Inferring biosynthetic and gene regulatory networks from Artemisia annua RNA sequencing data on a credit card-sized ARM computer
- 作者
- Qiao Wen Tan, Marek Mutwil
- 单位
- School of Biological Sciences, Nanyang Technological University, 60 Nanyang Drive, Singapore 637551, Singapore
- 杂志
- Biochimica et Biophysica Acta - Gene Regulatory Mechanisms（2019）
- DOI
- 10.1016/j.bbagrm.2019.194429
- 所属领域
- 生物信息学 / 合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
如何利用廉价、信用卡大小的ARM单板计算机（Rock64，售价低于50美元）从公共RNA测序数据中快速预测基因功能并推断生物合成途径及基因调控网络（GRN）
研究策略
构建LSTrAP-Lite生物信息学流程：从ENA下载青蒿RNA-seq原始数据，使用kallisto进行转录本定量，构建基因共表达网络，并以次生细胞壁生物合成和青蒿素生物合成途径为案例，通过共表达网络识别参与途径的酶和调控转录因子
研究路线图
核心内容
该研究开发了名为LSTrAP-Lite的生物信息学流程，在售价低于50美元的Rock64信用卡大小ARM单板计算机上，从公共数据库下载青蒿RNA测序数据并进行基因共表达网络分析，以推断次级代谢通路及基因调控网络。流程涵盖数据下载（平均157秒/GB）、kallisto转录本定量（平均270秒/GB）和共表达网络构建，42个样本共94 GB数据在4小时下载和7小时映射后完成，41个样本通过质控进入分析。以CESA7为诱饵构建的网络显著富集次生细胞壁合成基因（P<0.001），覆盖纤维素、木质素、木聚糖和果胶合成酶及NST1、MYB83等转录因子；以ADS和DBR2为诱饵的网络均显著富集青蒿素合成酶基因（P<0.001），其中ADS网络还识别出3个ABC转运蛋白及ORA和bZIP类潜在调控因子。该工作表明，仅用廉价硬件和简单共表达分析即可同时捕获代谢酶与调控转录因子，显著降低了基因功能预测和调控网络推断的技术门槛，有助于在资源有限实验室普及生物信息学分析。
创新点
在低于50美元的Rock64单板计算机上完成了从数据下载、质量质控、定量到共表达网络构建的全流程；以青蒿为对象，展示了共表达网络可同时捕获生物合成基因及其转录因子；流程代码开源（https://github.com/mutwil/LSTrAP-Lite）
研究对象（40）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 青蒿 (Artemisia annua) | 次生细胞壁生物合成 | PWA69565.1 | CESA7（纤维素合酶7） | 催化 | 作为共表达网络诱饵基因，预测与纤维素生物合成相关 |
| 青蒿 (Artemisia annua) | 次生细胞壁生物合成 | PWA71152.1, PWA38807.1 | CESA（纤维素合酶） | 催化 | 与CESA7共表达的纤维素合酶 |
| 青蒿 (Artemisia annua) | 次生细胞壁生物合成 | PWA87916.1, PWA76896.1 | COBRA | 催化 | 纤维素合成相关蛋白 |
| 青蒿 (Artemisia annua) | 次生细胞壁生物合成 | PWA59244.1 | TBL3 | 催化 | 纤维素合成相关蛋白 |
| 青蒿 (Artemisia annua) | 次生细胞壁生物合成 | PWA48845.1 | FLA11 | 催化 | 纤维素微纤丝沉积相关 |
| 青蒿 (Artemisia annua) | 次生细胞壁生物合成 | PWA54862.1 | TPX2 | 调控 | 微管相关蛋白，与纤维素沉积相关 |
| 青蒿 (Artemisia annua) | 次生细胞壁生物合成 | PWA82924.1 | PAL2（苯丙氨酸解氨酶） | 催化 | 木质素生物合成 |
| 青蒿 (Artemisia annua) | 次生细胞壁生物合成 | PWA97538.1 | 漆酶 | 催化 | 木质素聚合 |
| 青蒿 (Artemisia annua) | 次生细胞壁生物合成 | PWA58824.1 | CYP450（细胞色素P450） | 催化 | 木质素生物合成 |
| 青蒿 (Artemisia annua) | 次生细胞壁生物合成 | PWA99088.1 | UGD2（UDP-葡萄糖脱氢酶） | 催化 | 果胶生物合成 |
| 青蒿 (Artemisia annua) | 次生细胞壁生物合成 | PWA64911.1 | IRX9 | 催化 | 木聚糖生物合成 |
| 青蒿 (Artemisia annua) | 次生细胞壁生物合成 | PWA94002.1 | PGSIP1 | 催化 | 木聚糖生物合成 |
| 青蒿 (Artemisia annua) | 次生细胞壁生物合成 | PWA92498.1, PWA41493.1, PWA57753.1 | DUF579 | 催化 | 阿拉伯木聚糖甲基化 |
| 青蒿 (Artemisia annua) | 次生细胞壁生物合成 | PWA55037.1 | TBL29 | 催化 | 木聚糖乙酰化 |
| 青蒿 (Artemisia annua) | 次生细胞壁生物合成 | PWA83971.1 | GAUT12 | 催化 | 木聚糖/果胶合成 |
| 青蒿 (Artemisia annua) | 次生细胞壁生物合成 | PWA77031.1 | TBL33 | 催化 | 木聚糖乙酰化 |
| 青蒿 (Artemisia annua) | 次生细胞壁生物合成 | PWA98831.1, PWA53461.1 | MAP（微管相关蛋白） | 调控 | 细胞骨架相关 |
| 青蒿 (Artemisia annua) | 次生细胞壁生物合成 | PWA92922.1 | NST1（NAC转录因子） | 调控 | 次生细胞壁合成的主调控因子 |
| 青蒿 (Artemisia annua) | 次生细胞壁生物合成 | PWA56935.1 | MYB83 | 调控 | 次生细胞壁正向调控因子 |
| 青蒿 (Artemisia annua) | 次生细胞壁生物合成 | PWA93789.1 | MYB42 | 调控 | 次生细胞壁正向调控因子 |
| 青蒿 (Artemisia annua) | 次生细胞壁生物合成 | PWA65860.1 | MYB85 | 调控 | 次生细胞壁正向调控因子 |
| 青蒿 (Artemisia annua) | 次生细胞壁生物合成 | PWA65001.1 | LBD15 | 调控 | 纤维素合成的负调控因子 |
| 青蒿 (Artemisia annua) | 次生细胞壁生物合成 | 未指定（BLH7同源） | BLH7（BEL1-like homeodomain） | 调控 | 可能与张力木纤维素合成相关 |
| 青蒿 (Artemisia annua) | 次生细胞壁生物合成 | 未指定（MYB93同源） | MYB93 | 调控 | 可能参与木栓质生物合成调控 |
| 青蒿 (Artemisia annua) | 次生细胞壁生物合成 | 未指定（MYB36同源） | MYB36 | 调控 | 与凯氏带木质化相关 |
| 青蒿 (Artemisia annua) | 青蒿素生物合成 | PWA62882.1 | ADS（紫穗槐-4,11-二烯合酶） | 催化 | 作为诱饵基因，位于青蒿素生物合成途径 |
| 青蒿 (Artemisia annua) | 青蒿素生物合成 | PWA56512.1, PWA61897.1, PWA56513.1 | ADS（紫穗槐-4,11-二烯合酶） | 催化 | ADS同源基因，与诱饵共表达 |
| 青蒿 (Artemisia annua) | 青蒿素生物合成 | PWA69692.1 | 细胞色素P450类似蛋白 | 催化 | 青蒿素合成相关 |
| 青蒿 (Artemisia annua) | 青蒿素生物合成 | PWA40082.1 | CYP71AV1（细胞色素P450单加氧酶） | 催化 | 青蒿素生物合成关键酶 |
| 青蒿 (Artemisia annua) | 青蒿素生物合成 | PWA91359.1 | ADH1（醇脱氢酶1） | 催化 | 青蒿素合成途径 |
| 青蒿 (Artemisia annua) | 青蒿素生物合成 | PWA96689.1 | ALDH1（醛脱氢酶1） | 催化 | 青蒿素合成途径 |
| 青蒿 (Artemisia annua) | 青蒿素生物合成 | PWA95606.1 | DBR2（青蒿醛δ-11(13)-双键还原酶） | 催化 | 作为诱饵基因，在ADS网络中缺失 |
| 青蒿 (Artemisia annua) | 青蒿素生物合成 | PWA74471.1, PWA60095.1 | CPR（细胞色素P450还原酶） | 催化 | 在DBR2网络中富集 |
| 青蒿 (Artemisia annua) | 青蒿素生物合成 | PWA39423.1 | ADH1（醇脱氢酶1） | 催化 | 在DBR2网络中富集 |
| 青蒿 (Artemisia annua) | 青蒿素生物合成 | PWA91382.1, PWA86185.1, PWA34723.1 | ABC转运蛋白 | 转运 | 可能参与青蒿素转运或积累 |
| 青蒿 (Artemisia annua) | 青蒿素生物合成 | PWA43096.1 | ORA（AP2/ERF转录因子） | 调控 | 潜在正向调控青蒿素合成 |
| 青蒿 (Artemisia annua) | 青蒿素生物合成 | PWA68925.1 | bZIP转录因子 | 调控 | 可能调控青蒿素合成 |
| 青蒿 (Artemisia annua) | 青蒿素生物合成 | PWA61088.1 | AIL6（AINTEGUMENTA-like 6） | 调控 | 可能与生长/发育相关，而非直接调控青蒿素 |
| 青蒿 (Artemisia annua) | 青蒿素生物合成 | PWA59375.1 | OFP（卵形家族蛋白） | 调控 | 可能参与植株生长调控 |
| 青蒿 (Artemisia annua) | 青蒿素生物合成 | PWA45423.1 | Remorin | 调控 | 可能参与应激/发育 |
关键发现
- Rock64单板计算机完成了42个青蒿RNA-seq样本（共94 GB）的下载和定量，下载速度平均157秒/GB，kallisto定量平均270秒/GB，总耗时4小时下载+7小时映射
- Aspera平均20% CPU、最大RAM 91 Mb，kallisto平均349% CPU、最大RAM 1797 Mb
- 一个样本SRR6472949因比对率差被排除，最终41个样本用于共表达网络
- 以CESA7（PWA69565.1）为诱饵的共表达网络显著富集细胞壁生物合成基因（超几何检验P<0.001），覆盖纤维素、木质素、木聚糖、果胶合成相关基因及NST1、MYB83、MYB42、MYB85、LBD15等转录因子
- 以ADS（PWA62882.1）为诱饵的网络显著富集青蒿素生物合成基因（P<0.001），包含ADS、CYP71AV1、ADH1、ALDH1及3个ABC转运蛋白（PWA91382.1、PWA86185.1、PWA34723.1）和潜在调控因子ORA（PWA43096.1）及一个bZIP转录因子（PWA68925.1）
- 以DBR2（PWA95606.1）为诱饵的网络也显著富集青蒿素合成基因（P<0.001），但未发现已知青蒿素调控转录因子
研究结论
简单的共表达分析即可在廉价单板计算机上有效地推断次级代谢生物合成途径的酶和调控转录因子，为基因功能预测和GRN推断提供了低门槛方案；随着廉价计算、便携测序和高效软件的发展，生物信息学分析将普及到普通生物学实验室