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Comparative Transcriptomics Analyses across Species, Organs, and Developmental Stages Reveal Functionally Constrained lncRNAs

Résumé

The functionality of long noncoding RNAs (lncRNAs) is disputed. In general, lncRNAs are under weak selective pressures, suggesting that the majority of lncRNAs may be nonfunctional. However, although some surveys showed negligible phenotypic effects upon lncRNA perturbation, key biological roles were demonstrated for individual lncRNAs. Most lncRNAs with proven functions were implicated in gene expression regulation, in pathways related to cellular pluripotency, differentiation, and organ morphogenesis, suggesting that functional lncRNAs may be more abundant in embryonic development, rather than in adult organs. To test this hypothesis, we perform a multidimensional comparative transcriptomics analysis, across five developmental time points (two embryonic stages, newborn, adult, and aged individuals), four organs (brain, kidney, liver, and testes), and three species (mouse, rat, and chicken). We find that, overwhelmingly, lncRNAs are preferentially expressed in adult and aged testes, consistent with the presence of permissive transcription during spermatogenesis. LncRNAs are often differentially expressed among developmental stages and are less abundant in embryos and newborns compared with adult individuals, in agreement with a requirement for tighter expression control and less tolerance for noisy transcription early in development. For differentially expressed lncRNAs, we find that the patterns of expression variation among developmental stages are generally conserved between mouse and rat. Moreover, lncRNAs expressed above noise levels in somatic organs and during development show higher evolutionary conservation, in particular, at their promoter regions. Thus, we show that functionally constrained lncRNA loci are enriched in developing organs, and we suggest that many of these loci may function in an RNA-independent manner.

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Expression génétique
L'expression des gènes, encore appelée expression génique ou expression génétique, désigne l'ensemble des processus biochimiques par lesquels l'information héréditaire stockée dans un gène est lue pour aboutir à la fabrication de molécules qui auront un rôle actif dans le fonctionnement cellulaire, comme les protéines ou les ARN. Même si toutes les cellules d'un organisme partagent le même génome, certains gènes ne sont exprimés que dans certaines cellules, à certaines périodes de la vie de l'organisme ou sous certaines conditions.
Régulation de l'expression des gènes
La régulation de l'expression des gènes désigne l'ensemble de mécanismes mis en œuvre pour passer de l'information génétique incluse dans une séquence d'ADN à un produit de gène fonctionnel (ARN ou protéine). Elle a pour effet de moduler, d'augmenter ou de diminuer la quantité des produits de l'expression des gènes (ARN, protéines). Toutes les étapes allant de la séquence d'ADN au produit final peuvent être régulées, que ce soit la transcription, la maturation des ARNm, la traduction des ARNm ou la stabilité des ARNm et protéines.
Régulation de la transcription
La régulation de la transcription est la phase du contrôle de l'expression des gènes agissant au niveau de la transcription de l'ADN. Cette régulation modifiera la quantité d'ARN produit. Cette régulation est principalement effectuée par la modulation du taux de transcription par l'intervention de facteurs de transcription qui se classent en deux catégories : les éléments cis-regulateurs géniques, en coopération avec les facteurs transprotéiques. Il existe également des mécanismes de régulation de la terminaison de la transcription.
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