成熟mRNA与其内含子序列的相互作用机制

发布时间：2017-12-14 07:08

  本文关键词：成熟mRNA与其内含子序列的相互作用机制

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【摘要】：随着许多模式生物全基因组测序工作的完成,目前已获得了大量的序列信息,通过分析这些序列发现在整个序列中编码序列只占很小的部分,绝大部分是非编码序列,而这些非编码序列所蕴含的生物学信息和具有的生物学功能还很少为人知晓。一些研究结果显示这些非编码序列在生命活动中可能起着十分重要的作用。探究其具有的生物学意义已成为生物信息学研究的热点课题。内含子作为一类非编码RNA与编码序列一起转录。证据表明,内含子序列与相应的mRNA序列存在相互作用,对基因表达有重要作用。基于这一理论,我们采用Smith-Waterman局域比对方法给出内含子序列与对应mRNA序列的最佳匹配片段,分别分析了它们在mRNA序列上和内含子序列上的F值分布和最佳匹配片段的特征,并对相互作用机制进行了探讨。1.剪接后的内含子与相应mRNA序列之间存在序列匹配关系,它们参与基因的表达和调控过程。为了揭示两者之间的序列匹配特征,基于线虫全基因组基因序列和其核糖核蛋白基因序列,采用Smith-Waterman局域比对方法得到外显子连接序列与相应内含子序列的最佳匹配片段,分析了外显子连接序列上的F值分布。发现：1)连接点两侧匹配频率分布有明显的差异,显示出了外显子的边界。最佳匹配片段的平均长度和配对率分布与siRNA和miRNA的结合特征相同。2)第一内含子和长内含子在外显子连接序列上的分布偏好与其他内含子有明显区别。3)对第一内含子和长内含子而言,高GC含量、富含CG和高λCG值的最佳匹配片段在外显子连接序列上表现出明显的偏置,在外显子上游EJC结合区域的匹配频率出现极小值分布。结果表明：EJC和内含子在与外显子序列结合的过程中存在相互竞争和相互协作的关系,内含子序列与编码序列是协同进化的,通过相互作用完成应有的功能。2.将27个物种的核糖核蛋白RNA序列与相应内含子序列进行局域比对,获得mRNA序列上各个位点的配对频率。然后对mRNA序列长度进行标准化(归一),给出mRNA序列上相对位点匹配强度随其长度的分布。分析各类编码序列(成熟mRNA序列、蛋白编码序列、外显子连接序列、5'连接序列和3'连接序列)上最佳匹配区域分布的规律。我们发现,在mRNA序列上,UTR区与内含子存在较强的相互作用。在编码序列上存在多个最佳匹配区域和低配区域,推测这些低配区域可能是蛋白质复合体的结合区域。在mRNA功能位点附近,如翻译起始、翻译终止位点、外显子连接位点及EJC区域,最佳匹配频率分布有明显的不同。研究表明,基因的表达调控是由mRNA、内含子和结合蛋白因子三者之间形成的网络调控关系决定的。通过内含子和结合蛋白的调控决定mRNA的高级结构、协助mRNA出核、调节mRNA翻译等过程。各种分析结论均支持内含子与mRNA之间存在相互作用的论点。3.与上述方法相似,同样基于27个物种的核糖核蛋白基因为研究对象,我们对内含子序列不做统一的标准化,首先,将内含子按照长度进行分组,然后与相应的mRNA序列进行局域比对,获得最佳匹配片段在内含子序列上各个位点匹配强度分布。结果表明,随着内含子序列长度的增加,内含子序列上的分布逐渐由一个峰过度到两个峰甚至多个峰分布。内含子的5'区域或第一个结构单元是成熟序列,而3'区域是未成熟区或是正在演化的区域,内含子的长度进化进程是从5'端开始的向着3'端进行的,新生单元是从内含子3'端一段一段加上去的,给出了内含子长度演化的一种可能的机制。内含子上的结构单元长度为60bp,而两个结构单元间的连接序列的长度确实变化的。结论表明,不同长度的内含子在调控mRNA序列结构方面是不同的。同时也揭示了内含子的结构和长度的进化特征。4.我们以13个物种的第1号染色体基因组为研究对象,采用Smith-Waterman算法进行局域比对,获得mRNA序列和相应内含子序列之间的最佳匹配片段。分析mRNA序列上最佳匹配片段序列特征及匹配频率的分布规律,并分析这种相互作用分布的普适性。发现,最佳匹配片段的平均长度和配对率分布与siRNA和miRNA的结合特征相同；在mRNA序列上,UTR区与内含子存在较强的相互作用,低GC片段倾向与3'UTR区作用,而高GC片段倾向结合到5'UTR区；翻译起始位点和翻译终止位点可以被识别通过它们的最佳匹配频率分布。结论表明,最佳匹配片段的序列特征符合RNA-RNA相互作用的一般规律,内含子应该是一类调控基因表达的功能片段。在完成运转和翻译过程中,mRNA序列与内含子序列的相互作用充分考虑了结合蛋白的位置。内含子与结合蛋白在与mRNA结合存在竞争和协作机制。内含子序列与成熟mRNA序列相互作用方式可以调节mRNA的结构、指导mRNA出核。总之,本文主要提出了一个基本理论：成熟mRNA序列与相应的内含子序列存在相互作用。分析了这两类序列相互作用的最佳匹配频率分布规律和最佳匹配片段的序列特征,得到了一些很有创新意义的结果。该研究对于辨析内含子的功能具有重要的生物学意义。
【学位授予单位】：内蒙古大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：Q75

【参考文献】

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本文编号：1286986