、三者之间的对应关系等密切相关。另外，由源基因的功能富集分析结果显示:cis-NATs和exonic circRNAs对参与灵芝氧化还原反应、次级代谢产物生物合成等相关的源基因具有显著的调控作用。本文的研究结果不仅填补了灵芝NATs和circRNAs的研究空白，更为研究参与灵芝生长发育和次级代谢产物生物合成的编码蛋白基因的调控作用开辟了新的道路。

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作者
邵俊杰;
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作者单位

北京协和医学院;

中国医学科学院;

清华大学医学部;

北京协和医学院中国医学科学院;

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授予单位北京协和医学院;中国医学科学院;清华大学医学部;北京协和医学院中国医学科学院;
学科生药学
授予学位博士
导师姓名刘昶;
年度 2018
页码
总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类动物医学（兽医学）;家畜;
关键词
灵芝; 转录本; 环状; RNA;

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