Stephan H. Bernhart

Junior Research GroupTranscriptome Bioinformatics

Universitat Leipzig

5.6.2018

Contents

lncRNAsSignaleDecoysGuidesScaffolds

RNA-DNA Triplex

Definition lncRNAs

I long noncoding RNAs

I Lange > 200 basen

I Liegen zwischen anderen Genen (nicht AS)

I Codieren nicht fur Proteine (kein langer ORF)

I Schlechter Sequenzkonserviert als Proteine

I Zehntausende lncRNAs in Saugetieren

Funktion

Funktion bei ca. 300 bekannt

Wang, K and Chang, H (2011); Molecular Mechanisms of Long Noncoding RNAs,

Molecular Cell 43

Nicht exklusiv, eine RNA kann mehr als ein Wirkprinzip haben

Signale

Existenz der RNA ist SignalI Allel Spezifizitat

I KCNQ1ot1 (Paternal silencing of KCNQ1 cluster)I Air (Paternal silencing of Igf2r cluster)I Xist

I Anatomische Spezifitat (Hox-Cluster)I HOTAIR (distal, posterior)I Frigidair (anterior)

I eRNAsI Kalteinduziert (Pflanzen)

I COLDAIR, COOLAIR

I DNA BeschadigungI induziert von p53, befinden sich im Promoter von CDKN1AI lincRNA-p21 unterdruckt p53 pathway (fuhrt zu Apoptose)I PANDA (limitiert Apoptose)

Signale 2: 1/2-sbsRNAs

I Spezialfall

I STAU1 (Staufen) ist ein Protein, das mRNAs abbaut (SMD)

I Als Signal zum Abbau dient eine Sekundarstruktur im 3’UTR

I half-STAU1-binding site RNAs

I 1/2-sbsRNAs basenpaaren mit 3’UTR

I fuhrt zur Bildung des SignalsI Verschiedene Typen von 1/2-sbsRNAs

I Unterschiedliche targetsI Uberlappende targets

I Vielleicht auch bei anderen dsRNA bindenden Proteinen

Signale 3: Promoter RNAs

I RNAs, die von einem (alternativen) Promoter eine Genesabgeschrieben werden

I Beeinflussen Expression des entsprechenden Genes

I DHFR (Dihydrofolat reduktase)

Decoys

I ncRNAs dienen dazu, andere Molekule zu bindenI miRNA Sponges

I Meist zirkulare RNAsI haben viele Bindestellen fur bestimmte miRNAsI konnte zur Aufbewahrung dienen

I TERRA (Telomeric repeat containing RNAs)I Interagiert mit Telomerbildner (TERT)I Behindert dadurch moglicherweise Telomerverlangerung

I PANDAI bindet NF-YAI NF-YA ist Transkriptionsfaktor, der Apoptose aktiviert

I MALAT1I Bindet SpleißfaktorenI Fuhrt zu alternativem Spleißen

I Gas5I Ahmt DNA Bindemotiv von Glucocortoid Rezeptor nach

Guides

I ncRNAs leiten Proteinkomplexe zu ZielenI Oft epigenetische Modifikatoren

I Trithorax (TxG) - aktivierende HistonmodifikationenI Polycomb (PcG) - repremierende HistonmodifikationenI DNMT3B - de novo DNA Methylierung

I Konnen in cis und in trans wirkenI Cis:

I Xist: PRC2I Air: G9a (H3K9 methylation)I COLDAIRI pRNA (promoter assoziierte RNA) am rRNA promoter

(DNMT3B)

I Trans:I HOTAIR (PRC2), LincRNA-p21

Scaffolds

I ncRNAs als Gerust, von dem Komponenten eines Komplexeszusammengehlaten werden

I TERCI Stellt Template fur Telomer Repeat zu VerfugungI Bindet ausserdem reverse Transkriptase TERT

I HOTAIRI Bindet PRC2 und LSD1/CoREST/REST KomplexI LSD1 Komplex demethyliert H3K4 (deaktiviert also)

I ANRILI PRC2 und PRC1

RNA-DNA TriplexBiologie / Funktion

I Bindung von einzelstrangiger RNA an doppelstrangige DNA

I Sequenzspezifisch

I DNA muss nicht geoffnet werden

I Gute Eignung fur guide-Eigenschaft

I Cis oft palindromische Sequenzen

I Mogliche target sites in 93-94% der RefSeq Gene in Menschoder Maus

I Auch reine RNA oder DNA Triplexe sind moglich

RNA-DNA Triplex Beispiele

I DHFR (cis)

I pRNA (cis)I Fendrr

cis: Foxf1trans: Pitx1bindet PRC2 und MLL (TrX)

I Khps1 (cis)

I PARTICLE (cis), g9a, PRC2

I MEG3 (trans, TGF-β pathway) PRC2

I HOTAIR (trans, e.g. HOXB2) PRC2, LSD1

Li et al., (2016), RNA-DNA Triplex Formation by Long Noncoding RNAs; Cell

Chemical Biology

Chemie

Buske et al. (2012) Triplexator: Detecting nucleic acid triple helices in gemoic and

transcriptomic data. Genome Research 22

Chemie 2

I 3 Motive im drittem Strang:

T(U),C (Pyrimidin Motiv)

- T:AT, C+:GC Triaden in Hoogsten Konformation- theoretisch nur bei niedrigem pH

G,A (Purin Motiv)

- G:GC, A:AT Triaden reverse Hoogsten

G,T(U) (Purin-Pyrimidin Motiv)

- G:GC, T:AT Triaden Hoogsten oder reverse Hoogsten

Vorhersage von Triplexen, Triplexator

Definitionen

I TFO: Triplex formendes Oligonukleotid (Einzeltrang)

I TTS: Triplex Target Stelle (Doppelstrang)

Also bindet ein TFO an einer TTSPrediction in 3 Schritten:

1 Finde mogliche TTS

2 Finde mogliche TFO

3 Finde mogliche Triplexe (i.e kompatible TTS-TFO Paare)

TTS prediction

is TTS(d , θ) Funktion

I d String (Doppelstrangige Sequenz, purinreicher Strang)I θ Constraints

- minimale und maximale Lange von d (n ≤ |d | ≤ m)- Enthalt nicht mehr als ε× |d | Fehler (Pyrimidine)- Enthalt nicht mehr als ω aufeinanderfolgende Pyrimidine- Enthalt mindestens g × |d | Guanine

Versuche immer, maximal große Triplexe vorherzusagen

TFO prediction

is TFO(s, µ, θ) Funktion

I s String (Einzelstrangige Sequenz)

I µ Motiv Typ ([C,T],[G,A] oder [G,T])I θ Constraints

- minimale und maximale Lange von s (n ≤ |s| ≤ m)- Enthalt nicht mehr als ε× |s| Fehler (wrt zu µ)- Enthalt nicht mehr als ω aufeinanderfolgende Fehler- Bindet eine TTS mit mindestens g × |s| Guaninen

TFO muss einzelstrangig sein!

TTS-TFO Kombination

is match(s, d , µ, θ) Funktion

I s, d Einzel und Doppelstrang, Einzelstrang is TFO(µ),Doppelstrang is TTS

I Keine indels (also |s| = |d |)I Fehler sind alle non-standard Triaden fur µ

Vor Kombination Filterung sinnvoll.

Experimentelle Untersuchung von Triplexen

In vitro:

I MicroScale Thermophoresis

I Electrophoretic Mobility Shift Assay (EMSA)

I Circular Dichroismus (CD) Spektroskopie

I Surface plasmon resonance Immunoassay

In vivo

I anti-triplex Antikorper (e.g. dA.2rU)