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基因家族分析+ATAC-seq如何擦出火花?看这篇就够了基因家族(Gene family),是来源于同一个祖先,由一个基因通过基因复制而产生两个或更多的拷贝而构成的一组基因,它们在结构和功能上具有明显的相似性,编码相似的蛋白质产物。 基因家族中的不同的成员往往在生长发育、代谢调节和环境适应等过程中扮演着不同的角色,它们可能有着不同的表达模式。基因家族分析的主要内容为: ① 家族成员的全基因组鉴定; ② 理化性质分析; ③ 染色体定位; ④ 系统发育关系; ⑤ 种内和种间共线性分析; ⑥ 基因复制事件及选择压力(Ka/Ks)分析; ⑦ 基因结构、保守结构域(Domain)和基序(motif)分析; ⑧ 启动子顺式元件鉴定; ⑨ 表达部位(不同组织)和特定过程表达模式分析。 然而,极少有研究会解释家族不同成员的表达差异以及它们在特定生物过程表达变化的原因。表观遗传,特别是染色质可及性已被证明影响基因组中不同基因的表达水平,可及性越高的基因往往表达水平也更高。ATAC-seq是最近兴起的用来研究染色质可及性的方法,具有操作简单,重复性好和低输入量等特点。当基因家族分析和ATAC-seq相遇,会擦出什么样的火花呢?下面给大家分享一些文章案例。 文献一:Genome-wide analysis of the XTH gene family and functional analysis of DlXTH23.5/25 during early longan somatic embryogenesis
木葡聚糖内转糖苷酶(XET)/水解酶(XTH)是一种细胞壁修饰蛋白,可影响细胞膨胀和细胞壁松弛。该研究重点研究了DlXTH基因在龙眼早期体细胞胚胎发生(SE)和热胁迫反应中的调控机制,挖掘可用的龙眼基因组序列产生了25个推定的XTH基因。基于RNA-seq数据的转录谱显示,检测到的17个DlXTH基因中的大多数在胚性愈伤组织(EC)(8)和球形胚(GE)(8)中高度表达,其中13个对热应激反应显著。 ATAC-seq数据分析显示,就染色质可及性而言,25个DlXTH基因中有22个在早期SE中开放,并且在早期SE中具有转录差异的大多数峰值DlXTH基因与高水平的H3K4me1相关。选择差异表达最大的基因DlXTH23.5和DlXTH25进行分析。根据亚细胞定位和定量实时PCR(qRT-PCR)分析,编码细胞膜定位蛋白的DlXTH23.5/25在GE中表达水平最高,并对热应激反应显著。双荧光素酶分析和瞬时转化表明转录因子(TFs)DlWRKY31、DlERF1和DlERF5可能与DlXTH23.5/25启动子结合以激活基因转录。TFs和DlXTH23.5/25的瞬时过表达诱导了本氏烟草叶片中的XET活性。在高温胁迫下,龙眼EC中XET活性以及TFs和DlXTH23.5/25的表达水平显著提高,高浓度的XET可能抑制龙眼的SE。研究结果扩展了我们对龙眼XTH家族的了解,并进一步揭示TF调节DlXTH23.5/25基因在龙眼早期SE中的作用机制。 图1. 早期体细胞胚胎发生和不同温度处理下的表达谱;DlXTH差异可及 文献二:Genome-wide analysis of the SAUR gene family and function exploration of DlSAUR32 during early longan somatic embryogenesis
早期生长素反应性小生长素上调RNA(SAUR)家族是生长素信号转导途径中的一个重要基因家族。此研究主要关注DlSAUR基因在早期SE过程中的调控机制及其对激素处理和非生物胁迫的响应,挖掘龙眼的可利用基因组序列产生了68个推定的SAUR基因。基于RNA-seq数据的转录谱显示,24个检测到的DlSAUR基因中的大多数在GE(10)中高度表达,并且它们中的大多数对热应激和2,4-D处理有反应。qRT-PCR结果显示,在生长素抑制剂N-1-萘基酞酸(NPA)和生长素吲哚-3-乙酸(IAA)处理下,大多数DlSAUR基因表达上调。此外,NPA对龙眼SE有促进作用。 ATAC-seq数据分析显示,24个DlSAUR基因中有19个基因的染色质可及性在早期SE是开放的,在早期SE中差异表达的大多数DlSAUR基因与H3K4me1信号富集无关。选择DlSAU0R32进行亚细胞定位和RNA-seq分析,其编码细胞核定位蛋白。双荧光素酶检测和瞬时转化表明TFs DlWRKY75-1和DlWRKY75-2可能与DlSAUR32启动子结合抑制基因转录。DlWRKY75-1和DlWRKY75-2的瞬时过表达降低了本氏烟叶片中的IAA含量。因此,由DlSAUR32及其相关TFs组成的调控网络可能调控龙眼早期SE,并参与龙眼生长素反应调控途径。研究结果将扩大我们对龙眼SAUR家族的了解,并进一步揭示TF介导的DlSAUR32在龙眼早期SE中的作用机制。 图2. DlSAURs的表达谱和多组学分析 文献三:Genome-Wide Identification and Expression Analysis Reveal bZIP Transcription Factors Mediated Hormones That Functions during Early Somatic Embryogenesis in Dimocarpus longan
碱性亮氨酸拉链(bZIP)TFs是一组高度保守的基因家族,在植物生长和逆境胁迫抗性中发挥重要作用。然而,有关龙眼SE过程中激素调控途径和功能分析的研究仍然缺乏。此研究在龙眼全基因组中系统鉴定了51个bZIP家族成员,对DlbZIP进行了全面的生物信息学分析,并分析了瞬时转化DlbZIP60后的亚细胞定位和图谱模式。RNA-seq,ATAC-seq和ChIP-seq的联合分析表明,四个成员在早期SE中具有不同的H3K4me1结合峰,并且随着染色质可及性的增加而差异表达。对早期SE、不同组织和2,4-D处理下bZIPs表达的比较转录组分析表明,DlbZIP家族可能参与了龙眼早期SE的生长发育。 qRT-PCR结果表明,DlbZIP家族受多种激素的影响,在吲哚-3-乙酸(IAA)、脱落酸(ABA)和茉莉酸甲酯(MeJA)处理下均表现出不同程度的上调表达,表明它们在龙眼早期SE相关的激素合成途径中发挥重要作用。亚细胞定位显示DlbZIP60位于细胞核中,在DlbZIP60瞬时过表达的细胞系中内源IAA、MeJA和ABA的含量上调。这些结果表明DlbZIP60可能介导了激素途径在龙眼早期SE发育中起作用。研究结果将扩大我们对DlbZIP TFs及其家族成员的了解,并有助于探索bZIP TFs在龙眼早期SE中的作用机制。 图3. 早期体细胞胚胎发生和不同组织中的表达谱;DlbZIP差异可及 文献四:AGL61/80 regulates BGAL9, which participates in early somatic embryogenesis and increases longan resistance to heat stress
β-半乳糖苷酶(BGAL)是一种糖基水解酶,参与细胞壁修饰,在植物的生长、发育和环境胁迫适应中发挥重要作用。然而,BGALs在龙眼中的功能尚不清楚。此研究从龙眼基因组中鉴定了20个BGAL基因,它们分布在八条染色体上。转录谱显示,11个检测到的DlBGAL基因中的大多数在EC(4个)和GE(6个)中高度表达,并对热应激反应。结合RNA-seq、ATAC-seq和ChIP-seq结果,大多数在早期SE中差异表达的DlBGAL基因与染色质可及性和高水平的H3K4me1相关。 选择DlBGAL9进行进一步分析。双荧光素酶分析和瞬时转化表明TF DlAGL61和DlAGL80可能与DlBGAL9启动子结合以激活DlBGAL9转录。DlBGAL9和DlAGL80的过表达诱导龙眼毛状根β-GAL活性和细胞壁增厚。热胁迫下龙眼毛状根中DlBGAL9和DlAGL80的表达水平显著增加,ROS清除相关基因在DlBGAL9和DlAGL80的过表达毛状根中显著上调。研究提出了由DlBGAL9和DlAGL80组成的调控网络在调控龙眼早期SE和热应激反应中的意义。研究结果有望扩大我们对BGAL家族的了解,并进一步揭示TF介导的DlBGAL9基因在早期龙眼SE中的作用机制。 图4. DlBGAL基因的表达谱和多组学分析 文献五:Identification and characterization of genes related to m6A modification in kiwifruit using RNA-seq and ATAC-seq
N6-甲基腺苷(m6A)RNA修饰是调节RNA在真核生物中命运的保守机制。尽管其意义重大,但缺乏对非模式植物如猕猴桃中m6A相关基因的全面分析。此研究根据同源性和系统发育推断在猕猴桃基因组中鉴定了36个m6A相关基因,并对m6A修饰的书写子、擦除子和阅读子家族进行了生物信息学和进化分析。从各种生物和非生物胁迫下收集的公开RNA-seq数据的再分析表明,大多数m6A相关基因在不同条件下显著表达。通过构建基因共表达网络,发现了几个m6A相关基因与TFs以及受体样基因在猕猴桃发育和成熟过程中的显著相关性。 此外,对不同的猕猴桃组织进行的ATAC-seq分析确定了至少在两种组织中存在的10个共同的开放染色质区域,这些区域可能作为MADS蛋白、C2H2蛋白和其他预测的TF的潜在结合位点。本研究为猕猴桃m6A相关基因家族提供了全面的信息,为探索猕猴桃发育和适应的转录后调控机制奠定了基础。 图5. m6A相关基因的峰值位置和数量 总之,在基因家族分析中加入ATAC-seq的结果,不仅可以为理解家族不同成员的差异表达模式提供表观遗传调控的见解,还能预测调控关键基因的上游因子,为后续构建特定生物过程的转录调控网络奠定基础。 |