A főemlősök transzkriptómjainak konzervált és újszerű jellemzőinek szekvenálásával történő megjegyzése

Absztrakt

A csimpánz agy- és májtranszkriptóma közelmúltbeli nagy áteresztőképességű szekvenálása publikálva Genombiológia több, az emberi genomban elveszett átiratot tár fel, és kiemeli a főemlős genom annotációinak hiányosságait.

főemlősök

Kutatási kiemelés

Az emberi genom kiteljesedését követte a szorosan rokon főemlős fajok - például a csimpánz és a rhesus makákó - genomjának szekvenálása. A motiváció egyszerű volt: mivel a genom biztosította a szervezet tervét, az emberi genom és a főemlősök genomjainak összehasonlításakor fel kell tárni az emberi fenotípus mögött rejlő genomi sajátosságokat.

Ennek a megközelítésnek az egyik problémája azonban az, hogy a genom valójában nem egy fenotípus tervrajza, hanem egy jól összekevert üzenet, amelyben a funkcionálisan releváns szekvenciák elvesznek a fenotípusosan semleges információk tengerében. A funkcionális szekvenciák azonosításának látszólag egyszerű módja az átírt régiók meghatározása. Ez azonban nem egyszerű feladat, mivel a transzkriptóm sejttípusonként nagyon változó, és a szervezet élettartama alatt drámai módon változik. Így az elmúlt évtizedben nagy erőfeszítéseket tettek az emberi transzkriptóm feljegyzésére, főleg a cDNS-könyvtárakká alakított transzkriptumok szekvenálásával hagyományos Sanger-szekvenálással. Ennek eredményeként világossá vált, hogy megfelelő szekvenálási lefedettség mellett szinte bármilyen genomiális szekvencia detektálható a transzkriptóma szintjén [1]. Ez nem teljesen meglepő, mivel az emberi gének gyakran tartalmaznak hosszú intronokat; ezenfelül az RNS-polimeráz képes spontán transzkriptumokat létrehozni, amelyeknek nincs funkcionális jelentőségük. Mégis, ez az eredmény azt mutatta, hogy a genom átírása és nem átírása részeként történő felosztása a funkcionalitás meghatározása érdekében nagyrészt hiábavaló.

Ezek a cDNS-szekvenálási projektek azt is kimutatták, hogy a legtöbb emberi gén határa, beleértve a transzkripció kezdő és befejező helyeit, valamint a belső exonok splicing mintáit, meglehetősen homályos [2–6]. Ezen túlmenően az azonosított transzkriptumok és gén izoformák közül sok ritkának bizonyult. Ez azonban nem jelenti azt, hogy ezek funkcionálisan lényegtelenek, mivel az ilyen átírásoknak fontos szerepük lehet a szövetek korlátozott számában vagy egy adott fejlődési szakaszban. Ezenkívül számos fontos szabályozó, például transzkripciós faktor alacsony szinten fejeződik ki. Ennek eredményeként a jelenlegi emberi transzkriptóm annotáció bizonyos kompromisszumot képvisel a bizalom és az átfogó viszony között, és különböző magabiztossággal azonosított átiratokat tartalmaz. Az ilyen annotáció összeállításának nehézségét legjobban a RefSeq, Ensembl, a Kaliforniai Egyetem Santa Cruzi (UCSC) Genom böngészője, a Vega Genome Browser és az emberi gének és transzkriptumok integrált adatbázisa (H-Invitational Database) közötti különbségek szemléltetik. ): az egyik átlagos átfedést 60-70% között talál, összehasonlítva e két annotációs adatbázis bármelyikét.

A funkcionálisan releváns átiratok meghatározásának másik módja az, hogy megköveteli, hogy az adott transzkriptum expressziója fajonként konzervált legyen. Alternatív megoldásként, ha érdekelnek az emberi fenotípus szempontjából fontos lokuszok, azonosítani lehetne az emberspecifikus transzkripciós profilú régiókat. A főemlősök transzkriptóm annotációja azonban alapvetően nem létezik, és ami jelen van, teljes egészében az emberi annotáció feltérképezésén alapul a megfelelő főemlős genomokon. Mivel maga az emberi transzkriptóm annotáció korántsem teljes körű, és a nem főemlős genomok minősége sokkal rosszabb, mint az emberi genom minősége, az ilyen feltérképezésen alapuló annotációk nem problémamentesek. És ami a legfontosabb, annak ellenére, hogy ez a módszer lehetővé teheti az emberben jelen lévő és más főemlősökben hiányzó átiratok azonosítását, nem teszi lehetővé az emberi származásból elveszett átiratok azonosítását.

Ezek a megállapítások [7] súlyt adnak az emberi evolúció „kevesebb több” hipotézisének, feltételezve, hogy az emberre jellemző sajátosságok némelyike ​​nem új genetikai elemek megszerzésével, hanem a korábban létező funkciók elvesztésével alakult ki. Ez a Cavelier és munkatársai tanulmánya [7] egyértelműen azt mutatja, hogy az átírt régiók emberspecifikus elvesztése nem korlátozódik az annotált fehérjét kódoló génekre, hanem gyakori az intergenikus transzkriptumok és a nem kódoló RNS között. Ez a megállapítás jól egyezik az emberi és a csimpánz agy transzkriptómjainak korábbi, csempézett tömbök [8], az expresszált címkék nagy áteresztőképességű szekvenálása [9] és a teljes transzkriptómok nagy áteresztőképességű szekvenálása [10] alkalmazásával végzett korábbi tanulmányokkal jelzik, hogy az emberspecifikus transzkripciógyarapodás és -vesztés nagy része a még nem jegyzett genomi régiókból származik. A jelenlegi feladat tehát ezen új átiratok funkcionális tulajdonságainak feltárása, ha léteznek ilyenek.

Fontos, hogy a tanulmány [7] felhívja a figyelmet a nem emberi főemlősök genom annotációjának rossz állapotára. Emberekben a nagy áteresztőképességű szekvenálási technológia alkalmazása a transzkriptóm vizsgálatokban már a géntranszkript izoformák sokkal nagyobb változatosságát tárta fel, mint azt korábban felismerték [2, 3]. A nem emberi főemlősökben, például a csimpánzokban és a rhesus makákókban mind az ismert genomszekvencia információ, mind különösen a genom annotációk sokkal rosszabb állapotban vannak, mint az embereké. Cavelier és munkatársai tanulmánya [7] egyértelműen szemlélteti, hogy az emberi és nem főemlős-transzkriptómok gondos jellemzése nagyszámú, az emberre jellemző genetikai és transzkripciós változást tárhat fel. E változások némelyike ​​felelős lesz az emberspecifikus jellemzők fejlődéséért, mint például a főtt, rendkívül tápláló étrendhez való alkalmazkodás, valamint az egyedülálló társadalmi és kognitív képességek. Az egyedülálló emberi jellemzők mögött álló genetikai elemek megtalálása nemcsak az emberi evolúció megértése, hanem az anyagcsere- és kognitív rendellenességeket eredményező diszfunkcióik megelőzése szempontjából is fontos.

A nagy áteresztőképességű szekvenálás módszertanának legújabb fejleményei hatékony eszközöket nyújtanak számunkra, amelyek segítségével a teljes transzkriptómokat többféle szövetben és sejttípusban jellemezhetjük a főemlős fajokon keresztül, ami az emberre jellemző transzkriptóm jellemzőinek átfogó azonosítását eredményezi. Cavelier és munkatársai [7] munkája az első bátor lépés ebbe az irányba.

Hivatkozások

ENCODE Projekt Konzorcium, Birney E, Stamatoyannopoulos JA, Dutta A, Guigó R, Gingeras TR, Margulies EH, Weng Z, Snyder M, Dermitzakis ET, Thurman RE, Kuehn MS, Taylor CM, Neph S, Koch CM, Asthana S, Malhotra A, Adzhubei I, Greenbaum JA, Andrews RM, Flicek P, Boyle PJ, Cao H, Carter NP, Clelland GK, Davis S, N nap, Dhami P, Dillon SC, Dorschner MO és mtsai: Funkcionális elemek azonosítása és elemzése az emberi genom 1% -ában az ENCODE kísérleti projekt segítségével. Természet. 2007, 447: 799-816. 10.1038/nature05874.

Wang ET, Sandberg R, Luo S, Khrebtukova I, Zhang L, Mayr C, Kingsmore SF, Schroth GP, Burge CB: Alternatív izoform szabályozás az emberi szövet transzkriptómokban. Természet. 2008, 456: 470-476. 10.1038/nature07509.

M szultán, Schulz MH, Richard H, Magen A, Klingenhoff A, Scherf M, Seifert M, Borodina T, Soldatov A, Parkhomchuk D, Schmidt D, O'Keeffe S, Haas S, Vingron M, Lehrach H, Yaspo ML: A génaktivitás és az alternatív splicing átfogó áttekintése az emberi transzkriptóm mély szekvenálásával. Tudomány. 2008, 321: 956-960. 10.1126/tudomány.1160342.

Trapnell C, Williams BA, Pertea G, Mortazavi A, Kwan G, van Baren MJ, Salzberg SL, Wold BJ, Pachter L. Nat Biotechnol. 2010, 28: 511-515. 10.1038/nbt.1621.

Tian B, Pan Z, Lee JY: Az intronokban elterjedt mRNS-poliadenilációs események dinamikus kölcsönhatást jeleznek a poliadenilezés és a splicing között. Genome Res. 2007, 17: 156-165. 10.1101/gr.5532707.

Carninci P, Sandelin A, Lenhard B, Katayama S, Shimokawa K, Ponjavic J, Semple CA, Taylor MS, Engstrom PG, Frith MC, Forrest AR, Alkema WB, Tan SL, Plessy C, Kodzius R, Ravasi T, Kasukawa T, Fukuda S, Kanamori-Katayama M, Kitazume Y, Kawaji H, Kai C, Nakamura M, Konno H, Nakano K, Mottagui-Tabar S, Arner P, Chesi A, Gustincich S, Persichetti F és mtsai: Genom-wide az emlős promoter felépítésének és evolúciójának elemzése. Nat Genet. 2006, 38: 626-635. 10.1038/ng1789.

Wetterbom A, Ameur A, Feuk L, Gyllensten U, Cavelier L: Új exonok és átírt régiók azonosítása csimpánz transzkriptóma szekvenálással. Genome Biol. 2010, 11: R78-10.1186/gb-2010-11-7-r78.

Khaitovich P, Kelso J, Franz H, Visagie J, Giger T, Joerchel S, Petzold E, Green RE, Lachmann M, Paabo S: Az intergenikus transzkripció funkcionalitása: evolúciós összehasonlítás. PLoS Genet. 2006, 2: e171-10.1371/journal.pgen.0020171.

Babbitt CC, Fedrigo O, Pfefferle AD, Boyle AP, Horvath JE, Furey TS, Wray GA: Mind a nem kódoló, mind a fehérjét kódoló RNS-ek hozzájárulnak a prímás agy gén expressziójának evolúciójához. Genome Biol Evol. 2010, 2010: 67-79. 10,1093/gbe/evq002.