JiaoYuan's Blog

文章题为”Identification and expression pattern analysis of the OsSnRK2 gene family in rice”。该文章发表于 Frontiers in Plant Science(中科院二区,IF=5.6,第一作者:Tongyuan Yu,通讯作者:Dawei Xue)。

根据原文的材料与方法,文章做了以下生信分析:

以上的分析基本都可以用 TBtools 来完成并做成好看的图片,这也是一个常规基因家族分析的流程。此处不涉及过于详细的步骤,更详细的步骤请参阅我的博客文章:https://yuanj.topposts/2023-06-01-gene-family-identification.html

作者在补充材料里提供了基因 ID、基因名和蛋白序列:

>OsSAPK1
MERYEVMRDIGSGNFGVAKLVRDVATNHLFAVKFIERGLKIDEHVQREIMNHRSLKHPNIIRFKEVVLTPTHLAIVMEYAAGGELFERICNAGRFSEDEARFFFQQLISGVSYCHSMQVCHRDLKLENTLLDGSVTPRLKICDFGYSKSSVLHSQPKSTVGTPAYIAPEVLSRKEYDGKVADVWSCGVTLYVMLVGAYPFEDPDDPRNFRKTITRILSVQYSIPDYVRVSADCRHLLSRIFVGNPEQRITIPEIKNHPWFLKNLPIEMTDEYQRSMQLADMNTPSQSLEEVMAIIQEARKPGDAMKLAGAGQVACLGSMDLDDIDDIDDIDIENSGDFVCAL
>OsSAPK2
MERYEVIKDIGSGNFGVAKLVRDVRTKELFAVKFIERGQKIDENVQREIMNHRSLRHPNIVRFKEVVLTPTHLAIVMEYAAGGELFERICSAGRFSEDEARFFFQQLISGVSYCHSMQICHRDLKLENTLLDGSIAPRLKICDFGYSKSSLLHSQPKSTVGTPAYIAPEVLARKEYDGKVADVWSCGVTLYVMLVGAYPFEDPDEPRNFRKTITRILSVQYMVPDYVRVSMECRHLLSRIFVANPEQRITIPEIKNHPWFLKNLPIEMTDEYQMSVQMNDINTPSQGLEEIMAIIQEARKPGDGSKFSGQIPGLGSMELDDVDTDDIDVEDSGDFVCAL
>OsSAPK3
MEERYEALKELGAGNFGVARLVRDKRSKELVAVKYIERGKKIDENVQREIINHRSLRHPNIIRFKEVCLTPTHLAIVMEYAAGGELFEQICTAGRFSEDEARYFFQQLISGVSYCHSLEICHRDLKLENTLLDGSPTPRVKICDFGYSKSALLHSKPKSTVGTPAYIAPEVLSRKEYDGKATDVWSCGVTLYVMLVGSYPFEDPGDPRNFRKTISRILGVQYSIPDYVRVSSDCRRLLSQIFVADPSKRITIPEIKKHTWFLKNLPKEISEREKADYKDTDAAPPTQAVEEIMRIIQEAKVPGDMAAADPALLAELAELKSDDEEEAADEYDTY
>OsSAPK4
MEKYEAVRDIGSGNFGVARLMRNRETRELVAVKCIERGHRIDENVYREIINHRSLRHPNIIRFKEVILTPTHLMIVMEFAAGGELFDRICDRGRFSEDEARYFFQQLICGVSYCHHMQICHRDLKLENVLLDGSPAPRLKICDFGYSKSSVLHSRPKSAVGTPAYIAPEVLSRREYDGKLADVWSCGVTLYVMLVGAYPFEDQDDPKNIRKTIQRIMSVQYKIPDYVHISAECKQLIARIFVNNPLRRITMKEIKSHPWFLKNLPRELTETAQAMYYRRDNSVPSFSDQTSEEIMKIVQEARTMPKSSRTGYWSDAGSDEEEKEEEERPEENEEEEEDEYDKRVKEVHASGELRMSSLRI
>OsSAPK5
MEKYEPVREIGAGNFGVAKLMRNKETRELVAMKFIERGNRIDENVFREIVNHRSLRHPNIIRFKEVVVTGRHLAIVMEYAAGGELFERICEAGRFHEDEARYFFQQLVCGVSYCHAMQICHRDLKLENTLLDGSPAPRLKICDFGYSKSSLLHSRPKSTVGTPAYIAPEVLSRREYDGKLADVWSCGVTLYVMLVGAYPFEDPKDPKNFRKTISRIMSVQYKIPEYVHVSQPCRHLLSRIFVANPYKRISMGEIKSHPWFLKNLPRELKEEAQAVYYNRRGADHAASSASSAAAAAAFSPQSVEDIMRIVQEAQTVPKPDKPVSGYGWGTDDDDDDQQPAEEEDEEDDYDRTVREVHASVDLDMSNLQIS
>OsSAPK6
MEKYELLKDIGSGNFGVARLMRNRETKELVAMKYIPRGLKIDENVAREIINHRSLRHPNIIRFKEVVLTPTHLAIVMEYAAGGELFDRICSAGRFSEDESRYFFQQLICGVSYCHFMQICHRDLKLENTLLDGSPAPRLKICDFGYSKSSLLHSKPKSTVGTPAYIAPEVLSRREYDGKMADVWSCGVTLYVMLVGAYPFEDPDDPKNFRKTIGRIVSIQYKIPEYVHISQDCRQLLSRIFVANPAKRITIREIRNHPWFMKNLPRELTEAAQAKYYKKDNSARTFSDQTVDEIMKIVQEAKTPPPSSTPVAGFGWTEEEEQEDGKNPDDDEGDRDEEEGEEGDSEDEYTKQVKQAHASCDLQKS
>OsSAPK7
MERYELLKDIGAGNFGVARLMRNKETKELVAMKYIPRGLKIDENVAREIINHRSLRHPNIIRFKEVVVTPTHLAIVMEYAAGGELFDRICNAGRFSEDEARYFFQQLICGVSYCHFMQICHRDLKLENTLLDGSPAPRLKICDFGYSKSSLLHSKPKSTVGTPAYIAPEVLSRREYDGKTADVWSCGVTLYVMLVGAYPFEDPDDPKNFRKTIGRIMSIQYKIPEYVHVSQDCRQLLSRIFVANPAKRITIREIRNHPWFLKNLPRELTEAAQAMYYKKDNSAPTYSVQSVEEIMKIVEEARTPPRSSTPVAGFGWQEEDEQEDNSKKPEEEQEEEEDAEDEYDKQVKQVHASGEFQLS
>OsSAPK8
MAAAGAGAGAPDRAALTVGPGMDMPIMHDSDRYELVRDIGSGNFGVARLMRDRRTMELVAVKYIERGEKIDDNVQREIINHRSLKHPNIIRFKEVILTPTHLAIVMEYASGGELFERICKNVRFSEDEARYFFQQLISGVSYCHSMQVCHRDLKLENTLLDGSPAPRLKICDFGYSKSSVLHSQPKSTVGTPAYIAPEVLLKKEYDGKTADVWSCGVTLYVMVVGAYPFEDPEEPKNFRKTIQRILNVQYSIPENVDISPECRHLISRIFVGDPSLRITIPEIRSHGWFLKNLPADLMDDDSMSSQYEEPDQPMQTMDQIMQILTEATIPPACSRINHILTDGLDLDDDMDDLDSDSDIDVDSSGEIVYAM
>OsSAPK9
MERAAAGPLGMEMPIMHDGDRYELVKEIGSGNFGVARLMRNRASGDLVAVKYIDRGEKIDENVQREIINHRSLRHPNIIRFKEVILTPTHLAIVMEYASGGELFERICSAGRFSEDEARFFFQQLISGVSYCHSMQVCHRDLKLENTLLDGSTAPRLKICDFGYSKSSVLHSQPKSTVGTPAYIAPEVLLKKEYDGKIADVWSCGVTLYVMLVGAYPFEDPEDPKNFRKTIQKILGVQYSIPDYVHISPECRDLITRIFVGNPASRITMPEIKNHPWFMKNIPADLMDDGMVSNQYEEPDQPMQNMNEIMQILAEATIPAAGTSGINQFLTDSLDLDDDMEDMDSDLDLDIESSGEIVYAM
>OsSAPK10
MDRAALTVGPGMDMPIMHDGDRYELVRDIGSGNFGVARLMRSRADGQLVAVKYIERGDKIDENVQREIINHRSLRHPNIIRFKEVILTPTHLAIVMEYASGGELFERICNAGRFSEDEARFFFQQLISGVSYCHSMQVCHRDLKLENTLLDGSTAPRLKICDFGYSKSSVLHSQPKSTVGTPAYIAPEVLLKKEYDGKIADVWSCGVTLYVMLVGAYPFEDPDEPKNFRKTIQRILGVQYSIPDYVHISPECRDLIARIFVANPATRISIPEIRNHPWFLKNLPADLMDDSKMSSQYEEPEQPMQSMDEIMQILAEATIPAAGSGGINQFLNDGLDLDDDMEDLDSDPDLDVESSGEIVYAM

domain 分析

结构域(domain)是位于超二级结构和三级结构间的一个层次。结构域是在蛋白质的三级结构内的独立折叠单元,通常都是几个超二级结构单元的组合。在较大的蛋白质分子中,由于多肽链上相邻的超二级结构紧密联系,进一步折叠形成一个或多个相对独立的致密三维实体,即结构域。

结构域实质上是二级结构的组合体,充当三级结构的构件。每个结构域分别代表一种功能。

原文中基因家族是指水稻中一系列具有 S_TKc 结构域的基因,是磷酸转移酶,丝氨酸或苏氨酸特异性激酶亚家族。我们可以在 SMART 网站查看该结构域的信息:S_TKc。补充材料里面也提供了基因的蛋白序列,我们直接拿过来用。将蛋白序列粘贴到 SMART 网站 查看结构域:

结果显示所有的基因都是具有 S_TKc 结构域的。但是个人感觉 SMART 网站的结果可能看上去不是很友好,我喜欢用 NCBI CD-search,也是上传序列开始分析即可,显示效果更加直观:

并且也可以用 TBtools 做成图:

染色体定位

Ensembl plants 下载水稻(日本晴)基因组的注释文件,然后将基因 ID 写在一个文件中:

transcript:Os03t0390200-01
transcript:Os07t0622000-01
transcript:Os10t0564500-01
transcript:Os01t0869900-01
transcript:Os04t0691100-01
transcript:Os02t0551100-01
transcript:Os04t0432000-01
transcript:Os03t0764800-01
transcript:Os12t0586100-01
transcript:Os03t0610900-01

再准备一个 rename 文件:

transcript:Os03t0390200-01	OsSAPK1
transcript:Os07t0622000-01	OsSAPK2
transcript:Os10t0564500-01	OsSAPK3
transcript:Os01t0869900-01	OsSAPK4
transcript:Os04t0691100-01	OsSAPK5
transcript:Os02t0551100-01	OsSAPK6
transcript:Os04t0432000-01	OsSAPK7
transcript:Os03t0764800-01	OsSAPK8
transcript:Os12t0586100-01	OsSAPK9
transcript:Os03t0610900-01	OsSAPK10

这里因为 Ensembl plants 下载的注释文件中默认的基因 ID 是转录本的,所以需要对 ID 进行一些处理,加上transcript:再把 Os 的 ID 转换成转录本 ID 即可。

导入到 TBtools:

出图后美化一下:

基因结构分析&motif 分析

将蛋白序列上传到 meme 网站 后下载输出的 xml 文件即可,但是网页版 MEME Suite 经常要排队,所以可以用 TBtools 进行本地分析:

再将输出的 xml 文件可视化:

通常我们将基因结构、domain、motif 展示在一张图上:

系统发育树

作者将拟南芥和大麦中的 SnRK2 家族基因也放在一起进行了系统发育分析,我在文章”# Genome-wide identification and expression pattern of SnRK gene family under several hormone treatments and its role in floral scent emission in Hedychium coronarium“中找到了 10 个拟南芥 SnRK2 基因,在文章”Genome-Wide Identification, Expression Pattern and Sequence Variation Analysis of SnRK Family Genes in Barley”中找到 11 个大麦 SnRK2 基因,提取其蛋白质序列共同进行系统发育分析:

Gene Name Gene ID
AtSnRK1.1 At3g01090
AtSnRK1.2 At3g29160
AtSnRK1.3 At5g39440
AtSnRK2.1 At5g08590
AtSnRK2.2 At3g50500
AtSnRK2.3 At5g66880
AtSnRK2.4 At1g10940
AtSnRK2.5 At5g63650
AtSnRK2.6 At4g33950
AtSnRK2.7 At4g40010
AtSnRK2.8 At1g78290
AtSnRK2.9 At2g23030
AtSnRK2.10 At1g60940
Gene Name Gene ID
HvSnRK1.1 HORVU1Hr1G081310
HvSnRK1.2 HORVU3Hr1G069190
HvSnRK1.3 HORVU3Hr1G107990
HvSnRK1.4 HORVU4Hr1G056610
HvSnRK2.1 HORVU1Hr1G055340
HvSnRK2.2 HORVU1Hr1G074670
HvSnRK2.3 HORVU2Hr1G029900
HvSnRK2.4 HORVU2Hr1G075470
HvSnRK2.5 HORVU2Hr1G110230
HvSnRK2.6 HORVU2Hr1G125950
HvSnRK2.7 HORVU3Hr1G082690
HvSnRK2.8 HORVU4Hr1G013540
HvSnRK2.9 HORVU5Hr1G018340
HvSnRK2.10 HORVU5Hr1G097630
HvSnRK2.11 HORVU0Hr1G011570

使用 Mega7 分析完之后使用 iTOL 网站 进行美化:

关于进化树的分析步骤及美化可以参阅:https://yuanj.topposts/2023-06-24-the-creation-and-beautification-of-gene-evolution-tree.html

共线性分析

共线性分析的步骤比较多,这里不展开赘述,参考我的博客文章:https://yuanj.topposts/2023-04-24-intraspecies-collinearity-analysis.html

多序列比对

多序列比对我一般用 CLUSTALWESPript 来做,将蛋白序列上传到 CLUSTALW 进行多序列比对,下载 aln 的结果后用 ESPript 进行可视化:

蛋白质理化性质分析

用 TBtools 即可一键分析,导入蛋白质序列即可:

Sequence ID Number of Amino Acid Molecular Weight Theoretical pI Instability Index Aliphatic Index Grand Average of Hydropathicity
OsSAPK1 342 38698.3 5.43 27.49 89.47 -0.208
OsSAPK2 339 38538.14 5.31 32.18 87.94 -0.248
OsSAPK3 334 37873.18 5.67 37.29 85.87 -0.424
OsSAPK4 360 41978.75 6.06 53.65 77.97 -0.616
OsSAPK5 370 42165.77 5.99 42.18 77.22 -0.501
OsSAPK6 365 41803.36 5.72 43.13 74.27 -0.621
OsSAPK7 359 41324.97 5.83 45.89 77.41 -0.567
OsSAPK8 371 41723.44 4.85 44.33 86.71 -0.303
OsSAPK9 361 40628.32 4.81 35.85 85.62 -0.272
OsSAPK10 362 40699.27 4.8 40.36 87.54 -0.281

蛋白质二、三级结构预测

原文作者使用 SOPMA 在线网站 进行蛋白质二级结构预测,直接提交序列就可以得到结果:

SOPMA :
   Alpha helix     (Hh) :   122 is  35.99%
   310  helix       (Gg) :     0 is   0.00%
   Pi helix        (Ii) :     0 is   0.00%
   Beta bridge     (Bb) :     0 is   0.00%
   Extended strand (Ee) :    62 is  18.29%
   Beta turn       (Tt) :    22 is   6.49%
   Bend region     (Ss) :     0 is   0.00%
   Random coil     (Cc) :   133 is  39.23%
   Ambiguous states (?)  :     0 is   0.00%
   Other states         :     0 is   0.00%

我这里仅仅分析了 OsSAPK2 的二级结构。

三级结构用 UniProt 网站,直接搜索蛋白的 ID 即可:

这里我也同样只分析了 OsSAPK2 的三级结构。

互作蛋白网络

互作蛋白网络使用 STRING 数据库完成,直接输入基因 ID 和物种即可:

将数据导出为 tsv 文件后,可以使用 Cytoscape 进行美化,可以参照我的博客文章:https://yuanj.topposts/2023-06-22-protein-interaction-network-beautification.html 之前 STRING 数据库默认的互作蛋白网络不够美观,但是现在已经更新,默认的图已经很漂亮了,此处就不进行美化了。

顺式作用元件分析

将上游 2000 的 cds 序列上传到 plantcare 网站,拿到结果后处理一下数据然后导入 TBtools 就可以进行绘图,详细步骤可以参考我的博客文章:https://yuanj.topposts/2023-03-29-cis-acting-element-analysis.html

表达热图

原文的表达谱数据是从 CREP 数据库 下载的,同样从 CREP 数据库下载表达量数据后用 TBtools 绘制热图即可:

TBtools 热图美化可以参考:https://yuanj.topposts/2023-06-23-detailed-explanation-of-gene-expression-heatmap-creation-using-tbtools.html

数据可用性

本文使用的所有数据均已保存至 GitHub:https://github.com/imjiaoyuan/bio-code