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研究生: 薛勝謙
Shiue, Sheng-Cian
論文名稱: 線蟲中piRNA偏好結合區域探討
Investigation of piRNAs preferentially bind region in C.elegans
指導教授: 吳謂勝
Wu, Wei-Sheng
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 電機資訊學院 - 電機工程學系
Department of Electrical Engineering
論文出版年: 2021
畢業學年度: 109
語文別: 中文
論文頁數: 55
中文關鍵詞: CLASHpiRNA偏好結合區域piRNA調控機制
外文關鍵詞: CLASH, piRNA preferentially binding region, piRNA regulating mechanism
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  • Small non-coding RNA扮演調控基因,影響轉譯的重要角色。miRNA (micro RNA)已知結合在mRNA的3’UTR,阻止mRNA轉譯或使其直接降解,抑制基因表現。piRNA (piwi-interacting RNA)主要存在生殖腺,本研究分析線蟲中的piRNA,長度為21nt,開頭序列為U (簡稱21U-piRNA)。此類21U-piRNA所結合的mRNA分為兩類,分別是WAGO target mRNA及CSR-1 target mRNA,當結合至WAGO target mRNA,會招募RdRP (RNA-dependent RNA polymerase)至結合位點周遭,誘發22G-RNA (長度22~23,開頭為G的小RNA),並與WAGO蛋白形成複合物,使WAGO target mRNA降解或在細胞核即無法轉錄;CSR-1 target mRNA則不受piRNA結合影響,仍能正常表達。
    本研究探討piRNA是否如miRNA一樣偏好結合在mRNA的3’UTR區域,或是有其他偏好結合區域;並更進一步探討其在WAGO target mRNA及CSR-1 target mRNA誘發22G-RNAs的分布,藉此給予piRNA調控機制更好的詮釋,提供給生物學家明確的研究方向及實驗設計。
    分析piRNA結合位點分布以及22G-RNAs分布,需使用CLASH實驗資料、iCLIP實驗資料以及small RNA-seq實驗資料,並搭配本研究室自行開發之工具,從定序資料中擷取出small RNA-mRNA交互對以及結合位點分布資訊。再經由工具一:結合位點/22G-RNA密度觀察mRNA三區域 (5’UTR、CDS、3’UTR)中的piRNA位點及22G-RNA分布情形;以及工具二:以單核苷酸解析度觀察start/stop codon周遭,piRNA位點與22G-RNA的實際累積分布情形。
    經以上兩種工具分析,miRNA偏好結合在目標mRNA的3’UTR區域,與已知符合,因此強化對這兩種工具的信心程度。piRNA不論對於WAGO target mRNA與CSR-1 target mRNA,都偏好結合在CDS區域,與miRNA截然不同。在WAGO target mRNA上,也在CDS誘發最多WAGO 22G-RNA。
    然而,尚有更多發現,本研究在WAGO target mRNA中亦發現CSR-1 22G-RNA,並且也在CDS區域分布最多;在CSR-1 target mRNA中,發現WAGO-1 22G-RNA跟WAGO-9 22G-RNA都有被產生,亦分布在CDS較多,但是密度較在WAGO target mRNA中低,CSR-1 22G-RNA則是分布在3’UTR最多。
    因此推論piRNA結合在WAGO target mRNA中能誘發WAGO-1、WAGO-9、CSR-1 22G-RNA,且CDS區域最多;piRNA結合在CSR-1 target mRNA中亦能誘發WAGO-1、WAGO-9 22G-RNA,且CDS區域最多,而CSR-1 22G-RNA則是因EGO-1在3’UTR誘發,所以在3’UTR分布最多,推測若將EGO-1破壞,則可能就在CDS分布最多。綜合以上,若具備足夠實驗資料及分析結果,滿足上述假設,本研究提出模型:piRNA應不論WAGO target mRNA或CSR-1 target mRNA都偏好結合至CDS區域,且結合後也誘發WAGO-1、WAGO-9、CSR-1 22G-RNA,mRNA受到調控、被降解與否的關鍵在piRNA誘發WAGO-1、WAGO-9的能力差別,以及是否有如EGO-1機制或其他機制誘發更多CSR-1 22G-RNA保護CSR-1 target mRNA。

    Small non-coding RNA plays an important role in RNA interference (RNAi), which regulating genes and affecting translation. miRNA (micro RNA) is known to bind to the 3’UTR of mRNA to inhibit gene expression. piRNA (piwi-interacting RNA) mainly expressed in germline cell P-granule. In C. elegans, piRNA bind two kinds of mRNA, namely WAGO target mRNA and CSR-1 target mRNA. When piRNA bind to WAGO target mRNA, it will degrade WAGO target mRNA. On the other hands, CSR-1 target mRNA is protected by CSR-1 protein so as to normally express. piRNA preferential binding region (5’UTR, CDS, 3’UTR) remains unknown. This study discover that piRNA preferentially bind to CDS both on WAGO target mRNA and CSR-1 target mRNA, which is completely different from miRNA. And on the WAGO target mRNA, piRNA also induce most WAGO 22G-RNAs at CDS. However, there are more findings. On WAGO target mRNA, CSR-1 22G-RNA was also found and distributed most at CDS. On CSR-1 target mRNA, WAGO-1 22G-RNA and WAGO-9 22G-RNA are discovered and also distribute most as CDS, CSR-1 22G-RNA distribute most at 3’UTR. Therefore, we infer that piRNA have the most binding sites at CDS on WAGO target mRNA, and can also induce most WAGO-1, WAGO-9 and CSR-1 22G-RNA. As for CSR-1 target mRNA, piRNA have the most binding sites at CDS, and can also induce most WAGO 22G-RNA, while CSR-1 22G-RNA is enriched at 3’UTR. The CSR-1 22G-RNA enrichment at 3’UTR mostly induced by EGO-1 protein, if we mutant the EGO-1 protein, we suspect that CSR-1 22G-RNA might distribute most at CDS.

    摘要 I EXTEND ABSTRACT III 致謝 VI 目錄 VII 圖目錄 IX 表目錄 XI 第一章 研究背景與動機 1 1.1 small non-coding RNA調控功能介紹 1 1.1.1 RNA interference/RNA silencing機制 1 1.1.2 miRNA調控mRNA機制介紹 2 1.1.3 piRNA調控mRNA機制介紹 2 1.2 研究動機 3 1.3 研究所需實驗與分析 3 1.3.1 CLASH實驗介紹 3 1.3.2 iCLIP實驗介紹 4 1.3.3 依據實驗分析small RNA結合位點 5 第二章 分析方法介紹 7 2.1 分析前處理流程 7 2.1.1 前處理結合位點 7 2.1.2 前處理篩選mRNA 8 2.2 結合偏好區域分析 8 2.2.1 結合位點密度分析 9 2.2.2 結合位點在start/stop codon的分布情形 10 第三章 結果探討 13 3.1 piRNA對於germline-expressed mRNA偏好結合區域分析 13 3.1.1 結合位點密度分析 13 3.1.2 結合位點在start/stop codon的分布情形 14 3.1.3 結論 14 3.2 piRNA對於CSR-1 target及WAGO target mRNA偏好結合區域分析 15 3.2.1 CSR-1 target分析結果 16 3.2.2 WAGO target分析結果 16 3.2.3 CSR-1 target及WAGO target結合位點密度比較 17 3.2.4 結論 17 3.3 22G-RNAs偏好產生區域分析 18 3.3.1 WAGO-1 IP 22G-RNA分布 19 3.3.2 WAGO-9 IP 22G-RNA分布 21 3.3.3 CSR-1 IP 22G-RNA分布 24 3.4 整理piRNA結合及調控機制 27 3.4.1 驗證實驗-破壞PRG-1蛋白,是否造成WAGO-1 22G-RNAs在mRNA CDS減少最多 28 3.4.2 延伸探討-WAGO與CSR-1競爭關係 31 3.5 提出模型 32 3.5.1 假設一:CSR-1 22G-RNA在P-granule中也與WAGO-1 22G-RNA競爭 32 3.5.2 假設二:piRNA在WAGO target也會誘發CSR-1 22G-RNA 32 3.5.3 假設三:piRNA在CSR-1 target中,也會誘發CSR-1 22G-RNA,且趨勢與在WAGO target上一致 33 3.5.4 模型解說 34 第四章 問題與討論 36 4.1 不同區域長度篩選值強健性分析 36 4.2 結合偏好是否由序列特性造成 36 4.2.1 結合位點密度分析 37 4.2.2 結合位點在start/stop codon的分布情形 38 4.2.3 結論 39 4.3 不同piRNA表現量,是否有不同結合位點量與偏好結合區域 39 4.4 不同區域中,piRNA結合位點的結合能量是否有差異 40 第五章 結論與未來展望 42 5.1 結論 42 5.2 未來展望 43 5.2.1 驗證假設模型 43 5.2.2 mRNA轉譯量高低與piRNA偏好結合區域關聯 44 5.2.3 其他物種分析 44 參考文獻 45 附錄 47 附錄一: 前處理流程詳細說明 47 附錄二: 結合位點密度分析,例外情況處理 48 附錄三: 跨condition比較22G時的校正 48 附錄四: 另一組iCLIP資料集中miRNA對all mRNA偏好結合區域分析 50 附錄五: 另一組CLASH資料集中piRNA對germline-expressed mRNA偏好結合區域分析 51 附錄六: 依照pirScan不同參數設定預測之piRNA偏好結合區域 52 附錄七: 基於序列特性,依照miRanda演算法預測之miRNA偏好結合區域 54

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    2026-07-31公開
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