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.

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1 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

2 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

3 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

4 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

5 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。

6 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： 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

7 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。

8 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 ( 21.0版，涵盖223物种，包含28645条miRNA发夹前体，35828条成熟miRNA。

9 (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

10 (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

11 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（

12 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

13 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）

14 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AT2G 降解组匹配结果

15 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

16 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AT2G 上预测的结合位置： （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AT2G

17 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。 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。 Tarbase 一个收集已被实验验证的microRNA靶标数据库。 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。

18 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

19 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

20 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。 circBase 收集和整合已经发布的circRNA数据构建的数据库。 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。 Circ2Traits 是一个收集与疾病或性状相关的circRNA数据库。

21 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 miRNA TAS1a/b/c, TAS2 miRNA 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

22 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

23 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。

24 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

25 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