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普遍等位基因特异性RNA降解

真核基因的表达是通过多个步骤调控的,而RNA转录及其衰减这两种相反的生物过程之间的平衡决定了RNA转录本的细胞丰度(Garneau et al, 2007;Dolken等人,2008;Schwanhausser等人,2011;Rabani等人,2011,2014)。尽管迄今为止大多数关于RNA表达调控的研究都只关注于转录,但最近的研究清楚地证明了RNA衰减的重要作用(Raghavan et al ., 2002;Hao & Baltimore, 2009;Schwanhausser等人,2011;Rabani等人,2011,2014)。通常,在对外部或内部刺激作出反应时,RNA衰减率可以迅速改变,以调整RNA水平,无论是否有转录变化(Raghavan et al ., 2002;郝与巴尔的摩,2009)。这种调控是由RNA转录本内的顺式调控元件与可扩散反转录因子(包括RNA结合蛋白(RBPs))和调控RNA(如microRNAs)之间的相互作用介导的。在过去的几十年中,已经鉴定出了一些顺式元素(Caput et al, 1986;邵逸夫与卡门,1986;夏等人,1996;Bartel,2004;Mendell等人,2004;Vlasova等人,2008年;更重要的是,影响顺式结构的遗传变异往往会改变RNA的衰变速率,并导致病理表型(Rodningen et al, 1998;夏等人,1998;Wang等人,2008;Puimege等人,2015;Khabar,2017;Patel等人,2017)。

RNA表达的变化是驱动同一物种个体间表型多样性(Albert & Kruglyak, 2015)和不同物种间进化差异(Necsulea & Kaessmann, 2014)的主要因素之一。这种变化可能是由影响转录或衰变的遗传变异引起的。然而,由于以往的研究大多只分析了遗传变异对稳态RNA表达水平的影响,他们无法区分对转录的影响和对衰减的影响,因此无法阐明潜在的调控机制。为了解决这个问题,Gilad和Pritchard实验室分析了70个约鲁巴半抗原淋巴母细胞细胞系中16000多个基因的个体特异性mRNA衰减率,并以15%的错误发现率(Pai et al, 2012)鉴定出31个具有显著顺式rna衰减定量性状位点(rdQTLs)的基因。为了提高检测能力,他们将重点放在已经鉴定为稳态表达QTLs (eQTLs)的单核苷酸多态性(SNPs)上(Pai et al, 2012)。在1,257个eQTLs中,195个eQTLs与mRNA衰减率的变化显著相关。有趣的是,在关节QTLs中,在55%的情况下,稳态水平衰减程度越高的等位基因衰减越慢,其余45%在稳态表达和RNA衰减之间表现出相反的等位基因偏置模式。

一种更直接的估算顺式调控对RNA降解影响的方法是比较F1杂交RNA转录本的等位基因特异性衰减率(doril - bachash et al, 2011, 2012;Andrie等人,2014)。这些等位基因转录本受到相同的跨调控环境的影响,因此观察到的等位基因差异应反映顺式调控差异的影响。最近,一些研究已经调查了不同遗传多样性酵母株之间F1杂交后代的等位基因特异性mRNA衰减率(Dori-Bachash et al ., 2011, 2012)的差异(Dori-Bachash et al ., 2011, 2012);Andrie等人,2014)。值得注意的是,在所有的F1杂交酵母研究中,超过80%的基因在mRNA衰减(ASD)中存在明显的等位基因偏差,它们的等位基因特异性mRNA衰减和等位基因特异性RNA表达偏向于相反的等位基因,这表明RNA转录和RNA衰减之间存在普遍的代偿效应。在酵母中观察到的这种代偿效应(>80%)远高于上述人类rdQTLs研究(Pai et al, 2012)中观察到的(45%)。与酵母等单细胞生物相比,具有不同器官和细胞类型的多细胞生物需要更复杂的基因调控。因此,这种不同的观察可能反映了酵母与哺乳动物基因表达的不同进化模式。然而,也可能是由于这些研究的不同设计(QTLs和F1混合)。为了最终解决这个问题,有必要对多细胞物种(如哺乳动物)的等位基因特异性RNA衰变模式进行全基因组分析。

在此,为了在全球范围内研究顺式调控发散对哺乳动物RNA衰变的影响,我们在两种自交系小鼠的F1杂交中对ASD进行了定量分析,这两种小鼠分别是:Mus musculus C57BL/6J (BL6)和Mus spretus SPRET/EiJ (SPRET)。这两个鼠标株分化∼150万年前,导致∼3540万个snp和∼450万插入和删除(indels)之间基因组(Dejager等,2009;基恩等人,2011年)。如此高的序列差异使我们能够明确地确定大量测序reads的等位基因来源,从而能够精确地测量数千个基因的ASD。总的来说,在8,815个有足够数据精确量化ASD的基因中,我们确定了621个(7.0%)具有明显顺式分化的基因。与无等位基因偏倚的基因相比,ASD分化的基因序列变异密度较高。系统分析与偏见等位基因的序列特征衰减透露,miRNA-binding网站在3′未翻译区(utr)和当地的RNA二级结构在这两个编码区和3′utr可能影响RNA衰变。最后,通过调查ASD的角色allele-specific RNA丰度(ASA),我们表明,一方面,观察到的ASA差异主要是由RNA转录(AST)等位基因的差异,另一方面,大多数(> 80%)的基因显著ASD并未表现出显著的亚撒,表明在哺乳动物进化过程中,AST和ASD之间存在普遍的代偿效应,表明RNA衰减率的变化可以作为稳定RNA丰度的重要手段。

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