| EN
当前位置:首页 > 最新动态

最新观点| 物种间比较转录组学推动基因功能和进化研究

 作者:谢天乐、孙萌

 转录组代表了细胞或组织内全部RNA分子的总和,反映生物体在不同发育阶段、组织类型、生理状态以及环境条件下的基因表达水平,其研究对于理解基因功能和进化至关重要。比较转录组学是一个不断发展的领域,它通过解析同一物种不同样本之间或不同物种间的转录组变化,帮助识别功能保守基因,鉴定对生物过程至关重要的基因,以及从基因表达角度研究生物进化。近年来,随着测序技术快速发展,测序成本不断降低,使得公开可获得的基因表达数据以指数速度增长。目前,大多数转录组学和比较转录组学研究只在物种内进行。

2022年11月4日,新加坡南洋理工大学生物科学学院的Irene Julca在国际著名期刊Trends in Plant Science上在线发表了题为“Toward kingdom-wide analyses of gene expression”的综述文章,讨论了访问和处理跨物种、大规模转录组数据的方式和问题,并介绍了物种间比较转录组学手段在植物基因功能和进化研究中的应用。

image.png

目前,植物中已积累超过30万个公开的RNA-seq测序数据,遍布数百种绿色植物(图1)。研究者可以运用物种间比较转录组学手段,整合不同实验积累下来的转录组数据,通过大规模分析,产生对基因功能和进化的新见解,包括差异基因表达(differential gene expression,DGE)、基因表达图谱(gene expression atlase)、共表达网络(coexpression network)和表达数量性状位点(expression quantitative trait loci,eQTL)等分析(图2)。

image.png

图1.  植物转录组数据概况

image.png

图2.  物种间比较转录组学方法

单物种DGE分析通过识别样本间表达发生变化的基因,发掘与遗传或环境因素相关的重要基因,其与功能富集分析结合,可揭示受影响基因的主要生物学功能。跨物种DGE分析主要基于同源基因进行分析,探究基因表达差异在同属、同科甚至跨门类植物中的保守性。目前,物种间DGE分析已被广泛用于解析作物与野生近缘种间的差异、不同植物胁迫响应机制、种间发育差异,以及用于系统发育基因组学(phylogenomics)研究。

基因表达图谱描绘了基因在不同细胞、组织、器官、发育阶段、处理或条件下的表达模式,有助于阐明基因功能。物种间基因表达图谱的比较可以帮助我们了解具体生物学功能在物种间的保守性和差异性。对于近缘物种,通常采用同类器官间的直系同源基因或直系同源组(orthogroup)进行比较;而对于远缘物种,可针对所有器官或样本,借助距离或相似性指数将相似样本分组,再运用聚类方法分析物种间基因表达的一般模式。

共表达网络分析主要用于识别时空共表达基因模块,鉴定具有相似功能的基因。物种间比较共表达网络可通过鉴定物种间共表达基因的保守模块(conserved module),进行跨物种基因功能注释或鉴定一组可信度更高的功能相关基因。物种间共表达网络分析从构建两个或更多物种的共表达网络开始,然后对网络进行聚类,比较不同基因模块间直系同源组、基因家族、结构域等的相似程度。除了通常在物种间进行比较,该分析也可用于同一物种内部,揭示功能相似的基因模块。

eQTL研究用于鉴定基因表达变异的遗传基础,全转录组关联研究(transcriptome-wide association studies,TWAS)可将基因表达与表型联系起来。eQTL分析与TWAS提供了大量与遗传和表型变异相关联的基因表达特征信息,可用于鉴定关键功能相关基因。尽管目前跨物种eQTL/TWAS研究不多,但近年来已出现了一些相关研究和方法。如把eQTL中鉴定到的基因在物种间进行比较,或是通过研究一个物种的基因型对另一个物种基因表达的影响解析植物共生和寄生机制。

运用物种间比较转录组学手段,在系统发育水平对不同植物的转录组数据进行比较分析,有助于解析和理解参与植物登陆、植物与微生物互作、特异次生代谢、胁迫抗性等机制中的关键功能基因和生物学途径。作者预计,未来几年将出现更多的物种间比较转录组学分析,利用海量转录组数据,通过生物信息学整合与分析,更好的解释植物基因的功能与进化。

原文链接:https://doi.org/10.1016/j.tplants.2022.09.007

电话:010-62993788 邮箱:lss@ziiab.cn 版权所有©北京中智生物农业国际研究院 地址:北京市平谷区峪口镇峪达大街1号院 京ICP备20027069号-1