Computational Tools for Measuring RNA Decay Dynamics Using Nanopore Sequencing

Mgr. Vlastimil Martinek, Ph.D.

Disertační práce

Anotace:

RNA molekuly jsou dynamickým meziproduktem mezi DNA a proteiny plnící rozmanité funkce v buněčných procesech. Regulace transkripce má zásadní roli v kontrole genové exprese prostřednictvím modulace syntézy, zpracování a degradace RNA. Degradace RNA je klíčová pro udržení buněčné homeostázy skrz eliminaci defektních, aberantních nebo nepotřebných RNA, což předchází vzniku škodlivých molekulárních produktů. Dysregulace degradace RNA je spojena s chorobami jako neurodegenerace. Zkoumání dynamiky degradace RNA za rozmanitých podmínek vyžaduje nástroje, které dokážou přesně měřit, kdy a pro které transkripty buňky zahajují mechanismy degradace RNA, a rychlost s jakou k této degradaci dochází. Tato disertační práce zahrnuje dva projekty. Oba představují nový výpočetní nástroj pro robustní měření určitých dynamik degradace RNA. Hlavní projekt představuje RNAkinet, hlubokou neuronovou síť navrženou k detekci RNA molekul obsahujících syntetickou RNA modifikaci 5-ethynyluridin (5eU) používanou pro metabolické značení. RNAkinet vykazuje schopnost generalizace na různých typech buněk a organismech a korektně předpovídá poločasy rozpadu RNA bez nutnosti biotinylace. Druhý projekt představuje NanopLen, robustní statistický framework navržený k detekci transkriptů, které při změně experimentálních podmínek vykazují významné změny v délce. NanopLen ukázal že degradace RNA vyvolaná stresem může probíhat nezávisle na deadenylaci a závisí na XRN1 a tvorbě stresových granulí. Oba nástroje jsou navrženy pro data generované přímým RNA sekvenováním nanopory, což dále vylepšuje studium dynamiky degradace RNA tím, že umožňuje zachycení transkriptů v plné délce i částečně degradovaných transkriptů na úrovni izoformů. Tato práce adresuje potřebu vývoje výpočetních nástrojů pro podrobný výzkum dynamiky degradace RNA. Představujeme nové poznatky o degradaci RNA vyvolané stresem a poskytujeme nástroje, které mohou být využity ve studiích zaměřených na porozumění toho, jak degradace RNA přispívá k buněčné regulaci za různých podmínek.

Abstract:

RNA molecules are the dynamic intermediate between DNA and protein, fulfilling diverse functions in cellular processes. Transcriptional regulation plays a major role in gene expression control through modulation of RNA synthesis, processing, and decay. RNA decay is essential for maintaining cellular homeostasis by eliminating defective, aberrant, or unnecessary RNAs, preventing the existence of harmful molecular products. Dysregulation of RNA decay has been linked to diseases such as neurodegeneration. Investigating RNA decay dynamics under various conditions requires tools that can accurately measure when and for which transcripts do cells initiate RNA decay pathways, as well as the rate at which this decay occurs. This thesis covers two projects, each introducing a novel computational tool to robustly measure certain RNA decay dynamics. The major project introduces RNAkinet, a deep neural network model trained to detect RNA molecules containing a synthetic RNA modification 5-ethynyluridine (5eU) used for metabolic labelling. RNAkinet shows generalization to various cell lines and organisms, and accurately predicts RNA half-lives without the need for biotinylation. The second project introduces NanopLen, a robust statistical framework designed to detect transcripts with significant length changes between conditions. NanopLen uncovers that stress-induced decay can occur independently of deadenylayion and is dependent on XRN1 and stress-granule formation. Both tools are designed for nanopore direct RNA sequencing data, further improving the study of RNA decay dynamics by capturing full-length and partially degraded transcripts at isoform resolution. This work addresses the need for computational tools needed for detailed investigation of RNA decay dynamics. We present novel insights into stress-induced RNA decay and provide tools to be used in studies aimed at understanding how RNA decay contributes to cellular regulation in various conditions.

Keywords

Degradace RNA, Transkriptomika, Bioinformatika, Statistika, Hluboké učení, Nanoporové Sekvenování RNA decay, Transcriptomics, Bioinformatics, Statistics, Deep Learning, Nanopore Sequencing

Jazyk práce: angličtina

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 17. 2. 2025

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 7. 3. 2025
• Vedoucí: PhD Panagiotis Alexiou
• Oponent: Dr. Lisa Barros de Andrade e Sousa, prof. Dr. rer. nat. Christoph Dieterich, Mgr. Petr Šimeček, MSc.

Masarykova univerzita

Přírodovědecká fakulta

Doktorský studijní program / obor:
Vědy o živé přírodě / Vědy o živé přírodě