샤피로 세나파시 알고리즘
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샤피로 세나파시 알고리즘(S&S)은 동·식물 유전자의 스플라이스 접합을 예측하는 알고리즘입니다.[1][2]이 알고리즘은 질병을 유발하는 스플라이스 부위 돌연변이와 암호화된 스플라이스 부위를 발견하는 데 사용되었습니다.
알고리즘은
스플라이스 부위는 유전자에서 엑손과 인트론 사이의 경계입니다.이러한 부위에는 RNA 접합 기계에 의한 인식 및 처리에 필요한 특정 서열 모티프가 포함되어 있습니다.[1]
S&S 알고리즘은 스플라이스 부위 시퀀스 모티프의 길이에 해당하는 8개 뉴클레오티드의 슬라이딩 윈도우를 사용하여 이러한 보존된 시퀀스 및 따라서 잠재적인 스플라이스 부위를 식별합니다.[1]뉴클레오티드 빈도의 가중 표를 사용하여 S&S 알고리즘은 창에 스플라이스 부위가 포함될 가능성에 대한 합의 기반 백분율을 출력합니다.[1]
S&S 알고리즘은 Human Spicing Finder,[3] Spice-site Analyzer Tool,[4] dbass(Ensemble),[5] Alamut,[6] SROOGL 등의 다른 소프트웨어 도구의 기초 역할을 합니다.[7]
S&S를 이용한 암 유전자 발견
S&S 알고리즘을 통해 다양한 형태의 암을 유발하는 돌연변이와 유전자가 발견되었습니다.예를 들어 유방암,[8][9][10] 난소암,[11][12][13] 대장암,[14][15][16] 백혈병,[17][18] 두경부암,[19][20] 전립선암,[21][22] 망막아세포종,[23][24] 편평세포암,[25][26][27] 위장암,[28][29] 흑색종,[30][31] 간암,[32][33] 린치증후군,[34][35][15] 피부암,[25][36][37] 신경섬유종증[38][39] 등 흔히 발생하는 암을 유발하는 유전자가 발견됐습니다.또한 위암,[40][41][28] 신경교종,[42][43] Li-Fraumeni 증후군, Loyes-Dietz 증후군, 골연골종(골종양), 네보이드 기저세포암 증후군,[11] 페오크로모세포종[13] 등 덜 알려진 암을 유발하는 유전자의 접합 돌연변이가 확인되었습니다.
유방암(예를 들어, BRCA1, PALB2), 난소암(예를 들어, SLC9A3R1, COL7A1, HSD17B7), 대장암(예를 들어, APC, MLH1, DPYD), 대장암(예를 들어, COL3A1, APC, HLA-A), 피부암(예를 들어, COL17A1, XPA, POLH) 및 판코니 빈혈(예를 들어, FANC, FANA)을 유발하는 다양한 유전자의 상이한 스플라이스 부위의 특정 돌연변이가 발견되었습니다.표 1은 S&S에 의해 확인된 다양한 암을 유발하는 다양한 유전자의 공여자 및 수용자 스플라이스 부위의 돌연변이를 보여줍니다.
질병종류 | 유전자 기호 | 변이위치 | 원순서 | 변이열 | 스플라이싱 수차 |
---|---|---|---|---|---|
유방암 | BRCA1 | 엑손11 | AAGGGTGTGT | AAGTGTGT | 엑손 12의[44] 건너뛰기 |
PALB2 | 엑손12 | CAGGCAAGT | CAAGCAGT | 표준 기증자 접합 부위의[45] 잠재적 약화 | |
난소암 | SLC9A3R1 | 엑손2 | GAGGTGATG | GAGCGATG | '스플링'[12]에서 유의미한 효과 |
대장암 | MLH1 | 엑손9 | TCGGTATGT | TCAGTAGT | 엑손 8의 생략과 단백질 절단[14] |
MSH2 | 인트론 8 | CAGGTATGC | CAGGCATGC | 인터벤션 서열, RNA 처리, 아미노산[14] 변화 없음 | |
MSH6 | 인트론 9 | TTTTATAATTATTAAG | TTTTATTTATTGAG | 인터벤션 서열, RNA 처리, 아미노산[14] 변화 없음 | |
피부암 | TGFBR1 | 엑손5 | TTTGATTCTTAGG | TTTGATTCTTTCGG | 엑손5 건너뛰기[25] |
ITGA6 | 인터론 19 | TTTTTCTAACAGG | TTTTTTAACACG | exon 20을 건너뛰어 프레임 내 삭제[46] | |
버트호그두베 증후군 | FLCN | 엑손9 | GAAGTAAGC | GAAGAGC | exon 9를 건너뛰고 intron 9를[47] 131bp 약하게 보유 |
기저세포암 | PTCH1 | 인트론4 | CAGGTAT | CAGGTGAT | Exon 4 건너뛰기 |
중피종 | BAP1 | 엑손16 | AAGGGTGAG | TAGGTGAG | 엑손 16의[48] 3' 말단을 4 뉴클레오티드로 삭제하는 새로운 5' 스플라이스 부위 생성 |
S&S 활용 유전질환 유발 유전자 발굴
예를 들어, 제1형 당뇨병(예: PTPN22, TCF1(HCF-1A)), 고혈압(예: LDL, LDLR, LPL), 마르판 증후군(예: FBN1, TGFBR2, FBN2), 심장 질환(예: COL1A2, MYBPC3, ACTC1), 눈 질환(예: EVC, VSX1)을 포함한 다양한 유전자의 다양한 스플라이스 부위의 특정 돌연변이가 발견되었습니다.표 2는 S&S를 이용하여 확인된 다양한 유전적 장애를 유발하는 상이한 유전자에서 공여자 및 수용자 스플라이스 부위의 몇 가지 예시적인 돌연변이를 보여줍니다.
질병종류 | 유전자 기호 | 변이위치 | 원순서 | 변이열 | 스플라이싱 수차 |
---|---|---|---|---|---|
당뇨병 | PTPN22 | 엑손18 | AAGGTAAAG | AACGTAAAG | 전남편 건너뛰기 18[49] |
TCF1 | 인트론4 | TTTGTCCCCTCAGG | TTTGTGCCCCTCGGGGG | exon 5의[50] 건너뛰기 | |
고혈압 | LDL | 인터론 10 | TGGGGGT | TGGGTCAT | 고전적인 이형접합성[51] FH에 대한 정상적인 지방혈증 |
LDLR | 인트론2 | GCTGTGGATT | GCTGTGTGT | 실리콘 내 분석을[52] 통해 접합 이상을 일으킬 수 있음 | |
LPL | 인트론2 | ACGTAAGG | ACGATAAGG | 암호 스플라이스 부위는 해당 부위에서[53] 생체 내에서 활성화됩니다. | |
마르판 증후군 | FBN1 | 인트론 46 | CAAGTAAGA | CAAGTAAAA | Exon 건너뛰기/암호화 스플라이스 사이트[54] |
TGFBR2 | 인트론 1 | ATCCTGTTTACAGA | ATCCTGTTACGGA | 스플라이싱[55] 이상 | |
FBN2 | 인트론45 | TGGTAAGT | TGGGAGT | 스플라이스 부위 변경으로 프레임 시프트 돌연변이가 발생하고, 절단된 단백질을[55] 야기하기 | |
심장병 | COL1A2 | 인트론 46 | GCTGTAAGT | GCTGCAAGT | 암호화폐 기증자의 거의 독점적인 사용이 허용됨 엑손[56] 상류 17nt 지점 |
MYBPC3 | 인트론 5 | CTCATGCACACACAGG | CTCATGCACACCGG | 미숙아가 있는 비정상적인 mRNA 기록 코돈은 미오신과 티틴의[57] 결합부위가 부족한 절단된 단백질을 생산할 것입니다. | |
ACTC1 | 인트론 1 | TTTCTCTCTCATAGG | TTTCTCTCTTAGG | 효과 없음 | |
안구장애 | ABCR | 인트론 30 | CAGGTACT | CAGTTACCT | 상염색체 열성 RP 및 CRD[59] |
VSX1 | 인트론 5 | TTTTTTTTACAAGG | TATTTTTTACAAGG | 비정상적인[60] 스플라이싱 |
면역계 장애를 일으키는 유전자
염증성 장질환, 다발성 경화증, 전신 홍반성 루푸스, 꽃증후군, 가족성 감기 자가염증, 선천성 장애 등 100가지 이상의 면역체계 장애가 인간에게 영향을 미칩니다.샤피로-세나파시 알고리즘은 Ataxia telangiectasia, B 세포 결함, 표피 용혈 불로사, X-linked Agamaglobulinemia를 포함한 많은 면역 장애 질환에 관련된 유전자와 돌연변이를 발견하는 데 사용되었습니다.
S&[31]S 알고리즘으로 확인된 새로운 선호 스플라이스 도너 부위로 인해 형성된 단백질 결함으로 인해 뉴클레오티드 절제 수복 불량이 발생하는 상염색체 색소침착증.
I형 바터 증후군(BS)은 유전자 SLC12A1의 돌연변이에 의해 발생합니다.S&S 알고리즘은 intron 16에서 두 개의 새로운 이형접합 돌연변이 c.724 + 4A > G intron 5 및 c.2095 delG의 존재를 밝혀내 완전한 exon 5 건너뛰기를 유도하는 데 도움을 주었습니다.[32]
산화적으로 손상된 DNA 병변을 제거하는 역할을 하는 MYH 유전자의 돌연변이는 개인에서 암에 걸리기 쉽습니다.IVS1+5C는 암호 스플라이스 공여 부위의 활성화에 원인적인 역할을 하며, S&S 알고리즘에 따르면 IVS+5 위치의 구아닌(G)은 영장류 사이에서 (84%의 빈도로) 잘 보존됩니다.이는 또한 MYH 유전자의 보존된 스플라이스 접합에서 G/C SNP가 β 유형 전사체의 인트론 1의 대체 스플라이싱을 유발한다는 사실을 뒷받침했습니다.[33]
X-연동 림프증식 질환에서 EBV 감염을 찾기 위해 S&S에 따라 스플라이스 부위 점수를 계산하였습니다.[61]가족 종양 석회화증(FTC)의 확인은 이소성 석회화와 혈청 인산염 수치 상승을 특징으로 하는 상염색체 열성 질환으로 비정상적인 접합으로 인해 발생합니다.[62]
병원에서의 S&S 적용을 통한 임상실습 및 연구
현대 임상유전체학 연구에서 S&S 기술 플랫폼을 적용하면 인체 질환의 사전 진단 및 치료가 가능합니다.
NGS(Next Generation Sequencing) 기술의 현대 시대에 S&S는 임상에 광범위하게 적용되고 있습니다.임상의와 분자진단 실험실은 HSF,[3] SSF,[4] Alamut 등 다양한 연산 도구를 이용하여 S&S를 적용합니다.[6]임상 조사를 통해 질병이 계층화되어 있거나 환자의 질병을 알 수 없는 경우에 유전자와 돌연변이를 발견하는 데 도움이 됩니다.
이런 맥락에서, S&S는 다양한 암과 유전성 장애를 가진 다른 민족 집단의 환자 집단에 적용되어 왔습니다.아래에 몇 가지 예시가 있습니다.
암
암형 | 간행물제목 | 연도 | 민족성 | 환자수 | |
---|---|---|---|---|---|
1 | 유방암 | 브라질[63] BRCA1과 BRCA2의 생식세포 변이경관 | 2018 | 브라질 | 649 환자 |
2 | 유전성비용종성대장암 | 아시아계 이민자 대장암 환자의[14] 유전성 비용종성 대장암(HNPCC) 증후군의 유병률 및 특징 | 2017 | 아시아계 이민자 | 143 환자 |
3 | 네보이드 기저세포암 증후군 | PTCH1 유전자[11] 접합 돌연변이에 의한 네보이드 기저세포암종 증후군 | 2016 | 일본인입니다 | 10명의 환자 |
4 | 전립선암 | 포르투갈 전립선암 환자의[64] 두 가지 새로운 HOXB13 생식선 돌연변이 확인 | 2015 | 포르투갈어의 | 462명의 환자, 132명의 대조군 |
5 | 대장선종성 용종증 | 대장 선종성 용종증의 새로운 원인 유전자 규명 | 2015 | 독일의 | 181명의 환자, 531명의 대조군 |
6 | 신장세포암 | FLCN 유전자의 유전자 스크리닝은 6개의 새로운 변종과 덴마크의 창시자[65] 돌연변이를 확인합니다. | 2016 | 덴마크어 | 143명 |
유전성 장애
병명 | 간행물제목 | 연도 | 민족성 | 환자수 | |
---|---|---|---|---|---|
1 | 바르데비들 증후군 | 일본[66] 최초의 전국 바데비들 증후군 유전자 분석 및 조사 | 2015 | 일본 | 38 환자 (9명의 환자에게서 확인된 질병) |
2 | 치아형성질환 | CACNA1S인 칼슘 통로의[67] 역할을 뒷받침하는 유전적 증거 | 2018 | 타이족 | 11명의 환자, 18명의 대조군 |
3 | 베타 케토티올라아제 결핍증 | 베타 케토티올라아제 결핍 인도 환자[68] 10명의 임상 및 변이 특성 | 2016 | 인디언 | 10명의 환자 |
4 | 불명확한 음성 발달 지연 | SPTBN2 플레크스트린 상동성 도메인의[69] 동형성 삭제로 인한 불분명한 언어, 발달 지연, 떨림 및 행동 문제를 가진 진행성 SCAR14 | 2017 | 파키스탄 가족 | 9명의 환자, 12명의 대조군 |
5 | 덴트병 | 소아의 덴트병: 진단 및 치료적 고려[70] | 2015 | 폴란드 | 10명의 환자 |
6 | 전형적인 용혈성 요독증후군 | 유전학 비정형 용혈-요독증후군[71] | 2015 | 뉴캐슬 코호트 | 28명의 가족, 7명의 산발적인 환자들 |
7 | 나이와 관련된 황반변성 및 스타가르트 질환 | 남아공 인구의[72] 연령관련 황반변성 및 Stargardt병 유전학 | 2015 | 아프리카 인구 | 32 환자 |
S&S - 스플라이스 부위, 엑손 및 분열 유전자를 식별하는 최초의 알고리즘
스플라이스 부위를 식별하는 방법을 개발한 세나파시 박사의 원래 목적은 인간 게놈 프로젝트에서 사용될 수 있는 특징 없는 원시 게놈 서열에서 완전한 유전자를 찾는 것이었습니다.[73][2]이 목적을 가진 획기적인 논문에서,[73] 그는 처음으로 다른 진핵생물 그룹의 스플라이싱 시퀀스의 위치 가중치 행렬(PWM)[1]을 기반으로 주어진 시퀀스 내에서 스플라이싱 부위를 식별하는 기본 방법을 설명했습니다.그는 또한 엑손의 기본적인 특성을 S&S 점수가 임계치 이상인 수용체 및 공여 스플라이스 부위와 엑손에 필수적인 ORF에 의해 경계지어지는 것으로 정의함으로써 최초의 엑손 검출 방법을 개발했습니다.확인된 엑손을 바탕으로 완전한 유전자를 찾아내는 알고리즘도 세나파시 박사에 의해 처음으로 설명되었습니다.[73][2]
Senapathy 박사는 단백질을 급격히 결함 있게 만드는 공여 부위 또는 수용 부위의 유해한 돌연변이만이 접합 부위 점수(후에 샤피로-세나파시 점수로 알려짐)를 감소시킬 것이며, 다른 비악의적인 변형은 점수를 감소시키지 않을 것이라는 것을 증명했습니다.S&S 방법은 질병으로 이어지는 돌연변이로 인해 발생하는 암호화된 스플라이스 부위를 연구하기 위해 적용되었습니다.진핵생물 유전자에서 유해한 접합 돌연변이를 검출하기 위한 이 방법은 상술한 바와 같이 지난 30년간 인간, 동식물의 질병 연구에 광범위하게 사용되어 왔습니다.
스플라이스 부위를 식별하고 엑손과 유전자를 정의하기 위한 기본적인 방법은 연구자들에 의해 다양한 유기체에서 스플라이스 부위, 엑손과 진핵 유전자를 찾는 데 사용되었습니다.이러한 방법은 특성화되지 않은 유전자 서열에서 유전자를 발견하기 위한 모든 후속 도구 개발의 기초를 형성하기도 했습니다.또한 기계 학습과 신경망을 포함한 다양한 계산 접근법과 대안적인 스플라이싱 연구에 사용되었습니다.
질병에서 비정상적인 스플라이싱의 메커니즘
샤피로-세나파시(Shapiro-Senapathy) 알고리즘은 수많은 질병을 유발하는 스플라이스 부위의 유해한 돌연변이로 인해 유전자의 다양한 비정상적인 접합 메커니즘을 결정하는 데 사용되어 왔습니다.유해한 스플라이스 부위 돌연변이는 유전자 기록의 정상적인 접합을 손상시키고, 따라서 암호화된 단백질을 결함 있게 만듭니다.돌연변이 스플라이스 부위는 원래 부위에 비해 "약할" 수 있으며, 이로 인해 돌연변이 스플라이스 접합부가 스플라이스 오솜 기계로 인식할 수 없게 됩니다.이로 인해 스플라이싱 반응에서 엑손을 건너뛸 수 있으며, 이로 인해 스플라이싱된 mRNA에서 해당 엑손이 손실될 수 있습니다(exon-skiping.반면, 부분적 또는 완전한 인트론은 인식할 수 없게 만드는 스플라이스 부위 돌연변이(인트론 포함)로 인해 mRNA에 포함될 수 있습니다.부분적인 exon-skiping 또는 intron 포함은 mRNA로부터 단백질의 조기 종결을 초래할 수 있으며, 이는 결함이 되어 질병으로 이어질 수 있습니다.따라서 S&S는 유해한 돌연변이가 단백질의 결함을 초래하여 어떤 유전자가 영향을 받는지에 따라 다른 질병을 초래할 수 있는 메커니즘을 결정할 수 있는 길을 열었습니다.
스플라이싱 수차 예제
질병종류 | 유전자 기호 | 변이위치 | 원증인/수취인 | 돌연변이 공여자/수용자 | 수차 효과 |
---|---|---|---|---|---|
대장암 | APC | 인트론2 | AAGGTAGAT | AAGGAAT | 엑손 3의[74] 건너뛰기 |
대장암 | MSH2 | 엑손15 | GAGGTTT | GAGGTTCT | 엑손 15 건너뛰기[75] |
망막아세포종 | RB1 | 인터론 23 | TCTTAACTTGAACT | TCTTAACGTGA | 새 스플라이스 억셉터, 인트론 포함[23] |
영양 양성 표피 용혈로사 | COL17A1 | 인트론 51 | AGCGTAAGT | AGCATAAGT | exon skiping[76], intron inclusion, 또는 암호화된 스플라이스 부위의 사용으로 이어지는데, 이는 절단된 단백질 또는 코딩 서열의 작은 영역이 결여된 단백질의 결과입니다. |
초로이데미아 | CHM | 인트론3 | CAGGTAAAG | CAGATAAAG | 조기종료코돈[77] |
카우덴 증후군 | PTEN | 인트론4 | GAGGTAGGT | 가가타그트 | exon 5[53] 내 조기 종결 코돈 |
대장암을 유발한 MLH1 유전자의 exon 8에서 도너 스플라이스 부위의 돌연변이에 의한 스플라이싱 수차(exon skiping)의 예는 아래와 같습니다.이 예는 유전자 내의 스플라이스 부위의 돌연변이가 mRNA의 서열과 구조, 암호화된 단백질의 서열, 구조, 기능에 지대한 영향을 미쳐 질병으로 이어질 수 있음을 보여줍니다.

S&S를 위한 가상접합 현장 연구 및 의료 응용 사례 연구
합의된 스플라이스 시퀀스가 매우 짧고 유전자 시퀀스 내에 진짜 스플라이스 사이트와 유사한 다른 많은 시퀀스가 있으므로 스플라이스 사이트의 적절한 식별은 매우 정확해야 합니다. 이는 암호화된, 비정규적인 또는 의사 스플라이스 사이트로 알려져 있습니다.진짜 스플라이스 사이트 또는 실제 스플라이스 사이트가 변형된 경우 원래 실제 스플라이스 사이트 근처에 존재하는 암호 스플라이스 사이트가 진짜 사이트로 잘못 사용되어 mRNA가 비정상적으로 발생할 수 있습니다.잘못된 mRNA는 주변 인트론의 부분 염기서열을 포함하거나 부분 엑손을 잃어 조기 정지 코돈이 발생할 수 있습니다.그 결과는 완전히 기능을 상실한 절단된 단백질일 수 있습니다.
Shapiro-Senapathy 알고리즘은 진짜 스플라이스 부위뿐만 아니라 암호화된 스플라이스 부위도 식별할 수 있습니다.암호화된 사이트는 종종 S&S 점수가 더 높은 정품 사이트보다 강력할 수 있습니다.그러나, 동반된 보완 공여체 또는 수용체 부위가 없기 때문에, 이 암호 부위는 활성화되지 않거나 스플라이싱 반응에 사용되지 않습니다.주변의 실제 사이트가 암호 사이트보다 약해지도록 변형되면 실제 사이트 대신 암호 사이트가 사용될 수 있으며, 이로 인해 암호 엑손과 이상한 스크립트가 발생합니다.
진짜 스플라이스 부위의 돌연변이로 인해 암호화된 스플라이스 부위의 돌연변이 또는 암호화된 스플라이스 부위의 사용으로 인해 수많은 질병이 발생하고 있습니다.[78][79][80][81][82]
동·식물 유전체학 연구 S&S
S&S는 또한 많은 동물과[83][84][85][86][87] 식물의 RNA 접합 연구에 사용되어 왔습니다.[88][89][90][91][92]
mRNA 접합은 유전자 기능 조절에 있어서 근본적인 역할을 합니다.매우 최근에, 스플라이스 부위의 A-G 전환이 Arabidopsis에서 mRNA 오-스플라이싱으로 이어질 수 있음이 밝혀졌습니다.[88]스플라이싱 및 엑손-인트론 접합 예측은 육식성 선듀(Drosera rotundifolia L.) 클래스 V b-1,3-글루카나제의 분자 특성 및 진화에서 GT/AG 규칙(S&S)과 일치했습니다.[89]딸기(Fragaria ananassa Duch., cv. Nyoho)의 NAD+ 의존성 소르비톨 탈수소효소(NADSDH)의 미접합(LSDH) 및 접합(SSDH) 기록을 조사하여 식물 호르몬 치료에 대해 조사했습니다.[90]
Ambra1은 생리학적 및 병리학적 조건 모두에 관여하는 리소좀 매개 분해 과정인 오토파지의 양성 조절제입니다.현재 암브라1의 이러한 기능은 포유류와 제브라피쉬에서만 특징지어지고 있습니다.[84]morpholino 녹다운에 의한 rbm24a 또는 rbm24b 유전자 생성물의 감소는 마우스 및 제브라피쉬에서 소마이트 형성의 현저한 방해를 초래했습니다.[85]Dr. Senapathy 알고리즘은 fut8 유전자의 intron-exon 조직화를 연구하기 위해 광범위하게 사용되었습니다.Sf9 fut8의 intron-exon 경계는 S&S를 사용하여 체결된 접합 공여지 및 수용지에 대한 합의 순서와 일치했습니다.[86]
참고문헌
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