大数据挖掘揭示遗传变异在神经精神疾病转录后调控中的重要作用

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遗传变异赋予生命信息时遵循由DNA转录为RNA,再翻译为行使功能的蛋白质的中心法则。自发现以来,转录调控一直是基因表达领域的主要研究对象,然而转录后调控对RNA的成熟和翻译起到了至关重要的作用。转录形成的原初转录物须经过一系列的加工,才能转变成具有功能的成熟mRNA,从而作为蛋白质翻译的模板。在mRNA的加工成熟过程中,可通过各种不同的机制来调节控制基因表达种类和数量,可根据自身生长发育的需要实现遗传信息的选择性表达。而不同基因型携带的遗传信息也在转录后调控中起到影响调控效率的作用,从而产生不同的生物表型。在整个转录后调控过程中,遗传变异可以通过以下机制实现基因型到表型的信息传递:RNA二级结构、RBP结合、RNA甲基化和小RNA调节等。而转录后调控中的某一个调控机制被遗传变异改变时会引发其余调控机制的串联反应,如遗传变异诱导的RNA二级结构的改变可以改变RBPs的结合,RBP结合(如RNA甲基化酶的结合)的改变可以改变RNA甲基化的形成,而RNA甲基化的形成又可以进一步改变RNA二级结构。整个转录后调控就像一个网络,每一种调控机制在其中都起到了重要作用,而遗传变异的发生将可能对整个转录后调控网络产生巨大影响,或可导致生理现象的改变和复杂疾病的形成。  由于RNA结合蛋白可以通过RNA二级结构实现更大范围的特异性结合,因此,能改变RNA结构的单核苷酸变异(SNVs),也称为RiboSNitches,较相同的DNA序列,在RNA上表现出大于三倍的局部结构变化。同时研究证明在成千上万的位置(包括3 UTRs、小RNA和RBP的结合位点)上,RiboSNitches的损耗可能导致特定RNA形状的改变。然而,转录后调控和SNVs之间的互作网络尚不清楚。因此,我们开发了RBP-Var数据库(RBP-mediated Variants database),在数据库网页(http://www.rbp-var.biols.ac.cn/)上免费提供参与转录后交互作用和调控的功能变异体的注释。RBP-Var提供了一个易于使用的web接口,允许用户快速找到感兴趣的SNVs是否可以改变RNA二级结构和识别RBPs的结合随后是否可能会被中断。RBP-Var集成了DNA和RNA生物学,并用于解释各种基因变异和转录后调节机制如何配合起来调控基因的表达。总之,RBP-Var在选择进一步功能研究的候选SNVs和探索人类疾病相关SNVs潜在的因果关系上具有重要应用。  神经精神疾病主要是以表现在神经系统病变、行为、心理活动紊乱的一组疾病,主要分为神经疾病与精神疾病。与年龄无关的神经和精神疾病(包括精神分裂症、自闭症、癫痫、双相情感障碍、强迫症、抑郁症、注意缺陷/多动障碍等其他类似疾病)共同对社会产生了巨大负担。经过多年的集中研究,研究人员正在稳步推进了这些疾病的遗传学基础研究。反过来,这种进步推动、发展以及描述了新的体内体外疾病模型。目前,科研团体相当擅长鉴定在进化意义上有害的变异,但不是很擅长判定这些变异的信息是否是致病的。这种脱节直接造成了孟德尔疾病数据库中假阳突变的沉重负担。  为了探索神经精神疾病相关突变在转录后调控中的作用,我们在目前所有可得核心家系外显子或全基因组测序研究中,从六种神经精神疾病(自闭症、癫痫、智力障碍、脑发育缺陷、神经发育缺陷和精神分裂症)中收集了包括未发病姐妹对照在内的9772个核心家系数据,涵盖了44146个新生突变。我们对这些突变进行了多种软件的功能损害预测,并对预测结果进行全面的比较分析,发现我们开发的转录后调控注释系统RBP-Var可以鉴定出更多有功能作用的有害突变或风险基因。比较六种神经精神疾病中的转录后有害突变发现,虽然只有一个基因是六种神经精神疾病共有的转录后风险基因,但是我们发现98个候选基因存在于三种以上疾病中,显著高于随机情况,暗示这些疾病的转录后分子通路和调控机制具有很大的共性。对这些转录后风险基因进行转录后网络分析发现,208个风险基因突变位点被多个重要的RBP调控,并且这些被RBP调控的风险基因的功能富集主要是胆碱突触、胃酸分泌和轴突引导等。  总之,对神经精神疾病的新生突变,使用注释系统RBP-Var分析发现神经精神疾病转录后调控中存在重要的调控RBPs和调控网络,我们的研究为神经精神疾病的药物开发和精准医疗提供了新的基因靶标和分子通路。
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