人类miRNA上游转录因子及下游靶基因的基因本体分析.doc

【论著】文章编号: 1005-376X( 2011) 08-0712-02人 类 miRNA 上游转录因子及下游靶基因的基因本体分析 朱文楠，习杨，吕湘，刘德培( 中国医学科学院北京协和医学院 基础医学研究所医学分子生物学国家重点实验室，北京100005)【摘要】 目的 研究人类 miRNA 转录因子及靶基因之间的相关关系。方法 利用生物信息学方法预测 miR-NA 的上游转录因子和下游靶基因，并对预测结果做基因本体分析，得到参与各生物学过程及分子功能的比例，用 统计学软件 PASW 做相关性分析。结果 人类 382 个 miRNA 参与应激、代谢、发育等 10 个生物学过程和行使转录 调控、翻译调控、催化活性等 12 个分子功能，miRNA 上游转录因子之间、下游靶基因之间以及上下游之间存在着广 泛的正负相关关系。结论 基因在参与生物学过程及行使分子功能的过程中，通过 miRNA 实现协同作用或隔离 效应。【关键词】 miRNA; 生物信息学; 基因本体【中图分类号】Q522【文献标识码】AGene ontology analysis of human miRNAs transcription factors and target genesZHU Wen-nan，XI Yang，LV Xiang，LIU De-pei( National Key Laboratory of Medical Molecular Biology，Institute of Basic Medical Sciences，Chinese Academy of MedicalSciences and Peking Union Medical College，Beijing 100005，China)【Abstract】 Objective To research the correlation between transcription factors and target genes of human miR- NAs Method Transcription factors and targets of miRNAs were predicted by bioinformatics tools Biological process data was got from the gene ontology analysis，and the correlation analysis was done by PASW Result 382 human miRNAs participated in 10 biological processes including response to stimulus，metabolism，development as well as 12 molecular functions including transcription regulation activity，translation regulator activity and catalytic activity There were positive and negative correlations within and between miRNAs upstream factors downstream targets Conclusion Genes of dif- ferent biological processes and molecular functions may have collaborative or antagonistic effect through miRNAs【Key words】 miRNA; Bioinformatics; Gene ontologyMicroRNA ( miRNA) 是 一 类 大 约 22 nt 的内源性小分子 RNA，通过与其下游基因 mRNA 的 3 UTR 区互补结合使之降 解或影响 mRNA 的翻译，实现对基因的转录后调控，在很多信 号通路如发育、分 化、增 殖、细胞凋亡中发挥着重要作 用1。 每个 miRNA 都受大量转录因子调控，也作用于众多的靶基 因，这样“转录因子 miRNA 靶基因”就形成了一个 较 为 复 杂的调控通路。本研究利用基因本体 ( Gene Ontology，GO) 数 据库2和 GOmir 工具3，在基因本体数据库中分别对 382 个 miRNA 的上游转录因子和下游靶基因进行生物学过程 ( Bio- logical Process，BP) 、分子功能( Molecular Function，MF) 和细胞 组分构成( Cellular Component，CC) 三个方面的聚类分析。域，用 TRANSFAC 数据库预测转录因子的结合情况。本研究统计了其中收录的 462 个人类 miRNA。miRNA 下游靶基因预测 使用 GOmir3 的 JTarget 工具1 3预测 miRNA 的靶基因。基因本体分析 用 GOmir3的 TAGGO 工具对预测成功1 4的 382 个 miRNA 进行上游转录因子和 下游靶基因的基因本 体分析，得到这两组基因的 BP、MF 及 CC 的分析结 果。由 于 CC 方面的实验数据不足，而且部分数据库内容是人工根据分 子功能数据推测得出的6，所以本研究主要关注 更 为 可 靠 的 BP 和 MF 数据的分析结果。1 5相关性分析 利用 PASW 软件对 miRNA 上游转录因子1材料与方法及下游靶基因的基因本体分析结果进行 Spearman 相关分析，P 值小于 0 05 认为有相关性。2 结果1 1 人类 miRNA 数据来源 在 miRBase 数据库中4 下载其收录的 人 类 940 个 miRNA，作 为 研究的总体数据。对 每 个 miRNA 的上游转录因子和下游靶基因分别进行预测，预测均 成功的 382 个 miRNA 进行后续分析。1 2 miRNA 上游转录因子的预测 miRGen5 数据库根据文 献报道的 miRNA，取转录起始位置上游5 kb到下游 1 kb 的区2 1miRNA 的上游转录因子和下游靶基因参与多个生物学过程和多种分子功能 基因本体分析发现 miRNA 的转录因子和靶基因参与到 10 类生物学过程( 见表 1) 及 12 类分子功 能( 见表 2) 。2 2 miRNA 上游转录因子及下游靶基因在生物学过程、分子 功能方面的关系 经过基因本体分析，得到 miRNA 的转录因 子及靶基因参与到每个生物学过程的百分比及具有各种分子【收稿日期】2011-04-06【作者简介】朱 文 楠 ( 1983-) ，女，硕 士 研 究 生，从 事 生 物 信 息 学 研 究，Email: wennanzhu 126 com; 刘 德 培，通 讯 作 者，Email: li-录因子之间、靶基因之间和转录因子 / 靶基因交互分析，相 关系数大于 0 时为正相关，表示两个分析对象的值总是同时升 高或降低，而相关系数小于 0 时为负相关，表示两个分析对象 的值呈现此消彼长的状 态。然后根据分析对象的不同，从 这 些显著 性 的 正 / 负相关关系中 选取几例进行具体分析，见 表 3。基因本体数据库编号生物学过程GO: 0016032GO: 0048511GO: 0032502GO: 0050896GO: 0065007GO: 0009987GO: 0008283GO: 0008152GO: 0051704GO: 0032501病毒复制节律过程 发育过程应激过程 生物调控细胞过程 细胞增殖代谢过程 多组织过程多细胞组织过程3讨论miRNA 及其上游转录因子、下游靶基因形成调控通路，在很多生物学过程中起着重要的作 用，同时也具有多种分子功 能。本研究通过基因本体 分 析 发 现: 在生物学过程和分子功 能两个方面，miRNA 上游转录因子之间、下游靶基因之间以及 上下游之间都存在相关性。首先，miRNA 上游转录因子之间在生物学过程方 面 存 在 正 / 负相关性。miRNA 的上游转录因子之间在某些 生 物 学 过 程中呈现正相关关系，表示 miRNA 倾向于同时受到多种转录表 2 基因本体分析中得到的分子功能条目基因本体数据库编号分子功能GO: 0005215GO: 0016247GO: 0009055GO: 0030234GO: 0005198GO: 0045182GO: 0003824GO: 0016530GO: 0016209GO: 0030528GO: 0060089GO: 0005488转运活性通道调控活性 电子运输活性酶调活性 结构分子活性翻译调控活性 催化活性金属伴侣活性 抗氧化活性转录调控活性 分子转运活性结合因子的调控，这些功能相关的转录因子通过调控相同的 miR-NA 作用于下游基因，实现了资源的高效利用。例如本研究中miRNA 上游参与“发育过程”和“代 谢 过 程”的转录因子之间 呈正相关( 表 3) ，表明发育过程伴随着代谢过程的改变，这两 类转录因子通过调控相同的 miRNA 实 现 协 同 作 用，与 文 献7报道: 在斑马鱼胚胎发育的不同阶段，体内的代谢组存在 明显差异的结论相一致。而转录因子之间的负相关关系，可 能是功能上比较独立的转录因子较少地共用 miRNA，而是通 过调节不同 miRNA 参与不同的生物学过程。表 3 miRNA 上游转录因子及下游靶基因的相关性分析举例分类相关性分析对象相关类型相关条目相关系数0 177a 0 291a0 193a 0 231a0 139a 0 128b0 155aBPMF BP BP BP BP MF转录因子 / 转录因子转录因子 / 转录因子 靶基因 / 靶基因靶基因 / 靶基因 转录因子 / 靶基因转录因子 / 靶基因 转录因子 / 靶基因正相关负相关 正相关负相关 正相关负相关 正相关发育过程 / 代谢过程转录活性 / 转运活性 应激过程 / 代谢过程代谢过程 / 节律过程 生物调控 / 发育过程应激过程 / 节律过程 结合 / 转录过程注: a P 0 01，b P 0 05。Science and Technology Publishing House，2004: 175-180 ( in Chi-nese)洪秀华 临床 微 生 物 学 检 验M 北 京: 中国医药科技出版社，2004: 175-1804LANGE C，CARDOSO M Molecular subtyping of Staphylococcus au- reus isolates from cases of bovine mastitis in BrazilJ Veterinary Mi- crobiol，67( 1999) : 127-1415JIANG Yu-jun，LI Yi-song，XIANG Li，et al RT-PCR detection of Staphylococcus aureus enterotoxin A geneJ J Northeast Agricult Univers，2009，40( 2) : 88-91 ( in Chinese)姜毓君，李一松，相丽，等 RT-PCR 检测金黄色葡萄球菌肠毒素 A基因J 东北农业大学学报，2009，40( 2) : 88-916WANG Ying-jie，WANG Chang-fa，CHEN Ying，et al Identification of coagulase gene of pathogenic Staphylococcus aureus bovine mastitis by PCRJ Biotechnol Bulletin，2008，5( 3) : 185-188 ( in Chinese)王英杰，王长法，陈营，等 PCR 扩增血浆凝固酶基因检测致 病 性 金黄色葡萄球菌J 生物技术通报，2008，5( 3) : 185-1887SHERIDAN G E C，MASTERS C I，SHALLCROSS J A，et al Detectionof mRNA by reverse transcription-PCR as an indicator of viability inEscherichia coli cellsJ Appl Environ Microbiol，1998，64( 4) : 1313-13188NANCY RIJPENS，GEERT JANNESB，LIEVE HERMAN MessengerRNA-based RT-PCR detection of viable SalmonellaJ Int Dairy J，2002，6( 12) : 233-2389WANG Shao-li，YU Jie，PANG Xiu-qin Early diagnosis and treatment of EndophthalmitisJ Chin Med J，2002，37 ( 11 ) : 37-39 ( in Chi- nese)王绍莉，于洁，庞秀琴 眼内炎的早期诊断与治 疗J 中 国 医 刊，2002，37( 11) : 37-3910FENG Shao-kun，LIANG Hao，SONG Shu-liang，et al The activity mechanism and modern application of Staphylococcal protein AJ Chem Life，2008，28( 6) : 748-751 ( in Chinese)逢少堃，梁浩，宋淑亮，等 葡萄球 菌 蛋 白 A 活性机制与现代应用 J 生命的化学，2008，28( 6) : 748-751确诊、药物敏感性试验、治疗反应监测、抗菌药选择提供指导。本实验所选择 的 spa 基因是一种与金葡菌致病力、毒 力 有关的基因，编码 SPA。它是从金葡菌细胞壁分离的一种蛋 白质，本身具有多种生物学作用，如在吞噬反应中 SPA 阻断了 调理素与吞噬细胞之间的作用。SPA 是一类锚定蛋白，能够 与多种宿主发生作用，很可能是金黄色葡萄球菌感染病的致 病因 子10。2007 年，KUMAR 等 研 究 表 明 SPA 为 一 致 病 因 子，其能够刺 激人角膜上皮细胞发生炎症反应。目 前 关 于 SPA 的完整序列测定已完成。选用 spa 基因作为目的基因具 有一定的特异性和临床意义。结果显示 Spa 的灵敏度 1 5 104 CFU / mL，对于达不到检测限的标本可以增菌后再检测，具 体增菌时间要示标本中细菌含量而定2。另外，RT-PCR 方法也存 在 一 些 问 题，如检出限低和假阳 性的问题。由于 RNA 抽 提 过 程 复 杂，对 材 料 要 求 高，提 取 量 少且容易降解，检出 限 较 常 规 PCR 方 法 相 对 低，因 此 如 何 提 高其检测限还有待进一步探索; TRNZOL 法提取 RNA 是基于 RNA 在水相中的 溶 解，手工操作过程中难免出现误差，还 有 DEPC-H2 O 配制不合 格 等 都 可 造 成 基 因 组 DNA 污 染 导 致 假 阳性结果出现。但该法能作为一种活菌检测方法，仍 然 具 有 较高推广价值。【参考文献】1GAO Zheng-qin，XING Hua，SUN Huai-chang，et al The cloning and sequencing assay of nuc gene of Staphylococcus aureus coding TnaseJ Shanghai Lab Animal Sci，2003，23( 1) : 3-6 ( in Chinese)高正琴，邢华，孙怀昌，等 金 黄色葡萄 球菌耐热核酸酶 nuc 基 因 的克隆和序列测定J 上海实验动物科学，2003，23( 1) : 3-62LI Shan-zhi，WU Qing-ping，ZHANG Ju-mei，et al Detection of v iableListeria monocytogenes with RT-PCR assayJ Chin J Health LabTechnol，2003，16( 6) : 641-643 ( in Chinese) 李善志，吴清平，张菊梅，等 RT-PCR 检测单核细胞增生李斯特活 菌研究J 中国卫生检验杂志，2003，16( 6) : 641-6433HONG Xiu-hua Clinical microbiologyM Beijing: China Medical檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭( 上接第 713 页) 子功能方面的“结合”转录因子与“转录”靶基因的正相关关系，转录因子通过识别 DNA 上特定的转录因子 结合位点结合到 DNA 上，调控基因的转录，使基因的转录调 控顺利进行10。总之，本研究通过基因本体分析中的生物学过程和分子 功能的分析，探讨了 miRNA 上游转录因子和下游靶基因之间 的相关性，其正相关关系表示: 转录因子、靶基因通 过 miRNA 实现了共同作用，使生物体内的调控过程高效完成; 而负相关 关系表示: 通过 miRNA 这一中间过程阻隔某些上游转录因子 对下游靶基因的影响。6) : S204GRIFFITHS JONES S，HARPREEF K S，STIJN V D，et al miRBase:tools for microRNA genomicsJ Nucleic Acids Res，2008，36 ( Suppl1) : D154-D1585ALEXIOU P，VERGOULIS T，GLEDITZSCH M，et al miRGen 2 0: a database of microRNA genomic information and regulationJ Nucleic Acids Res，2010，38( Suppl 1) : D137-D1416LU Z，HUNTER L Go molecular function terms are predictive of sub- cellular localizationJ Pac Symp Biocomput，2005，10 ( Suppl 1 ) :151-1617PAPAN C，CHEN L Metabol