普通高等教育 “十三五”规划教材 生物信息学 Bioinformatics 非编码RNA 01/29, 2019 邵朝纲、陈铭

1.细胞内的RNA类群 非编码RNA的分类 1.形状和长短 ：环状RNA，线性RNA（短非编码RNA和长非编码RNA） Ming Chen’s Group of Bioinformatics @College of Life Science, Zhejiang University 1.细胞内的RNA类群 非编码RNA的分类 1.形状和长短 ：环状RNA，线性RNA（短非编码RNA和长非编码RNA） 2.细胞内的分布：核仁小RNA，核小RNA，细胞质小RNA，Cajal小体 3. 功能和表达特征：看家ncRNA, 调节ncRNA, 看家和调节ncRNA

2. 非编码RNA的识别 理论预测 实验检测 已知ncRNA 提取特征，进行搜索 Ming Chen’s Group of Bioinformatics @College of Life Science, Zhejiang University 2. 非编码RNA的识别 理论预测 已知ncRNA 提取特征，进行搜索 snoScan, snoGPS, tRNAScan, mirScan, RNAz, RNAmotif 等软件 实验检测 构建ncRNA的cDNA文库，克隆测序 分离纯化ncRNA直接测序 全基因组tiling array芯片技术

获得ncRNA相关的一组基因和其它互作因子（miRNA等） 基于ncRNA 序列，预测与其他RNA或蛋白的结合 Ming Chen’s Group of Bioinformatics @College of Life Science, Zhejiang University 3.非编码RNA的功能预测 通过互作、共表达、共定位 获得ncRNA相关的一组基因和其它互作因子（miRNA等） 功能富集 收集功能注释数据和相关性数据 建立编码-非编码网络，划分功能模块 赋予模块内ncRNA 功能 基于ncRNA 序列，预测与其他RNA或蛋白的结合 根据已知因子，推测ncRNA 功能 相关预测平台：noncode, ChIPBase, starBase, LncRNADisease, DIANA-LncBase等

4.非编码RNA的编码潜能 lncRNA circRNA 2015年，发现骨骼肌特异表达lncRNA 编码46氨基酸的微肽（MLN） Ming Chen’s Group of Bioinformatics @College of Life Science, Zhejiang University 4.非编码RNA的编码潜能 lncRNA 2015年，发现骨骼肌特异表达lncRNA 编码46氨基酸的微肽（MLN） 2016年，发现另LncRNA ,编码微肽DWORF,可增强ATP酶SERCA活性。 circRNA Circ-ZNF609编码蛋白，参与肌肉发生 果蝇大脑中也发现大量circRNA编码蛋白质或多肽 常规ORF预测方法和标准实验方法容易忽略小于100氨基酸的微肽 核糖体测序（Ribo-seq）技术发现越来越多的ncRNA具有编码潜力 mRNA与ncRNA界限变得模糊，可能需要重新定义。

5. 非编码RNA的注释 NONCODE数据库：http://www.noncode.org/ Ming Chen’s Group of Bioinformatics @College of Life Science, Zhejiang University 5. 非编码RNA的注释 NONCODE数据库：http://www.noncode.org/ 17个物种ncRNA信息（人、小鼠、牛、大鼠、鸡、果蝇、斑马鱼、线虫、酵母、拟南芥、黑猩猩等） ncRNA 定位、序列、表达谱、外泌体表达谱、保守信息、功能预测、疾病关联、RNA结构，以及Blast分析和LncRNA鉴定

6. 1 miRNA （1）内源性21-25 nt 小RNA （2）前体具有发夹结构 （3）通过与Ago蛋白结合，特异性调控基因的表达。 Ming Chen’s Group of Bioinformatics @College of Life Science, Zhejiang University 6. 1 miRNA （1）内源性21-25 nt 小RNA （2）前体具有发夹结构 （3）通过与Ago蛋白结合，特异性调控基因的表达。 （4）动物（a）和植物（b）miRNA的生物合成路径 （5）植物中， miRNA与靶基因互补性高，指导AGO蛋白切割靶基因mRNA；动物中互补性低，主要引起靶基因mRNA翻译抑制。 （6）一个miRNA可以调控多个靶基因，一个基因也可以被多个miRNA调控。

6.2 miRNA的生物信息学分析方法 （1）获取miRNA 的序列信息： Ming Chen’s Group of Bioinformatics @College of Life Science, Zhejiang University 6.2 miRNA的生物信息学分析方法 （1）获取miRNA 的序列信息： miRNA 权威数据库：miRBase (http://www.mirbase.org/） 21.0版，涵盖223物种，包含28645条miRNA发夹前体，35828条成熟miRNA。

(2) miRNA 新基因的预测和鉴定 前体具有典型的发夹结构 能找到miRNA/miRNA*二聚中间体 在AGO蛋白中富集 Ming Chen’s Group of Bioinformatics @College of Life Science, Zhejiang University (2) miRNA 新基因的预测和鉴定 前体具有典型的发夹结构 能找到miRNA/miRNA*二聚中间体 在AGO蛋白中富集 Dicer 或DCL1酶加工依赖性

(3) miRNA 靶基因的预测和鉴定 种子序列的互补性 序列保守性 热动力学因素 位点的可结合性 UTR碱基分布 Ming Chen’s Group of Bioinformatics @College of Life Science, Zhejiang University (3) miRNA 靶基因的预测和鉴定 种子序列的互补性 序列保守性 热动力学因素 位点的可结合性 UTR碱基分布 miRNA与靶基因组织分布的相关性

Ming Chen’s Group of Bioinformatics @College of Life Science, Zhejiang University 植物miRNA靶基因的预测工具 miRU和改进版psRNATarget（http://plantgrn.noble.org/psRNATarget/）

植物中基于降解组的miRNA靶基因的鉴定 Ming Chen’s Group of Bioinformatics @College of Life Science, Zhejiang University 植物中基于降解组的miRNA靶基因的鉴定 （miRNA 结合到靶基因上，在结合位点中间切割靶基因，该切割峰可被降解组探测到） miRNA psRNATaget prediction Target candidates target-plot (degradome) Targets

从miRBase下载ath-miR173-5p序列（UUCGCUUGCAGAGAGAAAUCAC） Ming Chen’s Group of Bioinformatics @College of Life Science, Zhejiang University 拟南芥ath-miR173-5p 靶基因鉴定示例 从miRBase下载ath-miR173-5p序列（UUCGCUUGCAGAGAGAAAUCAC） psRNATarget预测靶基因（5个）

Ming Chen’s Group of Bioinformatics @College of Life Science, Zhejiang University 拟南芥ath-miR173-5p 靶基因鉴定示例 3. 通过链接，提取靶基因序列，将归一化处理的降解组数据（TWF_summary) 匹配到该序列上，保留完全匹配的降解组序列和该序列的读数，并记录该降解组序列在靶基因序列上匹配的5'端位置 靶基因AT2G27400.1降解组匹配结果

4. 以靶基因位置信息为X轴，5'匹配到该位置上降解组序列的读数为Y轴，作T-plot散点图，根据信噪比，寻找特异切割峰 Ming Chen’s Group of Bioinformatics @College of Life Science, Zhejiang University 拟南芥ath-miR173-5p 靶基因鉴定示例 4. 以靶基因位置信息为X轴，5'匹配到该位置上降解组序列的读数为Y轴，作T-plot散点图，根据信噪比，寻找特异切割峰 靶基因的降解组t-plot图

5.（1） ath-miR173-5p在靶基因AT2G27400.1上预测的结合位置：367-388 Ming Chen’s Group of Bioinformatics @College of Life Science, Zhejiang University 拟南芥ath-miR173-5p 靶基因鉴定示例 5.（1） ath-miR173-5p在靶基因AT2G27400.1上预测的结合位置：367-388 （2）理论切割位点 ： miRNA结合区域的中间（从miRNA 5’端数过来第10-11nt之间）， 即在靶基因的378和379之间发生切割。 （3）实际切割位点：降解组在靶基因上发现特异切割位点 379 （表明 378和379之间被特异切割），与预测完全吻合。 （4）证明 ath-miR173-5p的确可以调控靶基因AT2G27400.1

动物miRNA靶基因的预测工具 预测软件 特点 网址 targetScan Ming Chen’s Group of Bioinformatics @College of Life Science, Zhejiang University 动物miRNA靶基因的预测工具 预测软件 特点 网址 targetScan 基于靶mRNA序列的进化保守等特征搜寻动物的microRNA靶基因，是预测microRNA靶标假阳性率较低的软件。 http://www.targetscan.org/ PicTar 基于microRNA或microRNA靶标联合作用等特征开发的搜寻动物的microRNA靶基因。假阳性率也较低。 http://pictar.mdc-berlin.de/ Tarbase 一个收集已被实验验证的microRNA靶标数据库。 http://microrna.gr/tarbase/ starBase 一个高通量实验数据CLIP-Seq（或称为HITS-CLIP）和mRNA降解组测序数据支持的microRNA靶标数据库,整合和构建多个流行的靶标预测软件的交集和调控关系，假阳性率也较低。 http://starbase.sysu.edu.cn/

7.1 circRNA的合成 circRNAs形成的四种途径 剪接体依赖的环化途径 b. 内含子配对驱动的环化途径 Ming Chen’s Group of Bioinformatics @College of Life Science, Zhejiang University 7.1 circRNA的合成 circRNAs形成的四种途径 剪接体依赖的环化途径 b. 内含子配对驱动的环化途径 套索驱动的环化途径 c. 蛋白因子结合环化途径

7.2 circRNA的功能 cicrRNAs的5种生物学功能 Ming Chen’s Group of Bioinformatics @College of Life Science, Zhejiang University 7.2 circRNA的功能 cicrRNAs的5种生物学功能

7.3 circRNA在线数据库和分析软件 deepBase v2.0 Ming Chen’s Group of Bioinformatics @College of Life Science, Zhejiang University 7.3 circRNA在线数据库和分析软件 预测软件 特点 网址 deepBase v2.0 包含了大约15万的circRNA基因（人、鼠、果蝇、线虫等），构建了最全面的circRNA的表达图谱。 http://deepbase.sysu.edu.cn/ circBase 收集和整合已经发布的circRNA数据构建的数据库。 http://www.circbase.org/ CircNet 提供了新circRNAs的鉴定；整合circRNA-miRNA-mRNA的互作网络；circRNA亚型的表达水平；circRNA亚型的基因组注释；circRNA亚型的序列。 http://circnet.mbc.nctu.edu.tw/ Circ2Traits 是一个收集与疾病或性状相关的circRNA数据库。 http://gyanxet-beta.com/circdb

Ming Chen’s Group of Bioinformatics @College of Life Science, Zhejiang University 8. ta-siRNA 一. TAS 基因和某些蛋白编码基因被特殊的miRNA切割后，可以合成ta-siRNA , 发挥miRNA类似的基因调控功能 二、合成激发机理 1. One-hit 模型: (1）22-nt miRNA激发, AGO1 miRNA173----TAS1a/b/c, TAS2 miRNA828----TAS4 （2） 不对称的miRNA/miRNA*激发 2. Two-hit模型: 21-nt miRNA激发，2个结合位点，AGO7 miRNA390---TAS3a/b/c

9. piRNA （1）piRNA : 哺乳动物生殖细胞和干细胞 （2）Piwi亚家族蛋白结合，形成piRNA复合物，调控基因沉默 Ming Chen’s Group of Bioinformatics @College of Life Science, Zhejiang University 9. piRNA （1）piRNA : 哺乳动物生殖细胞和干细胞 （2）Piwi亚家族蛋白结合，形成piRNA复合物，调控基因沉默 （3）配子发生，维持生殖系和干细胞，调节翻译和mRNA的稳定性

Ming Chen’s Group of Bioinformatics @College of Life Science, Zhejiang University 10. 其它小分子RNA siRNA：一种小RNA分子（21-25核苷酸），由Dicer（RNAase Ⅲ家族中对双链RNA具有特异性的酶）加工双链RNA（dsRNA）而成。siRNA是siRISC（RNA-induced silencing complex-RISC）的主要成员，激发与之互补的目标mRNA的沉默。 tmRNA：是一类具有类似tRNA和mRNA分子双重功能的小分子RNA，识别翻译或读码有误的核糖体，也识别那些延迟停转的核糖体，介导这些有问题的核糖体的崩解。 snoRNA: 核仁小RNA, 指导rRNA，snRNA或tRNA前体中特定核苷2’-O-核糖甲基化修饰与假尿嘧啶化修饰的功能, 部分参与rRNA前体的加工剪切。 snRNA: 小核RNA, 真核生物转录后加工过程中RNA剪接体（spilceosome）的主要成分，参与mRNA前体的加工过程。

非编码RNA的种类？ 非编码RNA的功能？ miRNA的生物信息学分析 总结 Ming Chen’s Group of Bioinformatics @College of Life Science, Zhejiang University 总结 非编码RNA的种类？ 非编码RNA的功能？ miRNA的生物信息学分析

谢谢！ 非编码RNA 浙江大学生命科学学院 生物信息学实验室 http://bis.zju.edu.cn Ming Chen’s Group of Bioinformatics @College of Life Science, Zhejiang University 非编码RNA 谢谢！ 浙江大学生命科学学院 生物信息学实验室 http://bis.zju.edu.cn