人脑特异性miRNA异构体的发掘及功能研究

The miRNA transcriptome is mainly comprised of annotated miRNAs and a collection of miRNA isoforms with diverse and distinct sequences. It has been demonstrated that annotated miRNAs with brain-specific expression pattern play pivotal roles for brain development and neuronal cognitive function. However, the constitution and function of miRNA isoforms with brain-specific expression pattern remain illusive in human. On the basis of our previous research，this project proposes to carry out the following studies: 1)Comprehensively building miRNA isoform repertoire in major human tissues and identifying brain-specific miRNA isoforms; 2)Developing efficient miRNA isoform functionality prediction algorithm and downstream experimental validation strategies for revealing brain-specific miRNA isoforms with regulatory potencial;3) Through integrating various gene expression profiles and constructing large-scale gene regulatory network, systematically identifying and validating network modules and key target genes that are under the regulation of brain-specific miRNA isoforms. The successful implementation of this project can provide the molecular basis for elucidating the underlying molecular mechanism of human brain-specific miRNA isoform’s function.

miRNA转录组是由已知miRNA(annotated miRNA)以及一系列序列多样的miRNA异构体(miRNA isoforms)组成。具有大脑特异性表达模式的已知miRNA是调控大脑发育与认知功能的关键调控因子，然而目前对人脑特异性miRNA异构体的组成和功能却知之甚少。本项目基于前期研究基础，拟开展以下研究工作：1）全面构建涵盖人类主要组织器官的miRNA异构体组，发掘人脑特异性miRNA异构体；2）开发有效的miRNA异构体功能性预测算法以及实验验证策略，揭示具有调控功能的人脑特异性miRNA异构体；3）整合基因表达数据，通过构建大规模基因调控网络，系统发掘人脑特异性miRNA异构体调控的网络模块，实验验证组织特异性关键靶基因， 探讨miRNA异构体调控大脑功能的潜在分子机制 。本项目的实施将为最终阐明人脑特异性miRNA异构体的功能及作用方式提供分子基础。

近几年的小RNA转录组高通量测序（deep sequencing）研究结果发现 miRNA 基因的成熟过程通常伴随着多种在长度和序列上与已知miRNA（已在miRBase 中注释的miRNA， annotated miRNA）存在差异的小RNA 序列的生成。这些与已知miRNA 位置部分重叠但长度和序列多样的小RNA 序列统称为miRNA 异构体（miRNA isoforms，isomiRs)。本项目以人类大脑为研究对象，整合生物信息学、比较基因组学以及分子生物学等研究策略，对人脑特异性miRNA异构体进行系统全面挖掘并探索其调控人脑功能的分子机制。本项目全面发掘了人脑特异性miRNA异构体并分析了人脑特异性miRNA异构体的序列长度分布、序列保守性以及碱基偏好等生物学特征；基于“miRNA与其靶基因位点共同进化”分子进化理论，开发了预测miRNA异构体功能性的生物信息学算法；基于本课题大脑小RNA测序数据是时间序列（涵盖人类幼年、成年及老年阶段）的特点，确定了与大脑发育与衰老阶段密切相关的人脑特异性miRNA异构体；通过构建靶基因调控网络系统研究人脑特异性miRNA异构体在人类大脑中的功能及作用方式；结合一系列神经退行性疾病以及精神疾病数据，发掘了与帕金森病有关的miRNA异构体。重要的是，本项目的研究成果表明已知miRNA在一定程度上可以被认为是众多复杂miRNA异构体的一种。由此，本项目开发的miRNA异构体的计算生物学挖掘以及功能预测方法可以用来发掘任何已经注释的或者新发现的miRNA主要的功能性miRNA异构体，从而为下游功能研究确定候选miRNA方面奠定了基础。为了为了推进研究成果的进一步应用，本项目开发了isomiRDB数据库（http://miaoto.com.cn:8100/home.html），相关领域的研究学者可以通过isomiRDB对自己感兴趣的miRNA的功能进行预测。