<p>Alternativ splicing är en process som ger upphov till att olika mRNA-sekvenser bildas från en enda gen, vilket bidrar till en ökad proteindiversitet hos organismen. Olika mRNA-sekvenser kan uppstå eftersom att det förekommer olika varianter av alternativ splicing som även kan kombineras på flera olika sätt: cassette exon (inkludering/exkludering av exon), intron retention (intronet behålls), alternative 5´splice-site choice (olika 5´ splice sites kan väljas) och slutligen alternative 3´ splice-site choice (andra 3´ splice sites kan väljas). För att alternativ splicing ska äga rum i olika pre-mRNA måste den regleras av cis-reglerande element. De cis-reglerande elementen utgörs av fyra grupper: exonic splicing enhancers (ESE), exonic splicing silencers (ESS), intronic splicing enhancers (ISE) samt intronic splicing silencers (ISS). Som namnen förtäljer finns de antingen i exoner eller introner, där de interagerar med transagerande faktorer, SR-proteiner (aktiverare) eller hnRNPs (hämmare). Alternativ splicing förekommer både i djur och i växter. Hos <em>Homo sapiens </em>genomgår över 74 % av de 25,000 gener som finns hos organismen, alternativ splicing. Däremot i växten <em>Arabidopsis thaliana</em>, genomgår endast 22 %, av den totala mängden på cirka 26,000 gener, alternativ splicing. Eftersom att processen bidrar till en ökad proteindiversitet, kommer det medföra att olika processer i organismerna påverkas, exempelvis celltillväxt, celldöd samt utvecklingen av olika sjukdomar, såsom Parkinson och cystisk fibros. Många studier har gjorts som bekräftar dess betydelse för organismerna men på grund av processens komplexitet är det fortfarande ett ämne som ständigt måste utforskas.</p><p> </p>

Alternativ splicing är en process som ger upphov till att olika mRNA-sekvenser bildas från en enda gen, vilket bidrar till en ökad proteindiversitet hos organismen. Olika mRNA-sekvenser kan uppstå eftersom att det förekommer olika varianter av alternativ splicing som även kan kombineras på flera olika sätt: cassette exon (inkludering/exkludering av exon), intron retention (intronet behålls), alternative 5´splice-site choice (olika 5´ splice sites kan väljas) och slutligen alternative 3´ splice-site choice (andra 3´ splice sites kan väljas). För att alternativ splicing ska äga rum i olika pre-mRNA måste den regleras av cis-reglerande element. De cis-reglerande elementen utgörs av fyra grupper: exonic splicing enhancers (ESE), exonic splicing silencers (ESS), intronic splicing enhancers (ISE) samt intronic splicing silencers (ISS). Som namnen förtäljer finns de antingen i exoner eller introner, där de interagerar med transagerande faktorer, SR-proteiner (aktiverare) eller hnRNPs (hämmare). Alternativ splicing förekommer både i djur och i växter. Hos Homo sapiens genomgår över 74 % av de 25,000 gener som finns hos organismen, alternativ splicing. Däremot i växten Arabidopsis thaliana, genomgår endast 22 %, av den totala mängden på cirka 26,000 gener, alternativ splicing. Eftersom att processen bidrar till en ökad proteindiversitet, kommer det medföra att olika processer i organismerna påverkas, exempelvis celltillväxt, celldöd samt utvecklingen av olika sjukdomar, såsom Parkinson och cystisk fibros. Många studier har gjorts som bekräftar dess betydelse för organismerna men på grund av processens komplexitet är det fortfarande ett ämne som ständigt måste utforskas.

Thesis (Ph. D.)--University of Washington, 2006. / Vita. Includes bibliographical references (leaves 106-119).

Human genes often, through alternative splicing of pre-messenger RNAs, produce multiple mRNAs and protein isoforms that may have similar or completely different functions. Identification of splice sites is, therefore, crucial to understand the gene structure and variants of mRNA and protein isoforms produced by the primary RNA transcripts. Although many computational methods have been developed to detect the splice sites in humans, this is still substantially a challenging problem and further improvement of the computational model is still foreseeable. Accordingly, we developed DeepDSSR (deep donor splice site recognizer), a novel deep learning based architecture, for predicting human donor splice sites. The proposed method, built upon publicly available and highly imbalanced benchmark dataset, is comparable with the leading deep learning based methods for detecting human donor splice sites. Performance evaluation metrics show that DeepDSSR outperformed the existing deep learning based methods. Future work will improve the predictive capabilities of our model, and we will build a model for the prediction of acceptor splice sites.

RNA splicing is a process where introns are removed and exons are joined together. Human adenovirus type 2 pre-mRNAs undergoes intensive alternative splicing and produce more than 40 differently spliced mRNAs.  This thesis work is focused on the identification of new splice sites in adenovirus. By virtue of Illumina mRNA sequencing technology we have identified 255 splice sites. Splice site analysis of the introns revealed the presence of three types of splice sites GT-AG (61.2%), GC-AG (25.9%) and AT-AC (12.9%). Among 255 splice sites, 224 were new. Significantly, more than 50% of the new splice sites were located in the major late transcription unit on the positive strand of adenovirus DNA. Three new splice sites; 17452-29489 (GC-AG) located on the negative strand of adenovirus DNA in the E2 region, 9668-20346 (AT-AC) and 9699-30505 (GC-AG) on the positive strand of adenovirus DNA in the major late transcription unit were further confirmed by PCR analysis. / Adenovirus replication and transcriptome

Eukaryotic cells exhibit an extensive transcriptional diversity. Only about a quarter of the total RNA in the human cell can be accounted for by messenger RNA (mRNA), which convey genetic code for protein generation. The remaining part of the transcriptome consists of rather heterogenous molecules. While some classes are well defined and have been shown to carry out distinct functions, ranging from housekeeping to complex regulatory tasks, a big fraction of the transcriptional output is categorized solely based on the lack of protein-coding capacity and transcript length. Several studies have shown, that as a group, mRNA-like long non-coding RNAs (lncRNAs), are under stabilizing selection, however at much weaker levels than mRNAs. The conservation at the level of primary sequence is even lower, blurring the contrast between exonic and intronics parts, which impedes traditional methods of genome-wide homology search. As a consequence their evolutionary history is a fairly unexplored field and apart from a few experimentally studied cases, the vast majority of them is reported to be poorly conserved. However, the pervasive transcription and the highly spatio-temporal specific expression patterns of lncRNAs suggests their functional importance and makes their evolutionary age and conservation patterns a topic of interest. By employing diverse computational methods, recent studies shed light on the common conservation of lncRNA’s secondary and gene structures, highlighting the significance of structural features on functionality. Splice sites, in particular, are frequently retained over very large evolutionary time scales, as they maintain the intron-exon-structure of the transcript. Consequently, the conservation of splice sites can be utilized in a comparative genomics approach to establish homology and predict evolutionarily well-conserved transcripts, regardless of their coding capacity. Since splice site conservation cannot be directly inferred from experimental evidence, in the course of this thesis a computational pipeline was established to generate comparative maps of splice sites based on multiple sequence alignments together with transcriptomics data. Scoring schemes for splice site motifs are employed to assess the conservation of orthologs. This resource can then be used to systemically study the conservation patterns of RNAs and their gene structures. This thesis will demonstrate the versatility of this method by showcasing biological applications of three distinct studies. First, a comprehensive annotation of the human transcriptome, from RefSeq, ESTs and GENCODE, was used to trace the evolution of human lncRNAs. A large majority of human lncRNAs is found to be conserved across Eutheria, and many hundreds originated before the divergence of marsupials and placental mammals. However, they exhibit a rapid turnover of their transcript structures, indicating that they are actual ancient components of the vertebrate genome with outstanding evolutionary plasticity. Additionally, a public web server was setup, which allows the user to retrieve sets of orthologous splice sites from pre-computed comparative splice site maps and inspect visualizations of their conservation in the respective species. Second, a more specific data set of non-colinearly spliced latimerian RNAs is studied to fathom the origins of atypical transcripts. RNA-seq data from two coelacanth species are analyzed, yielding thousands of circular and trans-spliced products, with a surprising exclusivity of the majority of their splice junctions to atypically spliced forms, that is they are not used in linear isoforms. The conservation analysis with comparative splice site maps yielded high conservation levels for both cir- cularizing and trans-connecting splice sites. This fact in combination with their abundance strongly suggests that atypical RNAs are evolutionarily old and of functional importance. Lastly, comparative splice site maps are used to investigate the role of lncRNAs in the evolution of the Alzheimer’s disease (AD). The human specificity of AD clearly points out a phylogenetic aspect of the disease, which makes the evolutionary analysis a very promising field of research. Protein- coding and non-protein-coding regions, that have been identified to be differentially expressed in AD patients, are analyzed for conservation of their splice site and evolution of their exon-intron-structure. Both non-coding and protein-coding AD-associated genes are shown to have evolved more rapidly in their gene structure than the genome at large. This supports the view of AD as a consequence of the recent rapid adaptive evolution of the human brain. This phylogenetic trait might have far reaching consequences with respect to the appropriateness of animal models and the development of disease-modifying strategies. / Eukaryotische Zellen legen eine umfangreiche transkriptionelle Vielfalt an den Tag. Nur etwa ein Viertel der in der menschlichen Zelle enthaltenen RNA ist messenger RNA (mRNA), welche den genetischen Code für die Proteingenerierung übermittelt. Der verbleibende Anteil des Transkriptoms besteht aus eher heterogenen Molekülen. Während einigen wohldefinierten Klassen spezifische Funktionen zugeordnet werden können, welche von Zellhaushalt bis zu komplexen regulatorischen Aufgaben reichen, wird ein großer Teil der transkriptionellen Produktion ausschließlich auf Grundlage der fehlenden Kodierungskapazität und der Transkriptlänge kategorisiert. Einige Studien zeigten, dass mRNA-ähnliche lange nicht-kodierende RNA (lncRNA) als Gruppe unter stabilisierender Selektion stehen, wenn auch in einem weitaus geringeren Ausmaß als mRNAs. Die Konservierung auf Ebene der primären Sequenz ist sogar noch niedriger, wodurch der Kontrast zwischen exonischen und intronischen Elementen verschwimmt und Methoden der traditionellen Homologiesuche erschwert werden. Infolgedessen ist die evolutionäre Geschichte der lncRNAs ein recht unerforschtes Gebiet und abgesehen von ein paar vereinzelten Fallstudien wird die große Mehrheit als schwach konserviert vermeldet. Die tiefgreifende Transkription und die in Raum und Zeit hochspezifischen Expressionsmuster von lncRNA deuten jedoch auf deren funktionelle Bedeutung hin und machen ihr evolutionäres Alter und ihre Konservierungsmuster zu einem Thema von Interesse. Durch die Verwendung von computergestützten Methoden konnten jüngste Studien die verbreitete Konservierung von Sekundär- und Genstruktur von lncRNAs aufzeigen, was die Signifikanz von strukturellen Merkmalen in Bezug auf deren Funktionalität unterstreicht. Spleißstellen im besonderen werden oft über lange evolutionäre Zeitspannen erhalten, da sie die Intron-Exon-Struktur des Transkripts bewahren. Folglich, kann die Konservierung von Spleißstellen durch einen Ansatz der vergleichenden Genomik benutzt werden, um Homologie herzuleiten und evolutionär gut konservierte Transkripte unabhängig von deren Kodierungskapazität zu prognostizieren. Da es nicht möglich ist die Spleißstellenkonservierung direkt anhand von experimentellen Indikatoren abzulesen, wurde im Zuge dieser These eine computergestützte Methode entwickelt, welche, basierend auf multiplen Sequenzalignments und Transkriptomikdaten, “Vergleichskarten” von Spleißstellen erstellt. Ein Punktebewertungssystem für Spleißstellenmotive wird benutzt um die Konservierung der Orthologen zu beurteilen. Diese Resource kann anschließend verwendet werden um systematisch die Konservierungsmuster von RNAs und deren Genstrukturen zu untersuchen. Diese Arbeit wird die Vielseitigkeit dieser Methode demonstrieren, indem die biologische Anwendung in drei verschiedenen Studien präsentiert wird. Zuerst wird eine umfassende Annotation des menschlichen Transkriptoms, basierend auf RefSeq, EST und GENCODE, benutzt, um die Evolution von humanen lncRNAs nachzuvollziehen. Es konnte festgestellt werden, dass eine große Mehrheit der menschlichen lncRNAs innerhalb der Eutheria konserviert ist und mehrere hundert bereits vor der Auseinanderentwicklung von Beuteltieren und höheren Säugetieren entstanden. Dennoch zeigen sie eine rasante Veränderung in ihren Transkriptstrukturen, welche darauf hindeutet, dass sie tatsächlich alte Bestandteile von Vertebratengenomen mit bemerkenswerter evolutionärer Formbarkeit sind. Zusätzlich wurde ein öffentlicher Webserver aufgesetzt, der dem Nutzer ermöglicht Datensätze orthologer Spleißstellen aus vorgenerierten Vergleichskarten zu extrahieren und Visualisierungen der Konservierung in den jeweiligen Spezies zu betrachten. Als zweites wird ein spezifischerer Datensatz von nicht-linear gespleißten Latimeria-RNA untersucht um die Ursprünge untypischer Transkripte zu ergründen. Die Analyse der RNA-seq Daten zweier Exemplare des Quastenflossers ergab tausende zirkulärer und Transspleiß-Produkte, wobei die Mehrheit der Spleißverbindungen eine überraschende Exklusivität für untypisch gespleißte Formen aufzeigt, d.h. diese werden nicht für lineare Isoformen genutzt. Die Konservierungsanalyse mit Spleißstellen-Vergleichskarten ergibt hohe Konservierungsniveaus sowohl für zirkulärisierende als auch für trans-verbindende Spleißstellen. Diese Tatsache in Kombination mit ihrem häufigen Vorkommen, deutet stark darauf hin, dass untypische RNAs evolutionär alt und von funktioneller Bedeutung sind. Zuletzt werden Spleißstellen-Vergleichskarten benutzt um die Rolle von lncRNAs in der Evolution der Alzheimer-Krankheit (AK) zu untersuchen. Die Spezifität der AK auf den Menschen weist klar auf einen phylogenetischen Aspekt der Krankheit hin, was deren evolutionäre Analyse zu einem vielversprechenden Forschungsgebiet macht. Proteinkodierende und nicht-proteinkodierende Regionen, bei denen eine differentielle Expression in AK-Patienten erkannt wurde, werden auf die Konservierung ihrer Spleißstellen und Evolution ihrer Exon-Intron-Strukturen hin analysiert. Es kann nachgewiesen werden, dass sich die Genstruktur von sowohl nicht-kodierenden als auch von proteinkodierenden AK-assoziierten Genen schneller entwickelt als das Genom im Allgemeinen. Das unterstützt die Auffassung, dass AK die Folge einer kürzlichen rasanten adaptiven Evolution des menschlichen Gehirns ist. Diese phylogenetische Eigenschaft könnte weitreichende Konsequenzen in Bezug auf die Angemessenheit von Tiermodellen und die Entwicklung von krankheitsmodifizierenden Strategien haben.

L'incessant augment del nombre de seqüències genòmiques, juntament amb l'increment del nombre de tècniques experimentals de les que es disposa, permetrà obtenir el catàleg complet de les funcions cel.lulars de diferents organismes, incloent-hi la nostra espècie. Aquest catàleg definirà els fonaments sobre els que es podrà entendre millor com els organismes funcionen a nivell molecular. Al mateix temps es tindran més pistes sobre els canvis que estan associats amb les malalties. Per tant, la seqüència en brut, tal i com s'obté dels projectes de seqüenciació de genomes, no té cap valor sense les anàlisis i la subsegüent anotació de les característiques que defineixen aquestes funcions. Aquesta tesi presenta la nostra contribució en tres aspectes relacionats de l'anotació dels gens en genomes eucariotes. Primer, la comparació a nivell de seqüència entre els genomes humà i de ratolí es va dur a terme mitjançant un protocol semi-automàtic. El programa de predicció de gens SGP2 es va desenvolupar a partir d'elements d'aquest protocol. El concepte al darrera de l'SGP2 és que les regions de similaritat obtingudes amb el programa TBLASTX, es fan servir per augmentar la puntuació dels exons predits pel programa geneid, amb el que s obtenen conjunts d'anotacions més acurats d'estructures gèniques. SGP2 té una especificitat que és prou gran com per que es puguin validar experimentalment via RT-PCR. La validació de llocs d'splicing emprant la tècnica de la RT-PCR és un bon exemple de com la combinació d'aproximacions computacionals i experimentals produeix millors resultats que per separat. S'ha dut a terme l'anàlisi descriptiva a nivell de seqüència dels llocs d'splicing obtinguts sobre un conjunt fiable de gens ortòlegs per humà, ratolí, rata i pollastre. S'han explorat les diferències a nivell de nucleòtid entre llocs U2 i U12, pel conjunt d'introns ortòlegs que se'n deriva d'aquests gens. S'ha trobat que els senyals d'splicing ortòlegs entre humà i rossegadors, així com entre rossegadors, estan més conservats que els llocs no relacionats. Aquesta conservació addicional pot ser explicada però a nivell de conservació basal dels introns. D'altra banda, s'ha detectat més conservació de l'esperada entre llocs d'splicing ortòlegs entre mamífers i pollastre. Els resultats obtinguts també indiquen que les classes intròniques U2 i U12 han evolucionat independentment des de l'ancestre comú dels mamífers i les aus. Tampoc s'ha trobat cap cas convincent d'interconversió entre aquestes dues classes en el conjunt d'introns ortòlegs generat, ni cap cas de substitució entre els subtipus AT-AC i GT-AG d'introns U12. Al contrari, el pas de GT-AG a GC-AG, i viceversa, en introns U2 no sembla ser inusual. Finalment, s'han implementat una sèrie d'eines de visualització per integrar anotacions obtingudes pels programes de predicció de gens i per les anàlisis comparatives sobre genomes. Una d'aquestes eines, el gff2ps, s'ha emprat en la cartografia dels genomes humà, de la mosca del vinagre i del mosquit de la malària, entre d'altres. El programa gff2aplot i els filtres associats, han facilitat la tasca d'integrar anotacions de seqüència amb els resultats d'eines per la cerca d'homologia, com ara el BLAST. S'ha adaptat també el concepte de pictograma a l'anàlisi comparativa de llocs d splicing ortòlegs, amb el desenvolupament del programa compi. / El aumento incesante del número de secuencias genómicas, junto con el incremento del número de técnicas experimentales de las que se dispone, permitirá la obtención del catálogo completo de las funciones celulares de los diferentes organismos, incluida nuestra especie. Este catálogo definirá las bases sobre las que se pueda entender mejor el funcionamiento de los organismos a nivel molecular. Al mismo tiempo, se obtendrán más pistas sobre los cambios asociados a enfermedades. Por tanto, la secuencia en bruto, tal y como se obtiene en los proyectos de secuenciación masiva, no tiene ningún valor sin los análisis y la posterior anotación de las características que definen estas funciones. Esta tesis presenta nuestra contribución a tres aspectos relacionados de la anotación de los genes en genomas eucariotas. Primero, la comparación a nivel de secuencia entre el genoma humano y el de ratón se llevó a cabo mediante un protocolo semi-automático. El programa de predicción de genes SGP2 se desarrolló a partir de elementos de dicho protocolo. El concepto sobre el que se fundamenta el SGP2 es que las regiones de similaridad obtenidas con el programa TBLASTX, se utilizan para aumentar la puntuación de los exones predichos por el programa geneid, con lo que se obtienen conjuntos más precisos de anotaciones de estructuras génicas. SGP2 tiene una especificidad suficiente como para validar esas anotaciones experimentalmente vía RT-PCR. La validación de los sitios de splicing mediante el uso de la técnica de la RT-PCR es un buen ejemplo de cómo la combinación de aproximaciones computacionales y experimentales produce mejores resultados que por separado. Se ha llevado a cabo el análisis descriptivo a nivel de secuencia de los sitios de splicing obtenidos sobre un conjunto fiable de genes ortólogos para humano, ratón, rata y pollo. Se han explorado las diferencias a nivel de nucleótido entre sitios U2 y U12 para el conjunto de intrones ortólogos derivado de esos genes. Se ha visto que las señales de splicing ortólogas entre humanos y roedores, así como entre roedores, están más conservadas que las no ortólogas. Esta conservación puede ser explicada en parte a nivel de conservación basal de los intrones. Por otro lado, se ha detectado mayor conservación de la esperada entre sitios de splicing ortólogos entre mamíferos y pollo. Los resultados obtenidos indican también que las clases intrónicas U2 y U12 han evolucionado independientemente desde el ancestro común de mamíferos y aves. Tampoco se ha hallado ningún caso convincente de interconversión entre estas dos clases en el conjunto de intrones ortólogos generado, ni ningún caso de substitución entre los subtipos AT-AC y GT-AG en intrones U12. Por el contrario, el paso de GT-AG a GC-AG, y viceversa, en intrones U2 no parece ser inusual. Finalmente, se han implementado una serie de herramientas de visualización para integrar anotaciones obtenidas por los programas de predicción de genes y por los análisis comparativos sobre genomas. Una de estas herramientas, gff2ps, se ha utilizado para cartografiar los genomas humano, de la mosca del vinagre y del mosquito de la malaria. El programa gff2aplot y los filtros asociados, han facilitado la tarea de integrar anotaciones a nivel de secuencia con los resultados obtenidos por herramientas de búsqueda de homología, como BLAST. Se ha adaptado también el concepto de pictograma al análisis comparativo de los sitios de splicing ortólogos, con el desarrollo del programa compi. / The constantly increasing amount of available genome sequences, along with an increasing number of experimental techniques, will help to produce the complete catalog of cellular functions for different organisms, including humans. Such a catalog will define the base from which we will better understand how organisms work at the molecular level. At the same time it will shed light on which changes are associated with disease. Therefore, the raw sequence from genome sequencing projects is worthless without the complete analysis and further annotation of the genomic features that define those functions. This dissertation presents our contribution to three related aspects of gene annotation on eukaryotic genomes. First, a comparison at sequence level of human and mouse genomes was performed by developing a semi-automatic analysis pipeline. The SGP2 gene-finding tool was developed from procedures used in this pipeline. The concept behind SGP2 is that similarity regions obtained by TBLASTX are used to increase the score of exons predicted by geneid, in order to produce a more accurate set of gene structures. SGP2 provides a specificity that is high enough for its predictions to be experimentally verified by RT-PCR. The RT-PCR validation of predicted splice junctions also serves as example of how combined computational and experimental approaches will yield the best results. Then, we performed a descriptive analysis at sequence level of the splice site signals from a reliable set of orthologous genes for human, mouse, rat and chicken. We have explored the differences at nucleotide sequence level between U2 and U12 for the set of orthologous introns derived from those genes. We found that orthologous splice signals between human and rodents and within rodents are more conserved than unrelated splice sites. However, additional conservation can be explained mostly by background intron conservation. Additional conservation over background is detectable in orthologous mammalian and chicken splice sites. Our results also indicate that the U2 and U12 intron classes have evolved independently since the split of mammals and birds. We found neither convincing case of interconversion between these two classes in our sets of orthologous introns, nor any single case of switching between AT-AC and GT-AG subtypes within U12 introns. In contrast, switching between GT-AG and GC-AG U2 subtypes does not appear to be unusual. Finally, we implemented visualization tools to integrate annotation features for gene- finding and comparative analyses. One of those tools, gff2ps, was used to draw the whole genome maps for human, fruitfly and mosquito. gff2aplot and the accompanying parsers facilitate the task of integrating sequence annotations with the output of homologybased tools, like BLAST.We have also adapted the concept of pictograms to the comparative analysis of orthologous splice sites, by developing compi.