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生物資訊演算法,找出對全能性幹細胞功能性具關鍵力的分子間剪接RNA

基因體研究中心莊樹諄老師與細胞與個體生物學研究所郭紘志老師,結合生物資訊與幹細胞的研究,成功的開發出一個尋找分子間剪接(Trans-splicing)RNA的流程,將之命名為TSscan。這個流程包括了演算法分析與篩選,結合次世代定序技術,並且使用全域性的人類胚胎幹細胞(ESC)作為後續實驗證明。該研究團隊不但找到分子間剪接RNA,並且證實其中包含有對全能性幹細胞(induced Pluripotent Stem cell,即iPSC)具功能性影響力的分子tsRMST。這個研究結果在10月份的基因體研究期刊(Genome Research)網頁先行發表後,旋即被Nature Reviews Genetics期刊特別撰文報導此項研究成果。

DNA所攜帶的遺傳密碼,必須要經過一系列的過程,包括轉錄合成RNA、轉譯、修飾,最後,才會製造出具有各種功能的蛋白質。這其中,RNA的轉錄合成,就好像製作電影的剪接工作,從一段DNA片段裡面,找出要表現的片段,並剃除掉其餘的片段,才能重新串接出所需要的RNA。這個剪接的過程,叫做Splicing。

在近幾年基因研究的領域,科學家發現了分子間剪接RNA的存在。這些分子間剪接RNA,顯然在剪接的過程裡不遵循既有的規則,有時重組的順序倒置;也有的甚至於把不同的基因表現的片段混到一塊兒。不過,在較高等的生物,例如哺乳類動物中,到目前為止,可以從實驗驗證的分子間剪接RNA極少。

目前在生物資訊的研究領域,運用最新的次世代定序技術 (Next Generation Sequencing, 簡稱NGS),有許多的已發表的研究,曾經預測出許多的分子間剪接 RNA。然而,尋找分子間剪接最大的挑戰,在於這個過程中,極易受到雜訊的干擾,例如基因的重排事件(genetic rearrangement),以及實驗中產生的人工假事件(in vitro artefacts)。為了降低可能的雜訊干擾,研究團隊利用不同的次世代定序平臺所產生的已知的定序資料,以及來自不同個體的胚胎幹細胞,在交叉比對後,濾除掉可能的錯誤。經過嚴格的比對與雜訊濾除,研究團隊從將近9,000筆候選者中,鑑定出9 個可能的分子間剪接RNA。接下來,研究團隊利用人類胚胎幹細胞做實際的生物驗證,證明其中僅有4 個是真的分子間剪接 RNA。

更令人振奮的是,研究團隊發現,用不同人種、性別的胚幹細胞所做的一連串實驗,證實這最後篩選出來的4個分子間剪接RNA,在人類全功能性幹細胞,包括誘導式全功能性幹細胞(iPSC)與胚幹細胞中都有高表現量。此外,它們在人類胚胎幹細胞分化的過程中,有明顯的表現量變化,顯示這些分子間剪接RNA的功能,可能和全功能分化潛力及細胞分化相關。

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圖一、左邊: 當tsRMST在胚胎幹細胞有表現時,會藉由和NANOG 與SUZ12間的交互作用來抑制胚胎幹細胞分化,以維持胚胎幹細胞的多潛能分化性;右邊: 當tsRMST不表現時,胚胎幹細胞便開始分化了。PAX6、GATA4、以及GATA6皆為判斷胚胎幹細胞是否開始分化的標記。

尤其重要的是,在四個所找到的分子間剪接RNA中,包括科學界第一個被發現的大片段基因間的非轉譯RNA (trans-spliced large intergenic noncoding RNA)-tsRMST。研究團隊並且證實了,tsRMST可透過與PRC2與NANOG之結合對全功能分化能力之維持與細胞分化進行調控(圖一)。這些結果顯示,tsRMST扮演著胚胎幹細胞是否能維持『多潛能分化性』的關鍵角色。這項發現第ㄧ次證明了分子間剪接RNA於全功能分化能力調控之功能並且對人類全功能性幹細胞的研究提供了一個嶄新而重要的研究方向。

該研究的第一作者為本院基因體研究中心博士後研究員吳展碩和細胞與個體生物學研究所博士後研究員余俊穎。此項研究由本院及行政院國家科學委員會共同資助。

論文參考網站: http://genome.cshlp.org/content/early/2013/10/16/gr.159483.113.long

Nature Reviews Genetics期刊特別撰文報導: http://www.nature.com/nrg/journal/vaop/ncurrent/full/nrg3618.html

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