Acta NaturaeActa NaturaeActa Naturae2075-8251Acta Naturae Ltd2757210.32607/actanaturae.27572Research ArticlesЭкспериментальные статьиResearch ArticleClassification and Quantification of Unproductive Splicing EventsКлассификация и количественная оценка cобытий непродуктивного сплайсингаZavileyskyL. G.ЗавилейскийЛ. Г.
Russian Federation
l.zavileisky@skoltech.ruChernyavskayaE. A.ЧернявскаяЕ. А.
Russian Federation
l.zavileisky@skoltech.ruVlasenokM. A.ВласенокМ. А.
Russian Federation
l.zavileisky@skoltech.ruPervushinD. D.ПервушинД. Д.
Russian Federation
l.zavileisky@skoltech.ruSkolkovo Institute of Science and TechnologyСколковский институт науки и технологий2507202517275852611202431032025Copyright ©; 2025, Zavileysky L.G., Chernyavskaya E.A., Vlasenok M.A., Pervushin D.D.Copyright ©; 2025, Завилейский Л.Г., Чернявская Е.А., Власенок М.А., Первушин Д.Д.2025Zavileysky L.G., Chernyavskaya E.A., Vlasenok M.A., Pervushin D.D.Завилейский Л.Г., Чернявская Е.А., Власенок М.А., Первушин Д.Д.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://actanaturae.ru/2075-8251/article/view/27572

In eukaryotic cells, the nonsense-mediated decay (NMD) pathway degrades mRNAs with premature stop codons. The coupling between NMD and alternative splicing (AS) generates NMD-sensitive transcripts (NMD targets, NMDTs) that play an important role in the gene expression regulation via the unproductive splicing mechanism. Understanding this mechanism requires proper identification of NMDT-generating AS events. Here, we developed NMDj, a tool for the identification, classification and quantification of NMDT-generating AS events which does not rely on the best matching transcript partner principle employed by the existing methods. Instead, NMDj uses a set of characteristic introns that discriminate NMDTs from all protein-coding transcripts. The benchmark on simulated RNA-Seq data demonstrated that NMDj allows to quantify NMDT-generating AS events with better precision compared to other existing methods. NMDj represents a generic method suitable for the accurate classification of arbitrarily complex AS events that generate NMDTs. The NMDj pipeline is available through the repository https://github.com/zavilev/NMDj/.

В эукариотических клетках мРНК, содержащие преждевременные стоп-кодоны, разрушаются системой нонсенс-опосредованного распада (NMD). В результате взаимодействия между системами NMD и альтернативного сплайсинга генерируются NMD-чувствительные транскрипты (NMD targets, NMDT), которые играют важную роль в регуляции экспрессии генов по механизму непродуктивного сплайсинга. Для понимания этого механизма необходимо правильно идентифицировать события альтернативного сплайсинга, приводящие к появлению NMDT. В данной работе для нахождения событий альтернативного сплайсинга, их классификации и количественной оценки разработан вычислительный конвейер NMDj, который в отличие от существующих методов не опирается на сравнение NMDT с наиболее похожим на него кодирующим транскриптом, а использует набор характеристических интронов, отличающих NMDT от кодирующих транскриптов. Тестирование на смоделированных данных секвенирования РНК показало, что NMDj способен количественно определять события альтернативного сплайсинга, приводящие к проявлению NMDT, с большей точностью, чем другие существующие для этой цели методы. NMDj представляет собой универсальный метод, подходящий для классификации сколь угодно сложных событий альтернативного сплайсинга, приводящих к появлению NMDT. Вычислительный конвейер NMDj доступен через репозиторий https://github.com/zavilev/NMDj/.

unproductive splicingnonsense mediated decayNMDsplicingregulationнепродуктивный сплайсингнонсенс-опосредованный распадNMDсплайсингРоссийский научный фондRussian Science Foundation22-14-00330Tung K.-F., Pan C.-Y., Chen C.-H., Lin W.-C. // Sci. Rep. 2020. V. 10. № 1. P. 16245. doi: 10.1038/s41598-020-73081-5.Tung K.-F., Pan C.-Y., Chen C.-H., Lin W.-C. // Sci. Rep. 2020. V. 10. № 1. P. 16245. doi: 10.1038/s41598-020-73081-5Fair B., Najar C.F.B.A., Zhao J., Lozano S., Reilly A., Mossian G., Staley J.P., Wang J., Li Y.I. // Nat. Genet. 2024. V. 56. № 9. P. 1851–1861. doi: 10.1038/s41588-024-01872-x.Fair B., Najar C.F.B.A., Zhao J., Lozano S., Reilly A., Mossian G., Staley J.P., Wang J., Li Y.I. // Nat. Genet. 2024. V. 56. № 9. P. 1851–1861. doi: 10.1038/s41588-024-01872-xKurosaki T., Popp M.W., Maquat L.E. // Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2019. V. 20. № 7. P. 406–420. doi: 10.1038/s41580-019-0126-2.Kurosaki T., Popp M.W., Maquat L.E. // Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2019. V. 20. № 7. P. 406–420. doi: 10.1038/s41580-019-0126-2Nasif S., Contu L., Mühlemann O. // Semin. Cell Dev. Biol. 2018. V. 75. P. 78–87. doi: 10.1016/j.semcdb.2017.08.053.Nasif S., Contu L., Mühlemann O. // Semin. Cell Dev. Biol. 2018. V. 75. P. 78–87. doi: 10.1016/j.semcdb.2017.08.053Müller-McNicoll M., Rossbach O., Hui J., Medenbach J. // J. Mol. Cell Biol. 2019. V. 11. № 10. P. 930–939. doi: 10.1093/jmcb/mjz043.Müller-McNicoll M., Rossbach O., Hui J., Medenbach J. // J. Mol. Cell Biol. 2019. V. 11. № 10. P. 930–939. doi: 10.1093/jmcb/mjz043Zavileyskiy L.G., Pervouchine D.D. // Acta Naturae. 2024. V. 16. № 1. P. 4–13. doi: 10.32607/actanaturae.27337.Zavileyskiy L.G., Pervouchine D.D. // Acta Naturae. 2024. V. 16. № 1. P. 4–13. doi: 10.32607/actanaturae.27337Yan Q., Weyn-Vanhentenryck S.M., Wu J., Sloan S.A., Zhang Y., Chen K., Wu J.Q., Barres B.A., Zhang C. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2015. V. 112. № 11. P. 3445–3450. doi: 10.1073/pnas.1502849112.Yan Q., Weyn-Vanhentenryck S.M., Wu J., Sloan S.A., Zhang Y., Chen K., Wu J.Q., Barres B.A., Zhang C. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2015. V. 112. № 11. P. 3445–3450. doi: 10.1073/pnas.1502849112Wong J.J.-L., Ritchie W., Ebner O.A., Selbach M., Wong J.W.H., Huang Y., Gao D., Pinello N., Gonzalez M., Baidya K., et al. // Cell. 2013. V. 154. № 3. P. 583–595. doi: 10.1016/j.cell.2013.06.052.Wong J.J.-L., Ritchie W., Ebner O.A., Selbach M., Wong J.W.H., Huang Y., Gao D., Pinello N., Gonzalez M., Baidya K., et al. // Cell. 2013. V. 154. № 3. P. 583–595. doi: 10.1016/j.cell.2013.06.052Jangi M., Boutz P.L., Paul P., Sharp P.A. // Genes Dev. 2014. V. 28. № 6. P. 637–651. doi: 10.1101/gad.235770.113.Jangi M., Boutz P.L., Paul P., Sharp P.A. // Genes Dev. 2014. V. 28. № 6. P. 637–651. doi: 10.1101/gad.235770.113Margasyuk S., Kuznetsova A., Zavileyskiy L., Vlasenok M., Skvortsov D., Pervouchine D.D. // NAR Genom. Bioinform. 2024. V. 6. № 4. P. lqae163. doi: 10.1093/nargab/lqae163.Margasyuk S., Kuznetsova A., Zavileyskiy L., Vlasenok M., Skvortsov D., Pervouchine D.D. // NAR Genom. Bioinform. 2024. V. 6. № 4. P. lqae163. doi: 10.1093/nargab/lqae163Mironov A., Petrova M., Margasyuk S., Vlasenok M., Mironov A.A., Skvortsov D., Pervouchine D.D. // Nucleic Acids Res. 2023. V. 51. № 7. P. 3055–3066. doi: 10.1093/nar/gkad161.Mironov A., Petrova M., Margasyuk S., Vlasenok M., Mironov A.A., Skvortsov D., Pervouchine D.D. // Nucleic Acids Res. 2023. V. 51. № 7. P. 3055–3066. doi: 10.1093/nar/gkad161Pervouchine D., Popov Y., Berry A., Borsari B., Frankish A., Guigó R. // Nucleic Acids Res. 2019. V. 47. № 10. P. 5293–5306. doi: 10.1093/nar/gkz193.Pervouchine D., Popov Y., Berry A., Borsari B., Frankish A., Guigó R. // Nucleic Acids Res. 2019. V. 47. № 10. P. 5293–5306. doi: 10.1093/nar/gkz193Hsu M.-K., Lin H.-Y., Chen F.-C. // PLoS One. 2017. V. 12. № 4. P. e0174798. doi: 10.1371/journal.pone.0174798.Hsu M.-K., Lin H.-Y., Chen F.-C. // PLoS One. 2017. V. 12. № 4. P. e0174798. doi: 10.1371/journal.pone.0174798Karousis E.D., Gypas F., Zavolan M., Mühlemann O. // Genome Biol. 2021. V. 22. № 1. P. 223. doi: 10.1186/s13059-021-02439-3.Karousis E.D., Gypas F., Zavolan M., Mühlemann O. // Genome Biol. 2021. V. 22. № 1. P. 223. doi: 10.1186/s13059-021-02439-3Isken O., Maquat L.E. // Nat. Rev. Genet. 2008. V. 9. № 9. P. 699–712. doi: 10.1038/nrg2402.Isken O., Maquat L.E. // Nat. Rev. Genet. 2008. V. 9. № 9. P. 699–712. doi: 10.1038/nrg2402Harrison P.W., Amode M.R., Austine-Orimoloye O., Azov A.G., Barba M., Barnes I., Becker A., Bennett R., Berry A., Bhai J., et al. // Nucleic Acids Res. 2024. V. 52. № D1. P. D891–D899. doi: 10.1093/nar/gkad1049.Harrison P.W., Amode M.R., Austine-Orimoloye O., Azov A.G., Barba M., Barnes I., Becker A., Bennett R., Berry A., Bhai J., et al. // Nucleic Acids Res. 2024. V. 52. № D1. P. D891–D899. doi: 10.1093/nar/gkad1049Cunningham F., Allen J.E., Allen J., Alvarez-Jarreta J., Amode M.R., Armean I.M., Austine-Orimoloye O., Azov A.G., Barnes I., Bennett R., et al. // Nucleic Acids Res. 2022. V. 50. № D1. P. D988–D995. doi: 10.1093/nar/gkab1049.Cunningham F., Allen J.E., Allen J., Alvarez-Jarreta J., Amode M.R., Armean I.M., Austine-Orimoloye O., Azov A.G., Barnes I., Bennett R., et al. // Nucleic Acids Res. 2022. V. 50. № D1. P. D988–D995. doi: 10.1093/nar/gkab1049Britto-Borges T., Gehring N.H., Boehm V., Dieterich C. // RNA. 2024. V. 30. № 10. P. 1277–1291. doi: 10.1261/rna.080066.124.Britto-Borges T., Gehring N.H., Boehm V., Dieterich C. // RNA. 2024. V. 30. № 10. P. 1277–1291. doi: 10.1261/rna.080066.124Morales J., Pujar S., Loveland J.E., Astashyn A., Bennett R., Berry A., Cox E., Davidson C., Ermolaeva O., Farrell C.M., et al. // Nature. 2022. V. 604. № 7905. P. 310–315. doi: 10.1038/s41586-022-04558-8.Morales J., Pujar S., Loveland J.E., Astashyn A., Bennett R., Berry A., Cox E., Davidson C., Ermolaeva O., Farrell C.M., et al. // Nature. 2022. V. 604. № 7905. P. 310–315. doi: 10.1038/s41586-022-04558-8Ivanov T.M., Pervouchine D.D. // Genes. 2018. V. 9. № 7. doi: 10.3390/genes9070356.Ivanov T.M., Pervouchine D.D. // Genes. 2018. V. 9. № 7. doi: 10.3390/genes9070356Ma C., Zheng H., Kingsford C. // Algorithms Mol. Biol. 2021. V. 16. № 1. P. 5. doi: 10.1186/s13015-021-00184-7.Ma C., Zheng H., Kingsford C. // Algorithms Mol. Biol. 2021. V. 16. № 1. P. 5. doi: 10.1186/s13015-021-00184-7Lonsdale J., Thomas J., Salvatore M., Phillips R., Lo E., Shad S., Hasz R., Walters G., Garcia F., Young N., et al. // Nat. Genet. 2013. V. 45. № 6. P. 580–585. doi: 10.1038/ng.2653.Lonsdale J., Thomas J., Salvatore M., Phillips R., Lo E., Shad S., Hasz R., Walters G., Garcia F., Young N., et al. // Nat. Genet. 2013. V. 45. № 6. P. 580–585. doi: 10.1038/ng.2653Yeo G., Holste D., Kreiman G., Burge C.B. // Genome Biol. 2004. V. 5. № 10. P. R74.Barbosa-Morais N.L., Irimia M., Pan Q., Xiong H.Y., Gueroussov S., Lee L.J., Slobodeniuc V., Kutter C., Watt S., Colak R., et al. // Science. 2012. V. 338. № 6114. P. 1587–1593. doi: 10.1126/science.1230612.Barbosa-Morais N.L., Irimia M., Pan Q., Xiong H.Y., Gueroussov S., Lee L.J., Slobodeniuc V., Kutter C., Watt S., Colak R., et al. // Science. 2012. V. 338. № 6114. P. 1587–1593. doi: 10.1126/science.1230612Li B., Dewey C.N. // BMC Bioinformatics. 2011. V. 12. P. 323. doi: 10.1186/1471-2105-12-323.Li B., Dewey C.N. // BMC Bioinformatics. 2011. V. 12. P. 323. doi: 10.1186/1471-2105-12-323Dobin A., Davis C.A., Schlesinger F., Drenkow J., Zaleski C., Jha S., Batut P., Chaisson M., Gingeras T.R. // Bioinformatics. 2013. V. 29. № 1. P. 15–21. doi: 10.1093/bioinformatics/bts635.Dobin A., Davis C.A., Schlesinger F., Drenkow J., Zaleski C., Jha S., Batut P., Chaisson M., Gingeras T.R. // Bioinformatics. 2013. V. 29. № 1. P. 15–21. doi: 10.1093/bioinformatics/bts635Pervouchine D.D., Knowles D.G., Guigó R. // Bioinformatics. 2013. V. 29. № 2. P. 273–274. doi: 10.1093/bioinformatics/bts678.Pervouchine D.D., Knowles D.G., Guigó R. // Bioinformatics. 2013. V. 29. № 2. P. 273–274. doi: 10.1093/bioinformatics/bts678Patro R., Duggal G., Love M.I., Irizarry R.A., Kingsford C. // Nat. Methods. 2017. V. 14. № 4. P. 417–419. doi: 10.1038/nmeth.4197.Patro R., Duggal G., Love M.I., Irizarry R.A., Kingsford C. // Nat. Methods. 2017. V. 14. № 4. P. 417–419. doi: 10.1038/nmeth.4197Pertea M., Pertea G.M., Antonescu C.M., Chang T.-C., Mendell J.T., Salzberg S.L. // Nat. Biotechnol. 2015. V. 33. № 3. P. 290–295. doi: 10.1038/nbt.3122.Pertea M., Pertea G.M., Antonescu C.M., Chang T.-C., Mendell J.T., Salzberg S.L. // Nat. Biotechnol. 2015. V. 33. № 3. P. 290–295. doi: 10.1038/nbt.3122Popp M.W., Maquat L.E. // Cell. 2016. V. 165. № 6. P. 1319–1322. doi: 10.1016/j.cell.2016.05.053.Popp M.W., Maquat L.E. // Cell. 2016. V. 165. № 6. P. 1319–1322. doi: 10.1016/j.cell.2016.05.053Shen S., Park J.W., Lu Z., Lin L., Henry M.D., Wu Y.N., Zhou Q., Xing Y. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2014. V. 111. № 51. P. E5593–5601. doi: 10.1073/pnas.1419161111.Shen S., Park J.W., Lu Z., Lin L., Henry M.D., Wu Y.N., Zhou Q., Xing Y. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2014. V. 111. № 51. P. E5593–5601. doi: 10.1073/pnas.1419161111Li Y.I., Knowles D.A., Humphrey J., Barbeira A.N., Dickinson S.P., Im H.K., Pritchard J.K. // Nat. Genet. 2018. V. 50. № 1. P. 151–158. doi: 10.1038/s41588-017-0004-9.Li Y.I., Knowles D.A., Humphrey J., Barbeira A.N., Dickinson S.P., Im H.K., Pritchard J.K. // Nat. Genet. 2018. V. 50. № 1. P. 151–158. doi: 10.1038/s41588-017-0004-9Vaquero-Garcia J., Barrera A., Gazzara M.R., González-Vallinas J., Lahens N.F., Hogenesch J.B., Lynch K.W., Barash Y. // eLife. 2016. V. 5. P. e11752. doi: 10.7554/eLife.11752.Vaquero-Garcia J., Barrera A., Gazzara M.R., González-Vallinas J., Lahens N.F., Hogenesch J.B., Lynch K.W., Barash Y. // eLife. 2016. V. 5. P. e11752. doi: 10.7554/eLife.11752Wang X., Dalkic E., Wu M., Chan C. // Curr. Opin. Biotechnol. 2008. V. 19. № 5. P. 482–491. doi: 10.1016/j.copbio.2008.07.011.Wang X., Dalkic E., Wu M., Chan C. // Curr. Opin. Biotechnol. 2008. V. 19. № 5. P. 482–491. doi: 10.1016/j.copbio.2008.07.011Kim E., Magen A., Ast G. // Nucleic Acids Res. 2007. V. 35. № 1. P. 125–131.Conti L.D., Baralle M., Buratti E. // Wiley Interdiscip. Rev. RNA. 2013. V. 4. № 1. P. 49–60. doi: 10.1002/wrna.1140.Conti L.D., Baralle M., Buratti E. // Wiley Interdiscip. Rev. RNA. 2013. V. 4. № 1. P. 49–60. doi: 10.1002/wrna.1140Barash Y., Calarco J.A., Gao W., Pan Q., Wang X., Shai O., Blencowe B.J., Frey B.J. // Nature. 2010. V. 465. № 7294. P. 53–59. doi: 10.1038/nature09000.Barash Y., Calarco J.A., Gao W., Pan Q., Wang X., Shai O., Blencowe B.J., Frey B.J. // Nature. 2010. V. 465. № 7294. P. 53–59. doi: 10.1038/nature09000Joglekar A., Foord C., Jarroux J., Pollard S., Tilgner H.U. // Transcription. 2023. V. 14. № 3-5. P. 92–104. doi: 10.1080/21541264.2023.2213514.Joglekar A., Foord C., Jarroux J., Pollard S., Tilgner H.U. // Transcription. 2023. V. 14. № 3-5. P. 92–104. doi: 10.1080/21541264.2023.2213514Fededa J.P., Petrillo E., Gelfand M.S., Neverov A.D., Kadener S., Nogués G., Pelisch F., Baralle F.E., Muro A.F., Kornblihtt A.R. // Mol. Cell. 2005. V. 19. № 3. P. 393–404.Bushra S., Lin Y.-N., Joudaki A., Ito M., Ohkawara B., Ohno K., Masuda A. // Int. J. Mol. Sci. 2023. V. 24. № 8. P. 7420. doi: 10.3390/ijms24087420.Bushra S., Lin Y.-N., Joudaki A., Ito M., Ohkawara B., Ohno K., Masuda A. // Int. J. Mol. Sci. 2023. V. 24. № 8. P. 7420. doi: 10.3390/ijms24087420Holzmann K., Grunt T., Heinzle C., Sampl S., Steinhoff H., Reichmann N., Kleiter M., Hauck M., Marian B. // J. Nucleic Acids. 2012. V. 2012. P. 950508. doi: 10.1155/2012/950508.Holzmann K., Grunt T., Heinzle C., Sampl S., Steinhoff H., Reichmann N., Kleiter M., Hauck M., Marian B. // J. Nucleic Acids. 2012. V. 2012. P. 950508. doi: 10.1155/2012/950508Warzecha C.C., Sato T.K., Nabet B., Hogenesch J.B., Carstens R.P. // Mol. Cell. 2009. V. 33. № 5. P. 591–601. doi: 10.1016/j.molcel.2009.01.025.Warzecha C.C., Sato T.K., Nabet B., Hogenesch J.B., Carstens R.P. // Mol. Cell. 2009. V. 33. № 5. P. 591–601. doi: 10.1016/j.molcel.2009.01.025