Plant Cell經典案例：從組學數據到轉錄因子調控網路建構

在轉錄調控研究中，無論是發育研究還是生物和非生物脅迫響應等研究方向，有一類基因都是重點關注的，即轉錄因子（Transcriptionfactor，TF）。這與轉錄因子的功能相關。轉錄因子是一類能與基因5`端上游特定序列專一性結合，從而保證目的基因以特定的強度在特定的時間與空間表達的蛋白質分子。TF的核心功能就是能調控其他基因的表達，因此在各種基因表達調控網路和信號轉導通路中都處於重要調控位置。

隨著轉錄組測序等高通量測序技術發展，在構建基因調控網路時通常需要對數據進行批量的TF分析，主要包括轉錄因子的預測和注釋、DNA結合motif的分析、轉錄因子和靶基因的調控關係等。發表在PlantCell的「Architecture and Dynamics of the Jasmonic Acid GeneRegulatory Network」文獻，通過重點分析轉錄因子及其DNA結合motif的富集分析，構建MeJA誘導的轉錄因子和靶基因的動態有向調控網路（Hickman，2017）。

實驗設計

用MeJA處理（或Mock）擬南芥小苗後，在處理後16小時內選取14個時間點取葉片進行轉錄測序，共116個樣品。

研究結果

1、差異基因表達模式分析揭示MeJA處理後不同基因cluster

對所有DEGs進行聚類分析，將在時間序列樣品中有著相似表達動態模式的基因聚為一個共表達基因集合（Cluster），得到了27個clusters，可明顯分為上調（C1-C14）和下調（C15-C27）兩大類。為了分析不同cluster的生物學意義，對每個cluster進行GO富集分析。上調的大部分clusters主要富集的為與JA防禦響應相關，不同cluster也有各自特異功能分類。

2、轉錄因子DNA結合motif的富集分析

轉錄因子可通過結合順勢調控元件特異性調控靶基因的表達。分析JA響應基因的受調控的DNAmotif，有助於構建JA基因調控網路。因此，作者分析了DEG啟動子的TF結合位點motif的富集分析。首先，篩選分別在上調和下調Cluster中富集的motif。上調中富集的主要是bHLH、bZIP、ERF、MYB的DNA結合位點。下調中富集的主要是WRKY和TCP的。然後分析了27個cluster中的富集情況，將motif與cluster特異性表達模式聯繫起來。

3、MeJA介導的轉錄組重編程編年表

基於第一次差異表達時間點的上下調情況和基因調控功能（調控和受調控基因），可將DEG分為4個基因集合。通過分析這些集合在時間序列過程的變化，鑒定了JA誘導過程發生了10個不同轉錄活性階段。為了研究轉錄各個階段的生物學意義和調控次序，對這10個轉錄階段進行功能富集和啟動子motif分析。分析結果顯示，上調基因表達事件的編年年表：首先激活特異的TF和JA生物合成酶，然後是重要防禦次生代謝的酶。

4、構建JA基因調控網路

基於每個轉錄階段中TF的DNA結合motif信息，構建JA基因調控網路。該網路預測了JA響應TF和不同轉錄階段所有基因之間的方向性相互作用。預測的模型顯示，TF可以調控一個或多個轉錄階段的基因。其中Up1中的TF MYC2和JAM1是最具有活性的TF，其DNA結合motifs在大部分上調轉錄階段的啟動子中都有富集。Up1和Up2中還有一些重要TF，如bHLH27、ERF16等，這些TF的DNA結合motif在許多轉錄階段中都有富集。

研究亮點

高解析度時間序列轉錄組+轉錄因子分析

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