des événements D’exonération se produisent dans des introns enrichis de nouveaux transposons
pour étudier le potentiel de nouveaux événements d’exonération dans le transcriptome humain, nous avons analysé plus de 400 séquences (fig. 1a et la section « Méthodes »)., Nous n’avons considéré que le mappage de lectures sur des jonctions exon-exon (EEJs) supportées par au moins 5 lectures et un pourcentage épissé en valeur (PSI) d’au moins 5%. Les nouveaux exons ont été définis comme ceux absents des bases de données d’annotation et de tous les ensembles de données témoins non perturbés (fig. 1a). Confirmant la validité de cette approche, le knockdown de la ribonucléoprotéine hétérogène c (hnrnpc) de la protéine de liaison à L’ARN (RBP) a créé le plus d’événements d’exonération dérivés de L’Alu (fichier supplémentaire 1: Figure S1), conformément aux observations précédentes . Au total, nous avons détecté 13 103 nouveaux événements exoniques dans 4 774 gènes ou 30.,6% des gènes codant des protéines humaines évalués sous les perturbations que nous avons étudiées.
pour étudier les mécanismes sous-jacents à ces événements d’exonération, nous avons rassemblé une liste de caractéristiques classiquement associées à l’épissage alternatif, y compris., La régression linéaire logistique a ensuite été utilisée pour comparer ces événements avec un groupe” de fond » d’introns exprimés sans aucune preuve d’exonération (Fig. 1b). Validant notre choix de caractéristiques génomiques, notre modèle atteint un taux moyen réel positif élevé de 75,2% (fichier supplémentaire 1: Figure S1). De plus, nous avons pu confirmer les résultats précédents que les événements d’exonération ont tendance à se produire dans les introns longs avec une teneur élevée en GC (fichier supplémentaire 1: Figure S1, longueur d’intron: p < 3.53 × 10-59, GC 1.01 × 10-73, test de Student t)., Notamment, nous constatons que les événements d’exonération chevauchent souvent les sites de liaison des nucléosomes (fichier supplémentaire 1: Figure S1, p < 2,37 × 10-23, test de Wilcoxon), se produisent rarement à l’extrémité 3 du corps du gène (p < 5,90 × 10-21, test fichier supplémentaire 1: Figure S1, p < 7.13 × 10-166, test exact Fisher). Fait important, nous observons également que le prédicteur le plus fort pour l’exonération était l’apparition d’éléments transposables chevauchant le nouvel exon (Fig., 1b et fichier supplémentaire 1: Figure S1, p < 6.46 × 10-127, test de L’étudiant t). Par rapport à ces prédicteurs puissants, aucun élément d’épissage cis-réglementaire ne contribue de manière significative au modèle ou ne montre de différences significatives entre les ensembles de données (fichier supplémentaire 1: Figure S1, P > 0.05, test de Student t).
pour évaluer la conservation de l’utilisation de nouveaux exons chez les espèces, nous avons analysé l’étendue de l’exonération chez plusieurs types de tissus appariés au sein de quatre espèces de primates couvrant 30 millions d’années d’évolution des primates., Pour explorer l’utilisation de l’exonération entre les échantillons, les gènes avec des événements se produisant dans les quatre espèces ont été identifiés et triés à l’aide de clustering de propagation d’affinité. Conformément à l’épissage alternatif canonique, les échantillons de la même espèce sont invariablement regroupés (fichier supplémentaire 1: Figure S2). L’exception notable à cette tendance a été observée dans les échantillons des testicules, qui ont montré un regroupement spécifique aux tissus. Cela suggère que dans les testicules, il existe une forte signature d’exonération conservée chez les espèces de primates dans plusieurs gènes (fichier supplémentaire 1: Figure S2).,
pour approfondir l’influence des rétrotransposons sur l’exonération, nous avons subdivisé les éléments transposables en leurs principales sous-familles. Conformément à la spécificité de lignée des événements d’exonération, les contributeurs les plus importants au modèle sont les transposons de moins de 70 millions d’années. En particulier, les membres de la sous-famille des éléments Alu AluJ et AluS, ainsi que les éléments L1 très mobiles sont des prédicteurs puissants (Fig. 1c). Fait intéressant, une exception à cette règle est la sous-famille AluY, qui montre un motif qui rappelle des événements de transposons beaucoup plus anciens (Fig. 1c)., Cette différence est potentiellement due à sa déplétion relative dans les corps géniques (3%, 19%, AluY, AluS, occurrence dans les introns exprimés). Enfin, nous avons voulu évaluer quel type de gènes contient des événements D’alu-exonération. Fait intéressant, nous trouvons un fort enrichissement pour les fonctions liées à la signalisation cellulaire et à la régulation du cycle cellulaire (Fig. 1d, fichier supplémentaire 1: Figure S1 et fichier supplémentaire 3: Tableau S2). À côté des exemples précédents , notre observation d’un grand nombre d’événements d’exonération chevauchant de nouveaux transposons suggère une nouvelle source de complexité transcriptomique.,
les protéines de liaison à L’ARN m6a suppriment l’exonération
Une évaluation des facteurs trans favorisant l’exonération (fichier supplémentaire 1: Figure S2 et fichier supplémentaire 4: Tableau S3) a révélé un enrichissement des RBP de liaison à la M6A (n6-méthyladénosine), en particulier parmi les nouveaux exons contenant de l’Alu (Fig. 2a, p < 0.05, test hypermétrique). Cela comprenait hnRNPC, qui a été précédemment montré pour induire un grand nombre d’événements d’exonération spécifiques à L’Alu , ainsi que la région critique du syndrome de DiGeorge 8 (DGCR8) et la protéine contenant le domaine YTH 2 (YTHDC2)., Pour examiner le rôle potentiel des marques m6a dans l’exonération, nous avons analysé les données de knockdown de la sous-unité N6-adénosine-méthyltransférase de l’enzyme de modification m6a (METTL3) . Cette analyse a révélé une augmentation significative du nombre d’événements d’exonération détectables lors de L’élimination de METTL3 (fig. 2b, p < 3,57 × 10-03, Wilcox-rank sum test), en concordance m6a réglementant l’inclusion de nouveaux exons. Une analyse plus poussée de ces événements D’exonération dépendants de METTL3 a révélé un enrichissement fonctionnel des gènes associés à des dommages à L’ADN (p < 2.,68 × 10-02, valeur de p corrigée du FDR). Ensuite, nous avons analysé les données de cellules HeLa constituant deux neutralisations de régulateurs de M6A connus (facteur D’épissage 3 riche en sérine/arginine (SRSF3) et protéine 1 contenant le domaine YTH (YTHDC1)) et deux neutralisations de RBP non connus pour reconnaître directement m6a (facteur d’épissage 9 et 10 riche en sérine/arginine (SRSF9 et SRSF10)) . En accord avec les résultats précédents, nous constatons que le renversement de SRSF3 ou YTHDC2 induit fortement l’exonération alors que la diminution de L’expression de SRSF9 ou SRSF10 a peu ou pas d’impact (fichier supplémentaire 1: Figure S2).,
pour évaluer plus avant si la modification de m6a a un impact sur les événements d’exonération, nous avons évalué l’enrichissement des sites m6a dans les séquences exonérées . Cette approche a utilisé le BrU-seq suivi de l’isolement de fragments méthylés par m6a à l’aide d’un anticorps spécifique à m6a . En raison de la nature répétitive des éléments Alu, nous avons utilisé la maximisation des attentes pour attribuer des lectures multimapping (maximum de 10 correspondances autorisées) aux éléments Alu en fonction de l’expression du gène hôte ., En tant qu’ensemble de comparaison, nous avons examiné tous les éléments Alu dans les régions introniques exprimées qui ne sont pas à proximité d’un nouvel exon (voir la section « Méthodes”). Cette analyse a révélé un fort enrichissement de la cartographie des sites m6a en éléments alu exonérés (Fig. 2c, p < 3,23 × 10-123, essai de somme de rang de Wilcoxon; Fig. 2d, p < 2.13 × 10-63, test de somme de rang de Wilcoxon; fichier supplémentaire 1: Figure S2). Dans l’ensemble, cela suggère que les protéines de modification et de liaison m6a sont des régulateurs clés des événements d’exonération (contenant de l’Alu).,
les mécanismes augmentant la « fenêtre d’opportunité” pour le recrutement des splicéosomes favorisent l’exonération
notre analyse initiale a révélé que la prédiction de l’exonération est fortement améliorée par les éléments répétés, la longueur des introns et la teneur en GC. Ces caractéristiques sont connues pour être en corrélation négative avec le taux d’élongation de L’ARN polymérase II (RNAPII). Nous avons donc émis l’hypothèse que des changements dans le taux d’élongation de RNAPII pourraient favoriser l’exonération., Pour tester cela, nous avons analysé les données ARN-seq provenant de cellules humaines exprimant des mutations qui augmentent (E1126G) ou diminuent (R749H) le taux d’élongation de L’ARN polymérase II (RNAPII) . Pour déterminer le taux d’élongation de chaque mutant, nous avons analysé les données du test de séquençage nucléaire à l’échelle du génome (GRO-seq) combiné à L’inhibiteur de l’élongation de la transcription DRB (voir la section « Méthodes” et ). Nous observons que les mutations ralentissant le taux d’élongation du RNAPII (R749H) induisent fortement des événements d’exonération (Fig. 3a, tous: p < 3.,18 × 10−45, Fisher’s exact test), with this change especially strong in Alu-containing novel exons (Fig. 3a, ALU: p < 5.62 × 10−53, Fisher’s exact test). In contrast, mutations that speed up elongation had negligible effects on the number of exonization events detected (Fig. 3a; p > 0.05, Fisher’s exact test).
ce résultat soutient le modèle de compétition de l’épissage alternatif dans lequel la régulation de l’inclusion des exons est associée à une « fenêtre d’opportunité” pour la reconnaissance des spliceosomes. Si ce lien entre l’exonération et l’opportunité est valide, un mécanisme indépendant pour l’émergence de nouveaux exons devrait se produire dans les introns qui sont lentement traités par la machine d’épissage., Pour évaluer cette hypothèse, nous avons analysé les données ARN naissantes de BrU-Chase-seq, dans lesquelles les cellules sont marquées avec une impulsion BrU de 15 min et chassées pendant 0, 15, 30 et 60 min. Pour déterminer la cinétique d’épissage pour chaque intron, nous avons calculé la dynamique D’efficacité d’épissage (SEDs) ou le taux d’excision de l’intron (voir la section « Méthodes”). Le clustering de K-means a ensuite été utilisé pour identifier cinq groupes d’introns avec des sed allant de très rapides à très lents (fichier supplémentaire 1: Figure S3). Les Introns contenant des événements d’exonération ont ensuite été comparés à un ensemble d’arrière-plan de tous les introns exprimés., De manière frappante, cette analyse révèle que les introns contenant des événements d’exonération sont fortement enrichis au sein du cluster sed le plus lent (Fig. 3b, p < 3.23 × 10-239, Wilcox Rank-sum test, et fichier supplémentaire 1: Figure S3). De plus, ces introns présentent une réduction très significative de SED par rapport aux groupes de fond (Fig. 3c et fichier Supplémentaire 1: Figure S3, p < 2.2 × 10-160, test de Wilcoxon)., Ensemble, ces observations suggèrent que les mécanismes qui élargissent la » fenêtre d’opportunité” augmenteront la probabilité de reconnaissance par les machines d’épissage et favoriseront ainsi le taux d’exonération.
les dommages à L’ADN induisent l’exonération dans les gènes du cycle cellulaire
le processus exogène peut également favoriser des altérations de l’élongation de la transcription et peut donc modifier les taux d’exonération., Pour étudier cela, nous nous sommes concentrés sur l’irradiation UV, car des études antérieures ont démontré qu’elle favorise à la fois l’hyperphosphorylation du RNAPII conduisant à l’inhibition ultérieure de l’élongation de la transcription et le recrutement de la machinerie m6a sur les sites de dommages à l’ADN . En utilisant les données obtenues à partir de l’ARN-seq naissant (protocole GRO-seq), nous avons évalué l’impact de l’irradiation UV sur L’exonisation de L’Alu sur une période de 24 h. Remarquablement, à la suite de la forte diminution du taux D’élongation de RNAPII lors de l’irradiation UV, nous constatons une forte augmentation tout aussi frappante du taux d’exonération (Fig., 4a et fichier supplémentaire 1: Figure S4). Cette incorporation de nouveaux exons continue d’augmenter tant que le taux d’élongation de RNAPII reste faible. Fait important, le rétablissement complet de la vitesse d’élongation de RNAPII à la marque 24-h s’accompagne d’une chute abrupte du nombre d’événements d’exonération détectables (Fig. 4a et fichier supplémentaire 1: Figure S4).
compte tenu des résultats antérieurs selon lesquels les séquences contenant de l’Alu peuvent favoriser la rétention nucléaire, nous avons étudié si, lors de l’irradiation UV, l’engagement polysomique des gènes était affecté par l’exonération ., Notamment, après irradiation UV, nous identifions une diminution significative des niveaux d’expression des gènes contenant des événements d’exonération contenant de L’Alu dans la fraction polysomique, par rapport à l’expression de L’ARN-seq de la cellule entière (Fig. 4b, p < 8.50 × 10-22, test de Wilcoxon). De plus, la force médiane de cette déplétion augmente avec le pourcentage d’inclusion des nouveaux exons (fig. 4c, p < 1.49 × 10-06, Wilcox rang-test de la somme).,
Nous nous sommes ensuite intéressés à étudier le type de gènes dans lesquels les événements d’exonération sont favorisés après l’irradiation UV. Fait intéressant, il existe un fort enrichissement pour les gènes impliqués dans la régulation du cycle cellulaire et la liaison à L’ARN (Fig. 4d et fichier supplémentaire 1: Figure S4). Dans l’ensemble, ces résultats suggèrent que les dommages à l’ADN régulent à la baisse l’engagement ribosomique des gènes du cycle cellulaire en favorisant partiellement les événements d’exonération contenant des éléments Alu, qui sont connus pour induire la rétention nucléaire ., Enfin, nous avons étudié s’il s’agissait d’un mécanisme conservé évolutivement en évaluant les taux d’exonération lors de l’irradiation UV dans les fibroblastes embryonnaires de souris. Remarquablement, nous identifions une nette augmentation des événements d’exonération dans les échantillons traités aux UV par rapport aux échantillons non traités avec l’inclusion de répétitions B spécifiques aux rongeurs particulièrement affectées (fichier supplémentaire 1: Figure S4). L’analyse fonctionnelle des gènes contenant de nouveaux exons a de nouveau révélé un fort enrichissement des gènes du cycle cellulaire (fichier supplémentaire 1: Figure S4).,
L’exonération est épuisée dans les cancers hématologiques
L’épissage Aberrant est une caractéristique du cancer et contribue à de nombreux aspects de la biologie tumorale . Les changements associés au Cancer dans l’épissage ont été liés à l’expression altérée des RBP, dont certains sont oncogènes ou agissent comme suppresseurs de tumeurs . Malgré de nombreuses preuves de modification de l’épissage dans le cancer, la mesure dans laquelle ces changements ont un impact sur l’exonération n’a pas été explorée., Nous avons donc évalué l’occurrence de l’exonération dans des échantillons tumoraux et témoins appariés de patients dans une variété de cancers différents (fichier supplémentaire 5: Tableau S4). Fait remarquable, cette analyse a révélé une suppression significative et reproductible de l’exonération dans les échantillons de patients atteints de leucémie lymphoïde chronique (LLC) et de syndromes myélodysplasiques (SMD) (Fig. 5a, LLC: p < 2.14 × 10-04; MDS: p < 1.15 × 10-04; AML: p < 4.,02 × 10-09; Wilcoxon Rank-sum test), qui était indépendant des changements d’expression (fichier supplémentaire 1: Figure S5). De plus, cette suppression de l’exonération est spécifique aux hémopathies malignes (Fig. 5b, p < 2.93 × 10-09, test de Wilcoxon). Conformément à nos observations précédentes, l’inclusion de nouveaux exons est supprimée dans les gènes associés au cycle cellulaire et au traitement de l’ARNm (fichier supplémentaire 1: Figure S5 et fichier supplémentaire 6: Tableau S5, p < 1 × 10-5, FDR corrigé, comparé aux échantillons témoins).,
des études récentes de séquençage à l’échelle du génome entier d’échantillons de patients atteints de syndromes myélodysplasiques ont révélé des mutations somatiques fréquentes dans un groupe clé de protéines associées à l’épissure, y compris le facteur D’épissure 2 (SRSF2) riche en sérine/arginine et le facteur sous-unité kDa.
(U2AF1) . Ces mutations entraînent la mauvaise épissage de centaines de transcriptions ., Compte tenu des travaux antérieurs liant la régulation de L’U2AF1 et les événements d’exonération , nous avons exploré si ces types de mutations pouvaient aider à expliquer la suppression de l’exonération observée dans les données des patients. Pour étudier cette possibilité, nous avons analysé les données GRO-seq d’une lignée cellulaire HEK-293 exprimant des facteurs d’épissage de type sauvage (SRSF2 ou U2AF1) ou mutants avec (SRSF2(P95H), U2AF1(Q157P)) et sans (U2AF1(S34F)) gain de mutations de fonction d’épissage . Cette analyse a révélé que la mutation P95H dans SRSF2 et la mutation Q157P dans U2AF1 inhibaient le taux d’inclusion de nouveaux exons (Fig., 5c, p < 1.46 × 10-03, Wilcox-rank sum test, par rapport aux contrôles) tandis que le S34F dans U2AF1 a eu peu d’effet. Pour déterminer si ces changements reflètent la charge mutationnelle des échantillons de patients SDM, nous avons regroupé ces données en fonction des mutations génomiques au sein de leurs PBR. En accord avec les données des lignées cellulaires, cette analyse a révélé une stratification de l’exonération basée sur le type de mutation génomique RBP (Fig. 5d et fichier supplémentaire 1: Figure S5).,
pour étudier si cette suppression de l’exonération dans le cAML pourrait être soulagée en diminuant le taux d’élongation transcriptionnelle, nous avons évalué l’impact du médicament ARV–825, qui est connu pour inhiber L’élongation du RNAPII en favorisant la dégradation de la protéine 4 contenant du Bromodomaine (BRD4) . L’analyse des échantillons de patients cAML a reproduit nos résultats précédents montrant la suppression de l’exonération (Fig. 5e). Il est important de noter que cette suppression est inversée lors de l’application D’inhibiteurs de BRD4 avec une augmentation de 12 fois le nombre d’événements d’exonération détectés (Fig., 5e, p < 4,86 × 10-91, test hypergéométrique). Dans l’ensemble, cela suggère que dans les cancers du sang, les événements d’exonération dans les gènes du cycle cellulaire sont supprimés, mais peuvent être fortement inversés par une intervention pharmacologique qui augmente la « fenêtre d’opportunité”.