转录因子研究之TF-Motif信息

转录因子研究之TF-Motif信息

在前面的一篇推文中，我们介绍了什么是Motif以及对Motif分析结果的解读，今天小编就为大家再次解读一下TF-Motif之间的关系。

一、转录因子（TF）简介

TF就是我们所说的转录因子，它是一类蛋白质，可以通过与基因启动子区的特定核苷酸序列结合来控制染色质和转录，这些结合位点的长度通常是在5~20 bp范围内，如TATA盒、CAAT盒等。在真核生物中，转录因子有TFⅡA、TFⅡB、TFⅡD、TFⅡE、TFⅡF和TFⅡH。如下图所示，当染色质的DNA开放时，TFⅡD会找到启动子区域的TATA盒并与之进行结合，形成起始复合体，随后TFⅡB，TFⅡF与游离的RNA聚合酶Ⅱ复合体，TFⅡE，TFⅡH相继连接上起始复合体，形成完整起始复合体。其中TFⅡH的功能强大，具有激酶、螺旋酶以及ATP水解酶的活性，其可以解开DNA双螺旋结构，并激活RNA聚合酶，进而调节基因的转录过程。

图一

二、Motif与转录因子之间的关系

在表观遗传学中，我们常将Motif分析与转录因子放在一起讨论，这是因为Motif分析擅长寻找一些重复出现的具有特定生物学功能、短而保守的序列，而且现今已有整理好的转录因子数据库，我们可以经过数据库匹配，找出已发现的Motif基序或者未发现的疑似为转录因子结合位点的基序，方便我们开展后续的研究。

研究表明，转录因子在不同基因上的结合位点具有一定的保守性，又不完全相同，所以从我们的Motif可视化图片中可以看出Motif序列不是一成不变的，这是因为往往一个Motif是从一系列转录结合位点汇总产生，且多数转录因子与DNA序列具有多种结合模式。

图二

如图二所示，在Motif基序中有的碱基并不是唯一不可变的，且通过实验确定的结合位点与Motif匹配的序列之间仅存在部分重叠。为解释这一现象，科学家将TF与Motif的结合分为四类。

一类是转录因子蛋白可以与DNA序列上的两部分序列结合，我们将这种结合位点称为half-site，这两个“半位点”的序列一般为回文结构或近回文结构。这两个“半位点”可以是有碱基重叠的，也可以间隔不同数量的碱基，这些由转录因子决定（图二A）。

一类是部分转录因子蛋白包含多个独立的DNA结构域（DBDs），在蛋白质结构中，DBD通常由一段具有高度保守性的氨基酸序列构成，多样的DBDs允许蛋白质识别不同的DNA序列，这就导致一种转录因子可能有三种不同的结合位点（图二B）。

一类是有的转录因子可以形成多聚体，这种多聚体结合通常由转录因子的特定结构域介导，这种结构域可以相互作用形成稳定的复合物，从而形成同源二聚体、异源二聚体或与其他蛋白质相互作用，以结合不同的DNA序列，目前已经发现不少转录因子二聚体，表明了二聚体图谱的生物学意义（图二C）。

还有一类是部分单结构域的转录因子蛋白也拥有多个明显不同的DNA结合位点，这是因为转录因子可以在不同的条件下呈现出不同的构象或者结构形态。这种变化可以是由于蛋白质本身的结构灵活性，或者受到外界条件、配体结合、共激活子结合、表观遗传修饰等因素的影响。不同的结构构象可能影响蛋白质的功能、活性和与其他分子的相互作用（图二D）。

除了观测Motif基序的可视化图片以外，还需要结合PWM矩阵去查看Motif序列。PWM矩阵又称位置权重矩阵，该矩阵中包含了基序中每个核苷酸出现的相关频率的信息（图三）。这是因为有些转录因子结合位点可以容忍多种碱基的存在，这种“容忍”可以释放更多的功能结合序列，使得转录因子可以适应基因组中的碱基变异，并在不同条件下实现精确而灵活的基因表达调控。

图三

矩阵首行为Motif信息具体解析为：

>Motif基序  Motif名字  信号/背景检测阈值的对数值  富集p value的对数值  占位符  包含Motif的目标数据序列数除以目标数据序列总数，包含Motif的背景序列数除以背景序列总数，富集 p-value

除去第一行，有四列数据，分别代表ACGT在每个位置上出现的频率。如果某碱基的频率越大，则对应的碱基图片越大，且转录因子与之结合的可能性就越大。

以上便是我们今天向大家介绍的TF-Motif之间的关系，那在表观遗传学的分析中，除了提供TF-Motif的关系信息外，APExBIO还将为您提供Motif注释，展示TF和靶基因的调控关系。

如果是已知的Motif，则直接根据Motif在基因组上的位置定位到peak并对其进行注释，如果是未知的Motif，则根据数据库通过denovo预测Motifs-TFs，再根据Motif位置定位到peaks并对其注释，最终以表格的形式展示转录因子-Motif-peak-靶基因对应的关系。

三、如何利用Motif与TF之间的关系开展研究

1、 前期转录组数据和调研发现了重要的基因，依据转录组数据已能完善其功能，想要深挖是哪个转录因子调控了该基因的表达？

可先从ATAC-seq入手，得到全基因组染色质开放区域后，通过Motif注释将转录因子-Motif-peak-靶基因对应起来，再将转录组和ATAC数据联合，初步确认转录调控上下游关系后，利用ChIP-seq验证，若想要检测转录因子和靶基因的具体结合位点则可以使用双荧光素酶技术。

2、 前期ATAC测序或调研发现了感兴趣的转录因子，想要了解该转录因子会调控哪些基因?

通过Motif分析找到可能受调控的靶基因或通过ChIP-seq（转录因子）找到该转录因子结合的DNA序列。

参考文献：https://doi.org/10.3389/fgene.2016.00024