comTAR: a web tool for the prediction and characterization of conserved microRNA targets in plants

Motivation: MicroRNAs (miRNAs) are major regulators of gene expression in plants and animals. They recognize their target messenger RNAs (mRNAs) by sequence complementarity and guide them to cleavage or translational arrest. So far, the prediction of plant miRNA–target pairs generally relies on the use of empirical parameters deduced from known miRNA–target interactions. Results: We developed comTAR, a web tool for the prediction of miRNA targets that is mainly based on the conservation of the potential regulation in different species. We used data generated from a pipeline applied to transcript datasets of 33 angiosperms that was used to build a database of potential miRNA targets of different plant species. The database contains information describing each miRNA–target pair, their function and evolutionary conservation, while the results are displayed in a user-friendly interface. The tool also allows the search using new miRNAs.Fil: Chorostecki, Uciel Pablo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Rosario. Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario; ArgentinaFil: Palatnik, Javier Fernando. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Rosario. Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario; Argentin

Aplicación bioinformática para predicción de genes regulados por microARNs en plantas

Los microARNs (o miARNs) son ARN no codificantes que regulan la expresión génica en animales y plantas, implicados en procesos biológicos muy variables, como el desarrollo, la diferenciación y el metabolismo. Estos pequeños ARNs de aproximadamente 21 nucleótidos reconocen secuencias parcialmente complementarias en los ARNm blanco, provocando su corte o arresto de la traducción. Los microARNs han saltado rápidamente a la primera plana del interés de la comunidad científica como un nuevo nivel en el control de la expresión génica en eucariotas. Estudios recientes han puesto de manifiesto que los microARNs están estrechamente involucrados en distintas enfermedades de importancia. Algunos tienen relación con distintos tipos de Cáncer y otros están relacionados con enfermedades cardíacas donde los niveles de expresión de microARNs específicos cambian en el corazón humano cuando están presentes dichas enfermedades. Los cálculos actuales consideran que entre el 20% y el 40% de los genes de humanos se encuentran regulados por microARNs. Este trabajo propone estudiar en forma automatizada a los microARNs en plantas, su biogénesis y los genes que regulan, a través de un enfoque multidisciplinario. Para esto presentaremos una estrategia bioinformática para la identificación de genes blancos de microARNs y además una herramienta web para el análisis y selección de los mejores genes blancos candidatos. Considerando que muchos de estos ARNs pequeños están ampliamente distribuidos en plantas, la herramienta a desarrollar estará basada principalmente en la conservación durante la evolución de la interacción del par microARN-gen blanco en distintas especies. Además, al estar los microARNs utilizados en este proyecto conservados en especies de interés agronómico las aplicaciones potenciales de este trabajo propuesto podrían ser inmediatas.Fil: Chorostecki, Uciel. Tesista del Departamento de Ciencias de la Computación. Facultad de Ciencias Exactas, Ingeniería y Agrimensura. Universidad Nacional de Rosario; Argentina

A hybrid approach to assess the structural impact of long noncoding RNA mutations uncovers key NEAT1 interactions in colorectal cancer

Long noncoding RNAs (lncRNAs) are emerging players in cancer and they entail potential as prognostic biomarkers or therapeutic targets. Earlier studies have identified somatic mutations in lncRNAs that are associated with tumor relapse after therapy, but the underlying mechanisms behind these associations remain unknown. Given the relevance of secondary structure for the function of some lncRNAs, some of these mutations may have a functional impact through structural disturbance. Here, we examined the potential structural and functional impact of a novel A > G point mutation in NEAT1 that has been recurrently observed in tumors of colorectal cancer patients experiencing relapse after treatment. Here, we used the nextPARS structural probing approach to provide first empirical evidence that this mutation alters NEAT1 structure. We further evaluated the potential effects of this structural alteration using computational tools and found that this mutation likely alters the binding propensities of several NEAT1-interacting miRNAs. Differential expression analysis on these miRNA networks shows upregulation of Vimentin, consistent with previous findings. We propose a hybrid pipeline that can be used to explore the potential functional effects of lncRNA somatic mutations.Funding information H2020 European Research Council, Grant/Award Number: 724173Peer ReviewedPostprint (published version

Multiple RNA recognition patterns during microRNA biogenesis in plants

MicroRNAs (miRNAs) derive from longer precursors with fold-back structures. While animal miRNA precursors have homogenous structures, plant precursors comprise a collection of fold-backs with variable size and shape. Here, we design an approach to systematically analyze miRNA processing intermediates and characterize the biogenesis of most of the evolutionarily conserved miRNAs present in Arabidopsis thaliana. We found that plant miRNAs are processed by four mechanisms, depending on the sequential direction of the processing machinery and the number of cuts required to release the miRNA. Classification of the precursors according to their processing mechanism revealed specific structural determinants for each group. We found that the complexity of the miRNA processing pathways occurs in both ancient and evolutionarily young sequences and that members of the same family can be processed in different ways. We observed that different structural determinants compete for the processing machinery and that alternative miRNAs can be generated from a single precursor. The results provide an explanation for the structural diversity of miRNA precursors in plants and new insights toward the understanding of the biogenesis of small RNAs.Fil: Bologna, Nicolas Gerardo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Rosario. Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario; ArgentinaFil: Schapire, Arnaldo Luis. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Rosario. Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario; ArgentinaFil: Zhai, Jixian. University of Delaware. Department of Plant & Soil Sciences; Estados Unidos. Delaware Biotechnology Institute; Estados UnidosFil: Chorostecki, Uciel Pablo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Rosario. Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario; ArgentinaFil: Boisbouvier, Jerome. Institut de Biologie Structurale Jean-Pierre Ebel; FranciaFil: Meyers, Blake C.. University of Delaware. Department of Plant & Soil Sciences; Estados Unidos. Delaware Biotechnology Institute; Estados UnidosFil: Palatnik, Javier Fernando. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Rosario. Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario; Argentin

Identification of key sequence features required for microRNA biogenesis in plants

MicroRNAs (miRNAs) are endogenous small RNAs of ∼21 nt that regulate multiple biological pathways in multicellular organisms. They derive from longer transcripts that harbor an imperfect stem-loop structure. In plants, the ribonuclease type III DICER-LIKE1 assisted by accessory proteins cleaves the precursor to release the mature miRNA. Numerous studies highlight the role of the precursor secondary structure during plant miRNA biogenesis; however, little is known about the relevance of the precursor sequence. Here, we analyzed the sequence composition of plant miRNA primary transcripts and found specifically located sequence biases. We show that changes in the identity of specific nucleotides can increase or abolish miRNA biogenesis. Most conspicuously, our analysis revealed that the identity of the nucleotides at unpaired positions of the precursor plays a crucial role during miRNA biogenesis in Arabidopsis

Estudios sobre la regulación de la expresión génica por microARNs en plantas mediante estrategias bioinformáticas

Los microARNs (o miARNs) son ARN no codificantes que regulan la expresión génica en animales y plantas, y están implicados en procesos biológicos muy variables, como el desarrollo, la diferenciación y el metabolismo. Con un largo de aproximadamente 21 nucleótidos, los miARNs reconocen secuencias parcialmente complementarias en los ARNm blanco, provocando su corte o arresto de la traducción. Los miARNs han saltado rápidamente a la primera plana del interés de la comunidad científica como un nuevo nivel en el control de la expresión génica en eucariotas. Estudios recientes han puesto de manifiesto que los miARNs están implicados en distintas patologías de seres humanos. Los cálculos actuales consideran que cerca del 40% de los genes de humanos se encuentran regulados por miARNs. Está generalmente aceptado que los miARNs en plantas tienen una extensiva complementariedad con sus genes blanco y su predicción por lo general se basa en el uso de parámetros empíricos deducidos de interacciones conocidas y validadas experimentalmente. En este trabajo, primero desarrollamos una estrategia para la identificación de genes blanco regulados por miARNs en plantas, basado en la conservación evolutiva del par miARN-gen blanco. Además, pudimos encontrar genes blanco específicos de Solanaceae y demostrar que la estrategia se puede utilizar para la búsqueda de genes blanco pertenecientes a un grupo determinado de especies. Esta estrategia fue usada para predecir nuevas interacciones no conocidas anteriormente en Arabidopsis thaliana, que luego fueron validados experimentalmente. Algunos de los nuevos genes identificados podrían participar de las mismas vías que genes blanco conocidos anteriormente, sugiriendo que algunos miARNs pueden controlar diferentes aspectos de un proceso biológico. A partir de estos resultados, desarrollamos una herramienta bioinformática disponible en un servidor de acceso público para identificar genes blanco de miARNs basada principalmente en la conservación durante la evolución de la interacción del par miARN-gen blanco en distintas especies. La herramienta también brinda una descripción de varios parámetros de las interacciones miARN-gen blanco en distintas especies, que puede ser útil para mejorar los sistemas de predicción y describir la co-evolucion de los miARNs y los genes blanco. La biogénesis de los miARNs es un proceso clave porque determina la secuencia exacta de nucleótidos del ARN pequeño funcional, que luego determina los genes a ser regulados. Los precursores de miARNs de plantas son muy variables en forma y tamaño en comparación con los precursores de miARNs de plantas. Y por lo tanto, poco se sabía sobre el reconocimiento de los precursores por la maquinaria de procesamiento. En la segunda parte de este trabajo presentamos una estrategia para estudiar la conservación de los precursores de miARNs de plantas en distintas especies identificando regiones y dominios presentes en distintas especies. A partir de estos resultados, desarrollamos un herramienta de visualización para poder analizar fácilmente la conservación de la estructura primaria y secundaria de los precursores de miARNs. El análisis las mismas reveló que existe una marcada correlación entre la conservación de los precursores y el mecanismo de procesamiento. Los resultados muestran patrones de onservación en los dominios necesarios para el procesamiento, y permiten deducir un modelo general del reconocimiento del ARN durante la biogénesis de miARNs.Fil: Chorostecki, Uciel Pablo. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario; Argentin

Structural characterization of NORAD reveals a stabilizing role of spacers and two new repeat units

Long non-coding RNAs (lncRNAs) can perform a variety of key cellular functions by interacting with proteins and other RNAs. Recent studies have shown that the functions of lncRNAS are largely mediated by their structures. However, our structural knowledge for most lncRNAS is limited to sequence-based computational predictions. Non-coding RNA activated by DNA damage (NORAD) is an atypical lncRNA due to its abundant expression and high sequence conservation. NORAD regulates genomic stability by interacting with proteins and microRNAs. Previous sequence-based characterization has identified a modular organization of NORAD composed of several NORAD repeat units (NRUs). These units comprise the protein-binding elements and are separated by regular spacers. Here, we experimentally determine for the first time the secondary structure of NORAD using the nextPARS approach. Our results suggest that the spacer regions provide structural stability to NRUs. Furthermore, we uncover two previously unreported NRUs, and determine the core structural motifs conserved across NRUs. Overall, these findings will help to elucidate the function and evolution of NORAD.UC was funded in part through H2020 Marie Skłodowska-Curie Actions (H2020-MSCA-IF-2017-793699) and MICINN (IJC2019-039402-I). TG group acknowledges support from the Spanish Ministry of Science and Innovation for grant PGC2018-099921-B-I00, cofounded by European Regional Development Fund (ERDF); from the Catalan Research Agency (AGAUR) SGR423; from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme (ERC-2016-724173); from the Gordon and Betty Moore Foundation (Grant GBMF9742) and from the Instituto de Salud Carlos III (INB Grant PT17/0009/0023 - ISCIII-SGEFI/ERDF).Peer ReviewedPostprint (published version

Efficiency and precision of microRNA biogenesis modes in plants

Many evolutionarily conserved microRNAs (miRNAs) in plants regulate transcription factors with key functions in development. Hence, mutations in the core components of the miRNA biogenesis machinery cause strong growth defects. An essential aspect of miRNA biogenesis is the precise excision of the small RNA from its precursor. In plants, miRNA precursors are largely variable in size and shape and can be processed by different modes. Here, we optimized an approach to detect processing intermediates during miRNA biogenesis. We characterized a miRNA whose processing is triggered by a terminal branched loop. Plant miRNA processing can be initiated by internal bubbles, small terminal loops or branched loops followed by dsRNA segments of 15–17 bp. Interestingly, precision and efficiency vary with the processing modes. Despite the various potential structural determinants present in a single a miRNA precursor, DCL1 is mostly guided by a predominant structural region in each precursor in wildtype plants. However, our studies in fiery1, hyl1 and se mutants revealed the existence of cleavage signatures consistent with the recognition of alternative processing determinants. The results provide a general view of the mechanisms underlying the specificity of miRNA biogenesis in plants.This article has been accepted for publication in Nucleic Acids Research Published by Oxford University Press.Fil: Moro, Belén. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario (IBR -CONICET); Argentina.Fil: Moro, Belén. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas; Argentina.Fil: Chorostecki, Uciel Pablo. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario (IBR -CONICET); Argentina.Fil: Chorostecki, Uciel Pablo. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas; Argentina.Fil: Arikit, Siwaret. Kasetsart University. Department of Agronomy, Kamphaeng Saen and Rice Science Center; Thailand.Fil: Suárez, Irina Paula. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario (IBR -CONICET); Argentina.Fil: Höbartner, Claudia. Universität Würzburg. Institut für Organische Chemie; Deutchland.Fil: Rasia, Rodolfo M. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario (IBR -CONICET); Argentina.Fil: Rasia, Rodolfo M. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas; Argentina.Fil: Meyers, Blake C. Donald Danforth Plant Science Center; United States.Fil: Meyers, Blake C. University of Missouri. Department of Plant Science; United States.Fil: Palatnik, Javier F. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario (IBR -CONICET); Argentina.Fil: Palatnik, Javier F. Universidad Nacional de Rosario. Centro de Estudios Interdisciplinarios (CEI); Argentina

Spatial control of gene expression by miR319-regulated TCP transcription factors in leaf development

The characteristic leaf shapes we see in all plants are in good part the outcome of the combined action of several transcription factor networks that translate into cell division activity during the early development of the organ. We show here that wild-type leaves have distinct transcriptomic profiles in center and marginal regions. Certain transcripts are enriched in margins, including those of CINCINNATA-like TCPs (TEOSINTE BRANCHED, CYCLOIDEA and PCF1/2) and members of the NGATHA and STYLISH gene families. We study in detail the contribution of microRNA319 (miR319)-regulated TCP transcription factors to the development of the center and marginal regions of Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) leaves. We compare in molecular analyses the wild type, the tcp2 tcp4 mutant that has enlarged flat leaves, and the tcp2 tcp3 tcp4 tcp10 mutant with strongly crinkled leaves. The different leaf domains of the tcp mutants show changed expression patterns for many photosynthesisrelated genes, indicating delayed differentiation, especially in the marginal parts of the organ. At the same time, we found an up-regulation of cyclin genes and other genes that are known to participate in cell division, specifically in the marginal regions of tcp2 tcp3 tcp4 tcp10. Using GUS reporter constructs, we confirmed extended mitotic activity in the tcp2 tcp3 tcp4 tcp10 leaf, which persisted in small defined foci in the margins when the mitotic activity had already ceased in wild-type leaves. Our results describe the role of miR319-regulated TCP transcription factors in the coordination of activities in different leaf domains during organ development.Fil: Bresso, Edgardo G.. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Universidad Nacional de Rosario, Argentina; ArgentinaFil: Chorostecki, Uciel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Universidad Nacional de Rosario; ArgentinaFil: Rodriguez, Ramiro E.. Universidad Nacional de Rosario; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Palatnik, Javier Fernando. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Universidad Nacional de Rosario; ArgentinaFil: Schommer, Carla. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Universidad Nacional de Rosario; Argentin

MetaPhOrs 2.0: integrative, phylogeny-based inference of orthology and paralogy across the tree of life

Inferring homology relationships across genes in different species is a central task in comparative genomics. Therefore, a large number of resources and methods have been developed over the years. Some public databases include phylogenetic trees of homologous gene families which can be used to further differentiate homology relationships into orthology and paralogy. MetaPhOrs is a web server that integrates phylogenetic information from different sources to provide orthology and paralogy relationships based on a common phylogeny-based predictive algorithm and associated with a consistency-based confidence score. Here we describe the latest version of the web server which includes major new implementations and provides orthology and paralogy relationships derived from ∼8.2 million gene family trees-from 13 different source repositories across ∼4000 species with sequenced genomes. MetaPhOrs server is freely available, without registration, at http://orthology.phylomedb.org/.H2020 Marie Skłodowska-Curie Actions [H2020-MSCA-IF-2017-793699 to U.C.]; Spanish Ministry of Economy, Industry, and Competitiveness (MEIC) [PGC2018-099921-B-I00]; CERCA Programme/Generalitat de Catalunya; Catalan Research Agency (AGAUR) SGR423; European Union's Horizon 2020 Research and Innovation Programme [ERC-2016-724173]; INB [PT17/0009/0023 - ISCIII-SGEFI/ERDF to T.G.]. Funding for open access charge: H2020Grant