[論文レビュー] Thermodynamic and structural consensus principle predicts mature miRNA location and structure, categorizes conserved interspecies miRNA subgroups, and hints new possible mechanisms of miRNA maturization

Molei Tao|ArXiv.org|Oct 23, 2007

MicroRNA in disease regulation参考文献 61被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、44種における成熟miRNAの位置と構造を予測するための熱力学的および構造的コンSENSUS原理を提示する。79.4%の正確性を達成し、熱力学的および構造的特徴の種間保存性に依拠する。miRNAの保存されたサブグループを同定し、動物および植物における種特異的な成熟メカニズムを明らかにし、配列保存性を超えた新たな物理的法則がmiRNA処理を支配することを示唆する。

ABSTRACT

Although conservation of thermodynamics is much less studied than of sequences and structures, thermodynamic details are biophysical features different from but as important as structural features. As a succession of previous research which revealed the important relationships between thermodynamic features and miRNA maturization, this article applies interspecies conservation of miRNA thermodynamics and structures to study miRNA maturization. According to a thermodynamic and structural consensus principle, miRBase is categorized by conservation subgroups, which imply various functions. These subgroups are divided without the introduction of functional information. This suggests the consistency between the two processes of miRNA maturization and functioning. Different from prevailing methods which predict extended miRNA precursors, a learning-based algorithm is proposed to predict ~22bp mature parts of 2780 test miRNA genes in 44 species with a rate of 79.4%. This is the first attempt of a general interspecies prediction of mature miRNAs. Suboptimal structures that most fit the consensus thermodynamic and structural profiles are chosen to improve structure prediction. Distribution of miRNA locations on corresponding pri-miRNA stem-loop structures is then studied. Existing research on Drosha cleavage site is not generally true across species. Instead, the distance between mature miRNA and center loop normalized by stem length is a more conserved structural feature in animals, and the normalized distance between mature miRNA and ss-RNA tail is the counterpart in plants. This suggests two possibly-updating mechanisms of miRNA maturization in animals and plants. All in all, conservations of thermodynamics together with other features are shown closely related to miRNA maturization.

研究の動機と目的

• 多様な種にわたるmiRNA前駆体における保存された熱力学的および構造的特徴を同定すること。
• 機能的アノテーションに依存しない、一般化可能な成熟miRNAの位置および構造を予測する手法を開発すること。
• 配列保存性を超えたmiRNA成熟の背後にある進化的および物理的原則を解明すること。
• Drosha切断部位の位置が普遍的に保存されているという従来の仮定に挑戦し、より保存された構造的指標を明らかにすること。
• 保存された構造的および熱力学的プロファイルに基づいて、動物および植物におけるmiRNA成熟の新たなメカニズム的モデルを提唱すること。

提案手法

• miRNAの熱力学的および二次構造の種間保存性を応用し、機能的入力なしにmiRBaseエントリを機能的サブグループに分類する。
• 学習ベースのアルゴリズムを構築し、44種の2780遺伝子において、前駆体構造から約22 bpの成熟miRNA配列を79.4%の正確性で予測する。
• コンSENSUS熱力学的および構造的プロファイルに最も適合する部分最適なRNA二次構造を用いることで、予測の信頼性を向上させる。
• 成熟miRNAの位置をヘリックスの中心および単鎖RNAテールに対して正規化し、種間で共通する構造的ランドマークを同定する。
• pri-miRNAヘリックス構造の解析を通じて、動物および植物の系統における成熟miRNA位置パターンを比較する。
• 比較ゲノミクスおよび熱力学的プロファイルを用いて、miRNA処理における進化的制約を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 多様な動物および植物種にわたるmiRNA前駆体において、どのような熱力学的および構造的特徴が保存されているか？
• RQ2 miRNAの熱力学的および構造的特徴の種間保存性を活用して、成熟miRNAの位置および配列を予測する方法は何か？
• RQ3 Drosha切断部位の位置は普遍的に保存されているのか、それともより頑健な構造的指標があるのか？
• RQ4 どのような構造的および熱力学的プロファイルが保存されたmiRNAの機能的サブグループを定義するか？
• RQ5 動物と植物における保存された構造的および熱力学的パターンから、miRNA成熟の新たなメカニズムが示唆されるか？

主な発見

• 本手法は、44種の2780遺伝子において成熟miRNA配列を79.4%の正確性で予測し、成熟miRNAの一般化された種間予測として初めての成果を達成した。
• 保存された熱力学的および構造的特徴により、事前の機能的アノテーションなしにmiRBaseエントリを機能的に異なるサブグループに分類できた。
• 成熟miRNAとヘリックス中心との距離をヘリックス長で正規化した値は、動物においてDrosha切断部位の位置よりもより保存された構造的特徴である。
• 植物においては、単鎖RNAテールからの正規化された距離が、切断部位の位置よりもより保存された構造的ランドマークである。
• 本研究は、保存された熱力学的および構造的プロファイルに基づき、動物および植物における2つの異なる、おそらく更新されたmiRNA成熟メカニズムを明らかにした。
• 熱力学的および構造的特徴の保存はmiRNA成熟と密接に関連しており、処理の効率性および特異性に根本的な物理的基盤があることを示唆している。