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文献解读 | Science:Direct RNA测序揭示相邻基因转录调节转录异构体的长度和表达

从头构建基因组的设计原则

 

基因及其侧翼调控区的序列特征是RNA转录异构体表达的决定因素,在合成生物学中被用作上下文无关的即插即用模块。然而,包括相邻基因转录在内的遗传环境也会影响转录异构体的表达水平和长度。作者通过随机重组的合成酵母菌株,系统地研究序列和遗传背景的影响。通过分析612个基因组微小变异中的1.2亿个全长reads,鉴定到相邻基因的转录可以影响基因的表达和转录异构体长度。并通过预测这些改变转录环境的特征,设计了一个合成回路。该研究揭示了位置背景可以在合成基因组工程中发挥作用。

 

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文章标题:Transcriptional neighborhoods regulate transcript isoform lengths and expression levels

发表杂志:Science(IF=47.728)

发表日期:2022.3.4

 

主要研究结果

 

合成酵母基因组创造遗传多样性

作者设计了一个编码依赖Cre系统的合成酵母基因组,可以产生随机基因组重排。在Cre重组酶诱导后,loxPsym位点可以在任意方向发生重组,产生重复、缺失、倒位和易位事件(图1A)。从合成酵母中分离出64株菌株,包含612个新的连接,这些连接是由通常分离的基因组片段并置形成(图1A)。

 

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图1 基因组重排改变转录异构体的表达水平和长度

 

分别以64个synIXR SCRaMbLE菌株、亲本菌株(-SCRaMbLE,JS94),以及携带synIXR不重排和两株野生型(WT)酿酒酵母作为对照,使用Oxford Nanopore Direct RNA测序,产生近1.2亿个全长reads,共鉴定到264,899个转录本。

比较direct RNA-seq和TIF-seq鉴定到的转录本异构体,二者相关性良好,但是direct RNA-seq鉴定的多顺反子异构体数量增加了60%,表明direct RNA-seq可以更好地检测长RNA。

 

基因组重排影响转录异构体的表达

与-SCRaMbLE菌株相比,SCRaMbLE菌株中鉴定到50个基因产生的3228种不同的Isoform。这些Isoform与TSS改变(1313种亚型)、TES改变(2378种亚型)或两端同时改变(2736种亚型)有关。

 

在所有的reads中,TSS和TESs的位置在重排基因的变化显著大于在其天然环境中的基因(图1B)。基因重排也会影响其表达水平。作者使用Illumina测序进行基因表达定量,发现新环境中的基因表达倾向于下降(图1C)。

 

为了系统地量化SCRaMbLE后转录组中转录单元(TU)的变化,作者计算了每个菌株中每个TU长读长表达谱与WT表达谱的余弦相似性。证实了重排产生的新连接与WT的相似性明显低于天然连接(图1D)。例如,编码YIR018W的CDS出现在SCRaMbLE菌株JS710的三种不同基因组背景中,改变了YIR018W 的Isoform及其表达水平(图1E)。

 

如果3′UTR序列起到即插即用模块的作用,当与不同的CDS耦合时,它们将产生相同的TES位置。然而,在所有3′UTR中,只有一个维持了与对照菌株相同的TES定位(图2A)。

 

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图2 Isoform长度受CDS或3′UTR序列中未编码的因素影响

 

相邻基因转录可以影响Isoform长度

重排不仅会改变基因序列,还会改变基因周围的转录环境。例如,对YIR018W JS710 no.2转录本的进一步研究表明,其上下文缺少WT中存在的反义转录本以及维持近端TESs的两个其他重排序列(图1E)。表明相邻基因的转录可能调节Isoform长度和表达水平。

 

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图3 当相邻基因转录受到干扰时,转录异构体会发生改变

 

在整个合成基因组中,TU异构体与WT明显不同,因为SCRaMbLE诱导了其相邻基因转录发生更大的改变(图3B)。即使是随机选择的具有相似的下游相邻基因转录的基因对,也会产生类似的转录异构体(图3C、D)。总之,这些结果强调了无论是在进化过程中还是在整个基因组中,转录异构体特性和相邻基因转录之间的联系。

 

作者通过机器学习发现,上游特征更好地预测TSS,下游特征更好地预测TES,尽管两者对预测表达水平的贡献相同(图4A)。而且,仅针对相邻基因转录特征的训练模型与针对所有特征的训练模型表现相当(图4B)。因此,在新的基因组背景下,Isoform长度和表达水平的变化可独立通过相邻基因转录进行预测。

 

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图4 相邻基因转录可以预测转录异构体的表达水平和长度

 

由于从-SCRaMbLE菌株预测的转录相似性与在SCRaMbLE菌株中观察到的变化相关(图4C)。因此,作者推测,转录异构体特性不仅可以从相邻基因转录中预测,而且可以通过改变相邻基因的转录来设计。

 

3′UTR长度可以通过聚合转录进行调节

作者进一步研究了模型的特定特征(例如基因间距和局部表达水平)与转录异构体长度之间的关系。在数据集中,天然酵母基因组中3′UTR的长度会随着基因间距的增加而增加(图5A),聚合转录基因的基因间距每增加100 bp,3′UTR的长度就会增加约25nt。3′UTR长度对下游表达水平敏感,表达水平的降低伴随着3′UTR的延长(图5C)。

 

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图5 相邻基因调控表达水平并可用于设计3′UTR长度

 

在整个基因组范围内,聚合基因的转录本平均重叠85 nt。随着聚合转录本的表达水平降低,重叠长度和基因间空间比例增加,进一步证实转录本长度与转录环境有关。此外,在低表达的下游基因中,新的聚合基因对产生的重叠显著延长(图5D)。

 

作者通过绘制转录因子过度表达诱导的相邻基因的3′端缩短图(图5E),发现在表达量增加至少20倍的基因中,42%的基因显著改变了TES定位(图5F)。当相邻基因过度表达时,聚合基因的3′UTR长度变化也显著短于串联或随机基因对(图5G),体现了聚合转录在限制3′UTR长度方面的作用。

 

最后,为了证明此模型可以应用于基因组工程,作者构建了一个四环素抑制系统,通过调节下游聚合转录本的表达,可逆地控制转录本的3′UTR长度。结果表明,3′UTR长度的改变仅由下游聚合转录的转录本改变引起。

 

总结

 

作者通过随机重组的合成酵母菌株,系统地研究序列和遗传背景的影响。鉴定到相邻基因的转录可以影响基因的表达和转录异构体长度。并通过预测这些改变转录环境的特征,设计了一个合成回路。该研究揭示了位置背景可以在合成基因组工程中发挥作用。

 

文献链接:

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abg0162

 

 

 

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