[논문 리뷰] 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|2007. 10. 23.

MicroRNA in disease regulation참고 문헌 61인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 열역학적 및 구조적 공통 원칙을 도입하여 44개 종에서 79.4%의 정확도로 성숙한 miRNA의 위치와 구조를 예측한다. 이는 열역학적 및 구조적 특성의 종 간 보존성을 바탕으로 하며, 보존된 miRNA 하위군을 규명하고, 동물과 식물에서의 종 특이적 성숙 메커니즘을 드러내며, 서열 보존을 초월한 새로운 물리화학적 규칙이 miRNA 가공을 규명하는 데 기여한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 다양한 종의 miRNA 전구체에서 보존된 열역학적 및 구조적 특성을 규명하기 위해.
• 기능적 애너테이션에 의존하지 않고도 일반화 가능한 방법을 개발하여 성숙한 miRNA의 위치와 구조를 예측하기 위해.
• 서열 보존을 초월한 miRNA 성숙의 진화적 및 물리화학적 원리를 규명하기 위해.
• Drosha 절단 부위 위치에 대한 기존 가정을 도전하기 위해 더 보존된 구조적 지표를 드러내기 위해.
• 보존된 구조적 및 열역학적 프로파일을 바탕으로 동물과 식물에서의 miRNA 성숙에 대한 새로운 기계적 모델을 제안하기 위해.

제안 방법

• 기능적 입력 없이, miRBase 항목을 기능적 하위군으로 분류하기 위해 miRNA의 종 간 열역학적 및 이차 구조 보존성을 적용한다.
• 2780개 유전자의 44개 종에서 약 22bp의 성숙한 miRNA 서열을 전구체 구조에서 79.4%의 정확도로 예측하는 학습 기반 알고리즘을 개발한다.
• 예측 신뢰도를 향상시키기 위해 공통 열역학적 및 구조적 프로필과 가장 잘 맞는 비최적의 RNA 이차 구조를 사용한다.
• 성숙한 miRNA의 위치를 줄기-고리 중심과 단일가닥 RNA 尾에 대해 정규화하여 종 간 보존된 구조적 랜드마크를 식별한다.
• pri-miRNA 줄기-고리 구조를 분석하여 동물과 식물 계통 간 성숙한 miRNA 위치 패턴을 비교한다.
• 비교 게놈학과 열역학적 프로파일링을 활용하여 miRNA 가공에 대한 진화적 제약 조건을 추론한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 동물과 식물 종의 miRNA 전구체에서 보존된 열역학적 및 구조적 특성들은 무엇인가?
• RQ2 miRNA의 종 간 열역학적 및 구조적 보존성을 어떻게 활용하여 성숙한 miRNA의 위치와 서열을 예측할 수 있는가?
• RQ3 Drosha 절단 부위 위치는 보편적으로 보존되는가, 아니면 더 강력한 구조적 지표가 존재하는가?
• RQ4 어떤 구조적 및 열역학적 프로필이 보존된 miRNA의 기능적 하위군을 정의하는가?
• RQ5 동물과 식물에서 보존된 구조적 및 열역학적 패턴을 바탕으로 새로운 miRNA 성숙 메커니즘이 어떻게 제안되는가?

주요 결과

• 이 방법은 44개 종의 2780개 유전자에서 성숙한 miRNA 서열에 대해 79.4%의 예측 정확도를 달성하여, 성숙한 miRNA에 대한 종 간 일반화된 예측이 처음으로 이루어졌다.
• 보존된 열역학적 및 구조적 특성 덕분에 기능적 애너테이션 없이도 miRBase 항목을 기능적으로 구분된 하위군으로 분류할 수 있었다.
• 성숙한 miRNA와 줄기-고리 중심 사이의 거리, 줄기 길이로 정규화한 값은 동물에서 Drosha 절단 부위 위치보다 더 보존된 구조적 특성이다.
• 식물에서는 단일가닥 RNA 尾까지의 정규화된 거리가 절단 부위 위치보다 더 보존된 구조적 랜드마크이다.
• 보존된 열역학적 및 구조적 프로파일을 바탕으로 동물과 식물에서 서로 다른 두 가지 기계적 성숙 메커니즘이 드러났으며, 이는 가능성이 갱신된 메커니즘일 수 있다.
• 열역학적 및 구조적 특성의 보존은 miRNA 성숙과 밀접하게 연결되어 있어, 처리 효율성과 특이성의 근본적인 물리화학적 기초를 시사한다.