[论文解读] Characteristics Of Intronic And Intergenic Human Mirnas And Features Of Their Interaction With Mrna

Assel Issabekova, Olga Berillo+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 24, 2011

MicroRNA in disease regulation参考文献 44被引用 6

一句话总结

本研究通过计算方法预测并表征了51个人类癌基因中的miRNA结合位点，发现5'UTR和CDS区域的miRNA位点密度显著高于3'UTR。利用RNAHybrid和自定义脚本，识别出三种相互作用类型——5'-主导的典型配对、3'-补偿性配对和完全互补配对，表明内含子miRNA不会靶向其宿主基因的mRNA，而基因间和内含子miRNA在胃肠道癌通路中表现出不同的调控关联。

ABSTRACT

Regulatory relationships of 686 intronic miRNA and 784 intergenic miRNAs with mRNAs of 51 intronic miRNA coding genes were established. Interaction features of studied miRNAs with 5'UTR, CDS and 3'UTR of mRNA of each gene were revealed. Functional regions of mRNA were shown to be significantly heterogenous according to the number of binding sites of miRNA and to the location density of these sites.

研究动机与目标

• 鉴定并表征与胃肠道癌和乳腺癌相关的癌基因在5'UTR、CDS和3'UTR区域中的miRNA结合位点。
• 确定基因间（ig-miRNA）、内含子（in-miRNA）和外显子（ex-miRNA）miRNA的结合位点分布与密度。
• 研究miRNA:mRNA相互作用的结构与能量特征，包括种子区域依赖性和补偿性机制。
• 探讨编码miRNA的基因与其靶mRNA之间在癌症相关通路中的调控关联。
• 利用热力学自由能（ΔG/ΔGm）和统计显著性（p < 0.0005）验证miRNA结合位点的功能相关性。

提出的方法

• 使用miRBase和GenBank检索人源（Homo sapiens，GRCh37.2）的miRNA和mRNA序列。
• 应用miRNAFinder 2.2将miRNA分类为基因间、内含子或外显子来源。
• 采用RNAHybrid 2.1预测miRNA:mRNA结合位点，包括位置、结合自由能（ΔG）和相互作用类型。
• 开发E-RNAhybrid脚本，基于miRNA长度计算ΔG/ΔGm比值（最大结合能的百分比）、p值和等效系数。
• 将位点密度计算为每1000个核苷酸中的位点数（s/l），分别针对5'UTR、CDS和3'UTR区域。
• 设定显著性阈值为p < 0.0005，并使用GC含量和miRNA长度（以21 nt为基准）对预测结果进行归一化处理。

实验结果

研究问题

• RQ1 在癌基因mRNA的5'UTR、CDS和3'UTR区域中，miRNA结合位点密度最高的位置在哪里？
• RQ2 内含子miRNA（in-miRNA）是否调控其宿主基因mRNA的表达？
• RQ3 在人类癌基因中，miRNA:mRNA相互作用机制的主导类型是什么（例如，5'-主导、3'-补偿性、完全互补）？
• RQ4 基因间和内含子miRNA如何在癌症相关基因之间构建调控网络？
• RQ5 miRNA长度和GC含量在决定结合位点特异性和可靠性方面起什么作用？

主要发现

• 5'UTR的miRNA位点密度是CDS的2.6倍，是3'UTR的2.8倍，51个癌基因中，CDS区域有53.1%的位点，5'UTR区域有15.8%的位点。
• 内含子miRNA（in-miRNA）与宿主基因mRNA无显著结合，表明不存在自调控。
• 30.8%的miRNA位点位于5'UTR，53.1%位于CDS，31.1%位于3'UTR，挑战了miRNA调控主要由3'UTR驱动的假设。
• 每条mRNA平均拥有6个miRNA结合位点，in-miRNA比ig-miRNA每条mRNA多19%的结合位点。
• 识别出三种不同的相互作用类型：5'-主导的典型配对（种子区域依赖）、3'-补偿性配对和完全互补配对，所有miRNA区域均对结合能（ΔG/ΔGm）有贡献。
• 22 nt长度和50–55% GC含量的miRNA最为普遍，且等效系数可提高非21 nt miRNA的预测准确性。