等位基因特异性表达(ASE)及顺反式调控研究的相关分析整理

目录

• 1. 主要参考文献
  • 1) 综述
  • 2）研究和方法
    • 水稻PNAS——张启发、刑锋
    • 棉花NC——胡冠菁、包颖
    • 玉米MP——周鹏、Nathan M. Springer
    • 水生植物莲Plant Mol Biol——武汉植物园
    • 土豆JIPB——黄三文
• 2. 分析要点
  • 1）工具
  • 2）概念理解
    • ASE和顺反式调控的关系？
    • ASE或Cis/trans与杂种优势的关系？

在对动植物杂交种（或F1子代）的基因组和转录组的关联研究中，要回答这么一个问题：基因组变异到底与基因表达有什么关系？

这个问题很难，因为涉及影响基因表达调控的因素可太多了！多少科研人员围绕着这个问题研究毕生。

但不可避免的要做等位基因特异性表达（allele-specific expression, ASE）和基因表达顺反式调控的相关研究。

我因为首次接触这类分析，很窝火。查阅了一些资料，理解了一些概念，模仿了一些方法。记录整理下要点备忘，更希望后来者不要绕路。

1. 主要参考文献

1) 综述

中文进展：等位基因特异性表达形成机制及其应用的研究进展

Cis/trans：The evolution of gene expression in cis and trans

转录调控在杂种优势中的作用：The Role of Transcriptional Regulation in Hybrid Vigor

变异与表达：Molecular and evolutionary processes generating variation in gene expression；解读版：【NRG综述】分子和演化过程在基因表达中引发的变异

看完这些，基本了解了概念。

2）研究和方法

水稻PNAS——张启发、刑锋

无代码，自创的方法（SNP归并到gene level），较难复制。只研究了ASE，未研究cis/trans。

Patterns of genome-wide allele-specific expression in hybrid rice and the implications on the genetic basis of heterosis；

解读版：等位基因不平衡表达与水稻杂种优势；华中农业大学在杂种优势机理研究取得新进展

后续相同方法研究了甲基化对ASE的影响：

Parental variation in CHG methylation is associated
with allelic-specific expression in elite hybrid rice

棉花NC——胡冠菁、包颖

有代码，较为友好。cis/trans分类费解，有点绕，要好好阅读理解后就好了。

Unraveling cis and trans regulatory evolution during cotton domestication；

解读版：Nature Commun. | 曲阜师范大学包颖团队揭示陆地棉驯化过程中的调控进化；

YouTube GCMonline：CGM 第131期 棉属多倍化与驯化历程中的顺反式表达调控进化；

CGM 第 23 期 Polyploidy and duplicated gene regulation, stories of cotton 棉花进化那些事儿

Gihub：https://github.com/Wendellab/CisTransRegulation

玉米MP——周鹏、Nathan M. Springer

有代码，不太好复制，也有点费解。同时分析了cis/trans和ASE

Dynamic Patterns of Gene Expression Additivity and Regulatory Variation throughout Maize Development

Github：https://github.com/maizeumn/atlas

Gitee：https://gitee.com/orionzhou/demo

玉米顺式元件预测胁迫反应PC（有代码），同一方法新作：

Prediction of conserved and variable heat and cold stress response in maize using cis-regulatory information；

解读版：【Plant Cell】机器学习！应用顺式调控元件大数据预测玉米的冷热应激反应

Github：https://github.com/orionzhou/stress

水生植物莲Plant Mol Biol——武汉植物园

无代码，较简单，只研究了ASE，基本参考了棉花文章。

Biased allelic expression in tissues of F1 hybrids between tropical and temperate lotus (Nelumbo nuicfera)；

解读版：武汉植物园在热带莲和温带莲杂交品种F1组织中的偏向等位基因表达研究中获进展

土豆JIPB——黄三文

无代码，只研究了ASE，分析简单，参考了水稻方法。

The multi-omics basis of potato heterosis

看完这些，你就知道近几年别人是怎么研究这些东西的。当然其他动植物中也有研究的，但要么方法老旧和分析不严谨，要么发表的影响力不够。

个人建议参考以上棉花或玉米的分析方法，发表有依据，较权威。作者友好，有代码，不懂可问。

2. 分析要点

1）工具

没有统一的分析方法，网上有一些工具，但比较旧也不够权威，再没有理解的情况下不敢乱用。

https://github.com/pjx1990/as_analysis

https://github.com/Jiaxin-Fan/ASEP

https://github.com/liangjiaoxue/ASEtrans

https://github.com/TheFraserLab/ASEr

https://github.com/bmvdgeijn/WASP

https://github.com/evodify/allele-specific-expression

https://github.com/haojingshao/ASE-pipeline

https://github.com/dorolin/PybridASE

https://github.com/sanderslhc/Allele-Specific-Expression

https://github.com/edsgard/geneiase

其实得到转录组的vcf文件后，利用bcftools提取每个样本的两个等位基因的reads count（AD属性），或者GATK的 ASEReadCounter也可得到SNP水平的等位基因reads矩阵。

但经测试，bcftools提取出的reads和gatk做的结果还是有所不同，没有去找具体的原因和差异大小。最好还是用gatk来做。

SNP的reads count最终要归并到gene level，一般取和（或均值），再进行检验，可用DESeq2或卡方检验。张启发水稻的文章是分gene内的SNP来做的，这样不太方便跟cis/trans以及遗传模式等比较。

现在的ASE或者cis/trans没有比较规范的流程，大家都用自己创立的理论和方法。对于对本领域不熟悉的研究者建议还是借鉴别人权威发表的方法。

2）概念理解

ASE和顺反式调控的关系？

ASE词本身指代F1中的表达，但是现在ASE一般指顺反式研究的分析方法（另外一种是eQTL），是需要同时考虑亲本间差异和F1中等位基因差异，将二者进行比较区分顺反类别。早期的文章很多只考虑F1但不看亲本（即认为ase只是顺式调控的结果），可以提cis但是不够精细严谨，最近的工作应该比较少见了。个人觉得，如果做了更为具体的cis/trans分析，ase就没必要提了。

ASE或Cis/trans与杂种优势的关系？

等位基因特异性表达 (ASE)与起源效应的亲本密切相关，并受cis/trans复杂相互作用的调节，通常被认为在解释杂种和亲本之间的差异方面起着关键作用。具体要根据数据做卡方和Fisher检验（如棉花的做法）。

致谢：特别感谢中国农科院深圳基因组研究所的胡冠菁老师！