Inference of gene expression regulation by miRNA using MiRaGE method

Y­h. Taguchi/Dept.Phys.,Chuo Univ.Jun Yasuda /School Med.,Tohoku Uinv.

Inference of transfection of miRNA to human lung cancer cell

Three Topics:Three Topics:

Inference of gene  regulation via miRNA in  murine medulloblastoma 

Identification of critical miRNAs  for ES stemness during differentiation to neuronal cells

3

Target genes

Computer oriented  prediction                  (uncertain)

genome

microRNA

microRNA

mRNA

mRNA

Regulation of gene expression via miRNARegulation of gene expression via miRNA

4

miRNA1 ○×○○○○××miRNA2 ○×○○××○○miRNA3 ×○○×○○××miRNA4 ○○○×○○××

Gene1

Gene2

Gene3

Gene4

Gene5

Gene6

Gene7

Gene8

miRNA target gene list simple seed match(Virtual)

VS

Human lung cancerHuman lung cancerMurine medulloblastomaMurine medulloblastoma

Murine ES cellMurine ES cell

RealRealgene1gene2gene3

Prediction

miRNA1

5

Control Treated 

Gather the information of miRNA targets

Compare the expressions of targets for each miRNAs (see Next Slides)

Calculate False Discovery Rate

Generate ranking

6

miRNA Targets  Down P­value FDRmiR­a 54 3 0.5 0.4miR­b 120 54 0.0001 0.005miR­c 36 1 0.5 0.7... ... ... ... ...miR­X 60 18 0.001 0.007

Reject miR­a & c because the FDR > 0.05

Filtrate with miRNA expression profiles

Ranking

MiRaGMiRaGEE

Inference of transfection of miRNA to human lung cancer cell

  Topics 1Topics 1

Gene expression byArray: AgilentatOne and three days after transfection ofMir­107, mir­185, and let­7a.

log(xg[miRNA]) vs log(xg[Control])               xg: gene expression

Target gene list: simple seed match 

ICIC2011, LNBI in press. (2011/8/11­14)

Transfected miRNAmir­107 mir­185 let­7a

time replicate 1 replicate 2 replicate 1 replicate 2 replicate 1 replicate 2

day1 1[1st] 1[1st] 7[1st] 9[1st] 2[1st] 2[1st]day3 1[1st] 0[­­­] 0[1st] 0[­­­] 1[1st] 1[1st]Numbers of significant miRNAs. The ranks of transfected micriRNAs are shown in square brackets.

Transfected miRNAs are correctly identified by MiRaGE method.

Topics 2Topics 2

Inference of gene  regulation via miRNA in  murine medulloblastoma 

1 1

Materials(established at Tastuo Noda group)

P6P6＝6 days after birth, normal but growingP30P30＝30 days after birth, normal and not growingMBMB＝a few month after birth, malignant neoplasm30% of the Ptc1 +/­ mice suffers from MB.

12

mRNA/miRNA expression byArray: AgilentatP6, P30 and MB 

log(xg[mRNA/miRNA:MB or P6]) vs

log(xg[mRNA/miRNA:P30])            

  xg: mRNA/miRNA expression

Target gene list: simple seed match 

13

log(xg[miRNA:P6/MB]) vs log(miRNA:xg[P30])  of considered miRNA(*)

(*) each miRNA is measured by multiple probe

t test for miRNA expression

14

log(xg[mRNA:P6/MB]) – log(xg[mRNA:P30]) in target genes of considered miRNA

t test for miRNA target genes (MiRaGE method)

log(xg[mRNA:P6/MB]) – log(xg[mRNA:P30]) in target genes of 

any of other miRNA

VS

15

1 mmu-miR-25mmu-miR-25 1 1

2 mmu-miR-466i-5p 1 1

3 mmu-miR-92ammu-miR-92a 0.75 1

4 mmu-miR-19ammu-miR-19a 1 0.69

5 mmu-miR-19bmmu-miR-19b 1 0.69

6 mmu-miR-3082-5p 1 0.56

7 mmu-miR-130a 1 0.5

8 mmu-miR-130b 1 0.5

9 mmu-miR-15b 1 0.5

10 mmu-miR-2861 1 0.5

11 mmu-miR-3096-5p 1 0.5

12 mmu-miR-32 0.5 1

13 mmu-miR-322 1 0.5

14 mmu-miR-721 1 0.5

15 mmu-miR-149* 0.5 0.88

16 mmu-miR-3081* 1 0.38

17 mmu-miR-574-5p 1 0.31

18 mmu-miR-669n 0.5 0.81

19 mmu-miR-1187 1 0.25

20 mmu-miR-182mmu-miR-182 0.5 0.75

miRNA 　　 P30<<MBtarget gene P30>>MB

miR­17~92 cluster family miR­17~92 cluster family membersmembers are ranked in top 5 by combination of MiRaGE methods and miRNA expression profiling.

               selected bymiRNA     miRNA expression  / MiRaGE

suggested contribution to suggested contribution to  cancer formation cancer formation

16

mmu-miR-100 1 1

mmu-miR-126-3p 1 1

mmu-miR-29cmmu-miR-29c 1 1

mmu-miR-376ammu-miR-376a 1 1

mmu-miR-451 1 1

mmu-miR-99b 1 1

mmu-miR-136* 1 0.9375

mmu-miR-299* 0.75 1

mmu-miR-26ammu-miR-26a 1 0.5

mmu-miR-26bmmu-miR-26b 1 0.5

mmu-miR-29ammu-miR-29a 0.5 1

mmu-miR-7a-1*mmu-miR-7a-1* 1 0.5

mmu-miR-3107 1 0.4375

mmu-miR-340-5p 1 0.3125

mmu-miR-369-5p 1 0.3125

mmu-let-7ammu-let-7a 1 0.25

mmu-let-7emmu-let-7e 1 0.25

mmu-let-7gmmu-let-7g 1 0.25

mmu-let-7immu-let-7i 1 0.25

mmu-miR-467b 0.25 1

               selected bymiRNA     miRNA expression  / MiRaGE

tumor­suppressive miRNAs tumor­suppressive miRNAs 

neuron­specific miRNAsneuron­specific miRNAs

miRNA 　　 P30>>MBtarget gene P30<<MB

Some of the neuron­neuron­specific miRNAspecific miRNAs and tumor­suppressive tumor­suppressive miRNAsmiRNAs seem to contribute to the gene expression profiles of P30.

17

miRNA 　　 P30<<P6target gene P30>>P6

miR­17~92, miR­17~92, mir­106b­mir­106b­2525,,mir­106a­363mir­106a­363cluster family members are ranked in top 5 by combination of MiRaGE methods and miRNA expression profiling.

               selected bymiRNA     miRNA expression  / MiRaGE

1 mmu-miR-106bmmu-miR-106b 1.00 1.00

2 mmu-miR-130a 1.00 1.00

3 mmu-miR-130b 1.00 1.00

4 mmu-miR-15b 1.00 1.00

5 mmu-miR-17mmu-miR-17 1.00 1.00

6 mmu-miR-20ammu-miR-20a 1.00 1.00

7 mmu-miR-20bmmu-miR-20b 1.00 1.00

8 mmu-miR-301b 1.00 1.00

9 mmu-miR-322 1.00 1.00

10 mmu-miR-721 1.00 1.00

11 mmu-miR-93mmu-miR-93 1.00 1.00

12 mmu-miR-542-3p 1.00 0.94

13 mmu-miR-3081* 1.00 0.88

14 mmu-miR-335-3p 1.00 0.88

15 mmu-miR-199a-5p 1.00 0.81

16 mmu-miR-199b* 1.00 0.81

17 mmu-miR-19ammu-miR-19a 1.00 0.81

18 mmmmu-u-mmiiRR--1199bb 1.00 0.81

19 mmu-miR-148a 0.75 0.94

20 mmu-miR-214 1.00 0.63

18

               selected bymiRNA     miRNA expression  / MiRaGE

tumor­suppressive miRNAs tumor­suppressive miRNAs 

neuron­specific miRNAsneuron­specific miRNAs

miRNA 　　 P30>>P6target gene P30<<P6

Some of the neuron­neuron­specific miRNAspecific miRNAs and tumor­suppressive tumor­suppressive miRNAsmiRNAs seem to contribute to the gene expression profiles of P30.

mmu-miR-29c 1.00 1.00

mmu-miR-376ammu-miR-376a 1.00 1.00

mmu-miR-451 1.00 1.00

mmu-let-7bmmu-let-7b 1.00 0.94

mmu-let-7emmu-let-7e 1.00 0.94

mmu-let-7gmmu-let-7g 1.00 0.94

mmu-let-7immu-let-7i 1.00 0.94

mmu-miR-98 1.00 0.94

mmu-miR-126-3p 0.75 1.00

mmu-miR-299* 0.75 1.00

mmu-miR-29a 0.75 1.00

mmu-let-7ammu-let-7a 0.75 0.94

mmu-miR-3070b-3p 1.00 0.69

mmu-miR-138 1.00 0.63

mmu-miR-3107 1.00 0.56

mmu-miR-181a-1* 0.50 1.00

mmu-let-7dmmu-let-7d 0.50 0.94

mmu-miR-1937b 0.25 1.00

mmu-miR-1937c 0.25 1.00

mmu-miR-337-5p 1.00 0.25

19

MiRaGE method + miRNA expression successfully pick up biologically important miRNAs. Further (wet) experiments which supress miRNA expression with tiny LNA is now planed.

If it is successful, our method can find miRNAs which control tumor formation.

Published in IPSJ Technical report, 2011­SIGBIO­25, No5, pp.1­6

Topics 3Topics 3

Identification of critical miRNAs  for ES stemness during differentiation to neuronal cells

Materials:

Gene expressionGene expression data is downloaded from GEO by the accession number GSE11523, “Defining Developmental Potency and Cell Lineage Trajectories by Expression Profiling of Differentiating Mouse ES Cells”. In this study, among those, data for the differentiation from ES cells to neuronal cells are used. 

In parallel, we  analyzed  the  difference  of  miRNA  miRNA  expressionexpression   profiles  between  2 datasets from ES cells and 6 datasets from mature neuronal tissues(*) and listed  up  the  ES  cell  specific  miRNAs.

*) http://www.mirz.unibas.ch/cloningprofiles/

miRNAs ratio

mmu-miR-200bmmu-miR-200b 1.00

mmu-miR-200c (+)mmu-miR-200c (+) 1.00

mmu-miR-23a 1.00

mmu-miR-23b 1.00

mmu-miR-291a-3pmmu-miR-291a-3p 1.00

mmu-miR-429mmu-miR-429 1.00

mmu-miR-294mmu-miR-294 0.98

mmu-miR-295mmu-miR-295 0.98

mmu-miR-302a (+)mmu-miR-302a (+) 0.98

mmu-miR-302b (+)mmu-miR-302b (+) 0.97

mmu-miR-302d (+)mmu-miR-302d (+) 0.97

mmu-miR-199a-5p 0.94

mmu-miR-141mmu-miR-141 0.69

mmu-miR-200ammu-miR-200a 0.69

mmu-miR-409-3p 0.67

mmu-miR-369-3p (+) 0.36

mmu-miR-96 0.11

mmu-miR-674 0.08

mmu-miR-467b 0.06Mallanna, S.K., and Rizzino., A.(2010)

miRNA 　　 ES> > Neuronal Celltarget gene ES< < Neuronal Cell

Our method identified critical miRNAs for ES stemness including iPS inducing miRNAs (marked with “+”in the previous slide) recently reported by Miyoshi, et al.(2011, Cell Stem Cell). 

Published in IPSJ Technical report, 2011­BIO­25, No.38, pp.1­ 2

miRNA is short non­coding RNA which regulate many biological processes ranging from cancer formation to differentiation.We have proposed a new method, MiRaGE, MiRNA Ranking by Gene Expression, which assists to discriminate which miRNA really regulate target genes.Since there are some technical method which suppress miRNA machinery, it can also be a drug candidates related to several biological processes.

Acknowledgements:Acknowledgements:  We thank Drs. Tetsuo Noda and We thank Drs. Tetsuo Noda and 

Katsuyuki Yaginuma for Katsuyuki Yaginuma for providing reagents (Topics 2).providing reagents (Topics 2).

These works were supported by These works were supported by KAKENHI (23300357) .KAKENHI (23300357) .

Se rve r w ill b e s o o n a va ila b le a t:S e rve r w ill b e s o o n a va ila b le a t:

h ttp ://www.g ra n u la r.c o m /MiRa GE.h tm lh ttp ://www.g ra n u la r.c o m /MiRa GE.h tm l

e -m a il: ta g @ g ra n u la r.c o me -m a il: ta g @ g ra n u la r.c o m