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Die Identifizierung des gesamten Satzes kodierender Elemente im Genom ist seit Beginn des Humangenomprojekts ein wichtiges Ziel und bleibt ein zentrales Ziel für das Verständnis biologischer Systeme und die Ätiologie genetisch bedingter Krankheiten 1,2,3,4. Fortschritte in der NGS-Technik haben zur Produktion ganzer Genomsequenzen für eine große Anzahl von Organismen geführt, darunter Wirbeltiere, Wirbellose, Hefen und Pflanzen5. Darüber hinaus haben transkriptionelle Hochdurchsatz-Sequenzierungsmethoden die Komplexität des zellulären Transkriptoms weiter aufgedeckt und Tausende neuartiger RNA-Moleküle mit proteinkodierenden und nicht-kodierenden Funktionen identifiziert 6,7. Die Entschlüsselung dieser riesigen Menge an Sequenzinformationen ist ein fortlaufender Prozess, und die Herausforderungen bei umfassenden Genannotationsbemühungenbleiben bestehen 8.
Die jüngste Entwicklung translationaler Profilierungsmethoden, einschließlich Ribosomenprofilierung 9,10 und Polyribosomensequenzierung 11, hat Hinweise darauf geliefert, dass Hunderte von nichtkanonischen Translationsereignissen derzeit unannotierten sORFs im gesamten Genom zugeordnet sind, mit dem Potenzial, kleine Proteine zu erzeugen, die Mikroproteine oder Mikropeptide genannt werden 12,13,14,15,16, 17. Mikroproteine haben sich aufgrund ihrer geringen Größe (<100 Aminosäuren) und des Fehlens klassischer proteinkodierender Geneigenschaften 8,12,18,19,20 bisher von Standard-Genannotationsmethoden übersehen. Mikroproteine wurden in praktisch allen Organismen beschrieben, einschließlich Hefe 21,22, Fliegen 17,23,24 und Säugetieren 25,26,27,28, und es wurde gezeigt, dass sie eine entscheidende Rolle in verschiedenen Prozessen spielen, einschließlich Entwicklung, Stoffwechsel und Stresssignalisierung 19,20,29, 30,31,32,33,34. Daher ist es unerlässlich, das Genom weiterhin nach zusätzlichen Mitgliedern dieser lange übersehenen Klasse funktioneller kleiner Proteine zu durchsuchen.
Trotz der weit verbreiteten Anerkennung der biologischen Bedeutung von Mikroproteinen ist diese Klasse von Genen in Genomannotationen nach wie vor stark unterrepräsentiert, und ihre genaue Identifizierung ist nach wie vor eine ständige Herausforderung, die den Fortschritt auf diesem Gebiet behindert hat. Verschiedene Berechnungswerkzeuge und experimentelle Methoden wurden kürzlich entwickelt, um die Schwierigkeiten zu überwinden, die mit der Identifizierung von Mikroprotein-kodierenden Sequenzen verbunden sind (ausführlich diskutiert in mehreren umfassenden Übersichtsarbeiten 8,35,36,37). Viele neuere Mikroprotein-Identifizierungsstudien 38,39,40,41,42,43,44,45,46,47 haben sich stark auf die Verwendung eines solchen Algorithmus namens PhyloCSF verlassen 48,49 , ein leistungsstarker vergleichender Genomikansatz, der genutzt werden kann, um konservierte proteinkodierende Regionen des Genoms von denen zu unterscheiden, die nicht kodierend sind.
PhyloCSF vergleicht Codon-Substitutionshäufigkeiten (CSF) unter Verwendung von Multispezies-Nukleotid-Alignments und phylogenetischen Modellen, um evolutionäre Signaturen von proteinkodierenden Genen nachzuweisen. Dieser empirische modellbasierte Ansatz beruht auf der Prämisse, dass Proteine in erster Linie auf der Aminosäureebene und nicht auf der Nukleotidsequenz konserviert werden. Daher werden synonyme Codon-Substitutionen, die die gleiche Aminosäure kodieren, oder Codon-Substitutionen zu Aminosäuren mit konservierten Eigenschaften (dh Ladung, Hydrophobie, Polarität) positiv bewertet, während nicht-synonyme Substitutionen, einschließlich Missverständnisse und Unsinnssubstitutionen, negativ abschneiden. PhyloCSF wird auf Daten des gesamten Genoms trainiert und hat sich als wirksam erwiesen, um kurze Teile einer kodierenden Sequenz (CDS) isoliert von der vollständigen Sequenz zu bewerten, was bei der Analyse von Mikroproteinen oder einzelnen Exons von Standardprotein-kodierenden Genenerforderlich ist 48,49.
Insbesondere die jüngste Integration der PhyloCSF-Track-Hubs in den Genome Browser 49,50,51 der University of California Santa Cruz (UCSC) ermöglicht es Ermittlern aller Hintergründe, leicht auf eine benutzerfreundliche Oberfläche zuzugreifen, um genomische Regionen von Interesse nach Proteinkodierungspotenzial abzufragen. Das unten beschriebene Protokoll enthält detaillierte Anweisungen zum Laden der PhyloCSF-Track-Hubs im UCSC Genome Browser und zur anschließenden Abfrage genomischer Regionen, die für die Suche nach proteinkodierenden Regionen mit hohem Konfidenzniveau (oder deren Fehlen) von Interesse sind. Darüber hinaus werden in dem Fall, in dem ein positiver PhyloCSF-Score beobachtet wird, Schritte beschrieben, um das mikroproteinkodierende Potenzial weiter zu analysieren und effizient mehrere Speziesausrichtungen der identifizierten Aminosäuresequenzen zu generieren, um die Sequenzerhaltung zwischen den Spezies zu veranschaulichen. Schließlich werden in der Diskussion mehrere zusätzliche öffentlich zugängliche Ressourcen und Werkzeuge vorgestellt, um identifizierte Mikroproteineigenschaften zu untersuchen, einschließlich vorhergesagter Domänenstrukturen und Einblicke in die mutmaßliche Mikroproteinfunktion.