vavilovВавиловский журнал генетики и селекцииVavilov Journal of Genetics and Breeding2500-3259Institute of Cytology and Genetics of Siberian Branch of the RAS10.18699/VJGB-22-99vavilov-3584Research ArticleКОМПЬЮТЕРНАЯ ГЕНОМИКАCOMPUTATIONAL GENOMICSКонтекстные сигналы в митохондриальных микроРНК млекопитающихThe context signals of mitochondrial miRNAs (mitomiRs) of mammalsВишневскийО. В.VishnevskyO. V.

Новосибирск

Novosibirsk

pavel.vorozheykin@gmail.comВорожейкинП. С.VorozheykinP. S.

Новосибирск

Novosibirsk

https://orcid.org/0000-0002-2691-3292ТитовИ. И.TitovI. I.

Новосибирск

Novosibirsk

Федеральный исследовательский центр Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наукРоссияInstitute of Cytology and Genetics of the Siberian Branch of the Russian Academy of SciencesRussian FederationНовосибирский национальный исследовательский государственный университетРоссияNovosibirsk State UniversityRussian FederationФедеральный исследовательский центр Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук; Новосибирский национальный исследовательский государственный университет; Курчатовский геномный центр ИЦиГ СО РАНРоссияInstitute of Cytology and Genetics of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences; Novosibirsk State University; Kurchatov Genomic Center of ICG SB RASRussian Federation202205012023268819825Copyright © Вишневский О.В., Ворожейкин П.С., Титов И.И., 20232023Вишневский О.В., Ворожейкин П.С., Титов И.И.Vishnevsky O.V., Vorozheykin P.S., Titov I.I.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vavilov.elpub.ru/jour/article/view/3584

МикроРНК – это малые некодирующие РНК, которые регулируют экспрессию генов на посттранскрипционном уровне в цитоплазме, и, таким образом, играют важную роль в большом числе биологических процессов. Последние исследования обнаружили присутствие последовательностей микроРНК не только в цитоплазме, но и внутри митохондрий. Такие микроРНК (так называемые митомиры, mitomiRs) могут иметь ядерное или митохондриальное происхождение, при этом для некоторых из них установлена роль в регулировании функций митохондриальных генов, а для большинства она пока неизвестна. Выявление нуклеотидных сигналов, уникальных для митомиров, может помочь определить эту роль. В нашей работе составлена выборка экспериментально обнаруженных митомиров человека, мыши и крысы. С целью выделения сигналов, которые могут быть ответственны за функционирование митомиров и за их транспортировку в митохондрии или из них, осуществлен контекстный анализ для полученных последовательностей митомиров. Для трех видов в группе данных митомиры/не-митомиры и в группе всех микроРНК из базы miRBase выявлены статистически перепредставленные 8-буквенные мотивы (уровень значимости p < 0.01 с учетом поправки Бонферрони на мно жественность сравнения). Для этих мотивов обнаружены закономерности их локализации в функционально значимых участках для разных типов микроРНК. Для рассматриваемой группы митомиры/не-митомиры также обнаружены статистически значимые особенности нуклеотидного состава последовательностей микроРНК возле границ разрезания комплексами Drosha/ Dicer (критерий независимости χ2 Пирсона для первых трех позиций микроРНК с уровнем значимости p < 0.05). Наблюдаемые частоты нуклеотидов, предположительно, могут указывать на наличие у митомиров (в сравнении с не-митомирами) более однородного разрезания прай-миРНК комплексом Drosha при формировании 5’-конца последовательностей. Результаты работы могут быть полезными для выявления сигналов, принимающих участие в возникновении, процессинге и функциях митомиров.

MicroRNAs (miRNAs) are small non-coding RNAs that regulate gene expression at the post-transcriptional level in the cytoplasm and play an important role in a wide range of biological processes. Recent studies have found that the miRNA sequences are presented not only in the cytoplasm, but also in the mitochondria. These miRNAs (the so-called mitomiRs) may be the sequences of nuclear or mitochondrial origin; some of them are involved in regulation of the mitochondrial gene functions, while the role of others is still unknown. The identification of nucleotide signals, which are unique to mitomiRs, may help to determine this role. We formed a dataset that combined the experimentally discovered mitomiRs in human, rat and mouse. To isolate signals that may be responsible for the mitomiRs’ functions or for their translocation from or into mitochondria a context analysis was carried out for the sequences.  For three species in the group mitomiRs/non-mitomiRs and the group of all miRNAs from the miRBase database statistically overrepresented 8-letter motifs were identified (p-value < 0.01 with Bonferroni correction for multiple comparisons), for these motifs the patterns of the localization in functionally important regions for different types of miRNAs were found. Also, for the group mitomiRs/non-mitomiRs we found the statistically significant features of the miRNA nucleotide context near the Dicer and Drosha cleavage sites (Pearson’s χ2 test of independence for the first three positions of the miRNA, p-value < 0.05). The observed nucleotide frequencies may indicate a more homogeneous pri-miRNA cleavage by the Drosha complex during the formation of the 5’ end of mitomiRs. The obtained results can help to determine the role of the nucleotide signals in the origin, processing, and functions of the mitomiRs.

микроРНКпре-миРНКмитомирмитохондрияmiRNApre-miRNAmitomiRmitochondrionThe OV and IT works were supported by the Russian State Budgetary Project No. FWNR-2022-0020. The IT work was supported by the Kurchatov Genomic Center of ICG SB RAS (075-15-2019-1662).ReferencesAuyeung V.C., Ulitsky I., McGeary S.E., Bartel D.P. Beyond secondary structure: primary-sequence determinants license pri-miRNA hairpins for processing. Cell. 2013;152(4):844-858. DOI 10.1016/j.cell.2013.01.031.Auyeung V.C., Ulitsky I., McGeary S.E., Bartel D.P. Beyond secondary structure: primary-sequence determinants license pri-miRNA hairpins for processing. Cell. 2013;152(4):844-858. DOI 10.1016/j.cell.2013.01.031.Bandiera S., Rüberg S., Girard M., Cagnard N., Hanein S., Chrétien D., Munnich A., Lyonnet S., Henrion-Caude A. Nuclear outsourcing of RNA interference components to human mitochondria. PLoS One. 2011;6(6):e20746. DOI 10.1371/journal.pone.0020746.Bandiera S., Rüberg S., Girard M., Cagnard N., Hanein S., Chrétien D., Munnich A., Lyonnet S., Henrion-Caude A. Nuclear outsourcing of RNA interference components to human mitochondria. PLoS One. 2011;6(6):e20746. DOI 10.1371/journal.pone.0020746.Barrey E., Saint-Auret G., Bonnamy B., Damas D., Boyer O., Gidrol X. Pre-microRNA and mature microRNA in human mitochondria. PLoS One. 2011;6(5):e20220. DOI 10.1371/journal.pone.0020220.Barrey E., Saint-Auret G., Bonnamy B., Damas D., Boyer O., Gidrol X. Pre-microRNA and mature microRNA in human mitochondria. PLoS One. 2011;6(5):e20220. DOI 10.1371/journal.pone.0020220.Bartel D.P. Metazoan microRNAs. Cell. 2018;173(1):20-51. DOI 10.1016/j.cell.2018.03.006.Bartel D.P. Metazoan microRNAs. Cell. 2018;173(1):20-51. DOI 10.1016/j.cell.2018.03.006.Bian Z., Li L.-M., Tang R., Hou D.-X., Chen X., Zhang C.-Y., Zen K. Identification of mouse liver mitochondria-associated miRNAs and their potential biological functions. Cell Res. 2010;20(9):1076-1078. DOI 10.1038/cr.2010.119.Bian Z., Li L.-M., Tang R., Hou D.-X., Chen X., Zhang C.-Y., Zen K. Identification of mouse liver mitochondria-associated miRNAs and their potential biological functions. Cell Res. 2010;20(9):1076-1078. DOI 10.1038/cr.2010.119.Das S., Ferlito M., Kent O.A., Fox-Talbot K., Wang R., Liu D., Raghavachari N., Yang Y., Wheelan S.J., Murphy E., Steenbergen C. Nuclear miRNA regulates the mitochondrial genome in the heart. Circ. Res. 2012;110(12):1596-1603. DOI 10.1161/CIRCRESAHA.112.267732.Das S., Ferlito M., Kent O.A., Fox-Talbot K., Wang R., Liu D., Raghavachari N., Yang Y., Wheelan S.J., Murphy E., Steenbergen C. Nuclear miRNA regulates the mitochondrial genome in the heart. Circ. Res. 2012;110(12):1596-1603. DOI 10.1161/CIRCRESAHA.112.267732.Fang W., Bartel D.P. The menu of features that define primary microRNAs and enable de novo design of microRNA genes. Mol. Cell. 2015;60(1):131-145. DOI 10.1016/j.molcel.2015.08.015.Fang W., Bartel D.P. The menu of features that define primary microRNAs and enable de novo design of microRNA genes. Mol. Cell. 2015;60(1):131-145. DOI 10.1016/j.molcel.2015.08.015.Kozomara A., Birgaoanu M., Griffiths-Jones S. miRBase: from microRNA sequences to function. Nucleic Acids Res. 2019;47(D1): D155-D162. DOI 10.1093/nar/gky1141.Kozomara A., Birgaoanu M., Griffiths-Jones S. miRBase: from microRNA sequences to function. Nucleic Acids Res. 2019;47(D1): D155-D162. DOI 10.1093/nar/gky1141.Kren B.T., Wong P.Y.-P., Sarver A., Zhang X., Zeng Y., Steer C.J. MicroRNAs identified in highly purified liver-derived mitochondria may play a role in apoptosis. RNA Biol. 2009;6(1):65-72. DOI 10.4161/rna.6.1.7534.Kren B.T., Wong P.Y.-P., Sarver A., Zhang X., Zeng Y., Steer C.J. MicroRNAs identified in highly purified liver-derived mitochondria may play a role in apoptosis. RNA Biol. 2009;6(1):65-72. DOI 10.4161/rna.6.1.7534.Mercer T.R., Neph S., Dinger M.E., Crawford J., Smith M.A., Shearwood A.-M.J., Haugen E., Bracken C.P., Rackham O., Stamatoyannopoulos J.A., Filipovska A., Mattick J.S. The human mitochondrial transcriptome. Cell. 2011;146(4):645-658. DOI 10.1016/j.cell.2011.06.051.Mercer T.R., Neph S., Dinger M.E., Crawford J., Smith M.A., Shearwood A.-M.J., Haugen E., Bracken C.P., Rackham O., Stamatoyannopoulos J.A., Filipovska A., Mattick J.S. The human mitochondrial transcriptome. Cell. 2011;146(4):645-658. DOI 10.1016/j.cell.2011.06.051.Nguyen T.A., Jo M.H., Choi Y.-G., Park J., Kwon S.C., Hohng S., Kim V.N., Woo J.-S. Functional anatomy of the human microprocessor. Cell. 2015;161(6):1374-1387. DOI 10.1016/j.cell.2015.05.010.Nguyen T.A., Jo M.H., Choi Y.-G., Park J., Kwon S.C., Hohng S., Kim V.N., Woo J.-S. Functional anatomy of the human microprocessor. Cell. 2015;161(6):1374-1387. DOI 10.1016/j.cell.2015.05.010.Real R., Vargas J. M. The probabilistic basis of Jaccard’s index of similarity. Syst. Biol. 1996;45(3):380-385. DOI 10.1093/sysbio/45.3.380.Real R., Vargas J. M. The probabilistic basis of Jaccard’s index of similarity. Syst. Biol. 1996;45(3):380-385. DOI 10.1093/sysbio/45.3.380.Rolle K., Piwecka M., Belter A., Wawrzyniak D., Jeleniewicz J., Barciszewska M.Z., Barciszewski J. The sequence and structure determine the function of mature human miRNAs. PLoS One. 2016; 11(3):e0151246. DOI 10.1371/journal.pone.0151246.Rolle K., Piwecka M., Belter A., Wawrzyniak D., Jeleniewicz J., Barciszewska M.Z., Barciszewski J. The sequence and structure determine the function of mature human miRNAs. PLoS One. 2016; 11(3):e0151246. DOI 10.1371/journal.pone.0151246.Sripada L., Tomar D., Prajapati P., Singh R., Singh A.K., Singh R. Systematic analysis of small RNAs associated with human mitochondria by deep sequencing: detailed analysis of mitochondrial associated miRNA. PLoS One. 2012;7(9):e44873. DOI 10.1371/journal.pone.0044873.Sripada L., Tomar D., Prajapati P., Singh R., Singh A.K., Singh R. Systematic analysis of small RNAs associated with human mitochondria by deep sequencing: detailed analysis of mitochondrial associated miRNA. PLoS One. 2012;7(9):e44873. DOI 10.1371/journal.pone.0044873.Starega-Roslan J., Galka-Marciniak P., Krzyzosiak W.J. Nucleotide sequence of miRNA precursor contributes to cleavage site selection by Dicer. Nucleic Acids Res. 2015a;43(22):10939-10951. DOI 10.1093/nar/gkv968.Starega-Roslan J., Galka-Marciniak P., Krzyzosiak W.J. Nucleotide sequence of miRNA precursor contributes to cleavage site selection by Dicer. Nucleic Acids Res. 2015a;43(22):10939-10951. DOI 10.1093/nar/gkv968.Starega-Roslan J., Witkos T., Galka-Marciniak P., Krzyzosiak W. Sequence features of Drosha and Dicer cleavage sites affect the complexity of isomiRs. Int. J. Mol. Sci. 2015b;16(12):8110-8127. DOI 10.3390/ijms16048110.Starega-Roslan J., Witkos T., Galka-Marciniak P., Krzyzosiak W. Sequence features of Drosha and Dicer cleavage sites affect the complexity of isomiRs. Int. J. Mol. Sci. 2015b;16(12):8110-8127. DOI 10.3390/ijms16048110.Vishnevsky O.V., Kolchanov N.A. ARGO: a web system for the detection of degenerate motifs and large-scale recognition of eukaryotic promoters. Nucleic Acids Res. 2005;33(Web Server Iss.):W417W422. DOI 10.1093/nar/gki459.Vishnevsky O.V., Kolchanov N.A. ARGO: a web system for the detection of degenerate motifs and large-scale recognition of eukaryotic promoters. Nucleic Acids Res. 2005;33(Web Server Iss.):W417W422. DOI 10.1093/nar/gki459.Vorozheykin P.S., Titov I.I. Erratum to: How animal miRNAs structure influences their biogenesis. Russ. J. Genet. 2020;56(8):1012-1024. DOI 10.1134/S1022795420220019.Vorozheykin P.S., Titov I.I. Erratum to: How animal miRNAs structure influences their biogenesis. Russ. J. Genet. 2020;56(8):1012-1024. DOI 10.1134/S1022795420220019.Wang W.-X., Visavadiya N.P., Pandya J.D., Nelson P.T., Sullivan P.G., Springer J.E. Mitochondria-associated microRNAs in rat hippocampus following traumatic brain injury. Exp. Neurol. 2015;265:84-93. DOI 10.1016/j.expneurol.2014.12.018.Wang W.-X., Visavadiya N.P., Pandya J.D., Nelson P.T., Sullivan P.G., Springer J.E. Mitochondria-associated microRNAs in rat hippocampus following traumatic brain injury. Exp. Neurol. 2015;265:84-93. DOI 10.1016/j.expneurol.2014.12.018.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.