また、本研究では、ストレス適応を理解するための共発現ネットワークの構築、解析、検証を行いました

Construction, analysis and validation of co-expression network to understand stress adaptation in Deinococcus radiodurans R1.

• Suraj R Joshi
• Surabhi Jagtap
• Bhakti Basu
• Deepti D Deobagkar
• Payel Ghosh

抄録

システムバイオロジーに基づいたアプローチは、ハイスループットデータの収集に有効に活用されている。本研究では、公開されている複数のマイクロアレイデータを用いて遺伝子共発現ネットワークを構築し、Deinococcus radiodurans R1のシステムレベルでの解析を行った。この条件に依存しないネットワークは、9つの異なる実験条件から得られた61のマイクロアレイサンプルを用いて、重み付き遺伝子共発現ネットワーク解析(WGCNA)によって構築された。その結果、13の共発現モジュールが同定されたが、そのうち11のモジュールは1つ以上の経路や生物学的プロセスの機能的な富化を示した。また、放射線や乾燥ストレスの研究から得られた遺伝子やタンパク質の発現の違いを、我々の共発現モジュールと比較して解析したところ、シアンと放射線応答との関連性が明らかになった。興味深いことに、ダークグリーンとタンの2つのモジュールが放射線と乾燥ストレス応答に関連していた。これらのモジュールの機能解析を行ったところ、放射線や乾燥ストレスへの適応に重要な経路が濃縮されていることがわかった。これらのストレス応答性モジュールの機能を解明するために、転写因子を同定し、モジュールのハブ遺伝子と同定された転写因子との間のBiweight中間相関を計算した結果、放射線と乾燥ストレスに対応する7つの転写因子が得られた。その結果、放射線応答モジュールと乾燥応答モジュールについては、7個のTFが得られた。3つのTFの発現は、qRT-PCRを用いてガンマ線照射に応答して検証した。また、これらのTFとともに、ダークグリーンモジュールに含まれるDR_0997(CRP)とDR_2287(AsnCファミリー転写調節因子)の近傍遺伝子の発現も検証した。その結果、13のモジュールに関連する13のハブ遺伝子のうち、D. radioduransゲノム中の仮説的タンパク質（仮説的ハブ遺伝子）としてアノテーションされている5つのハブ遺伝子の機能性が明らかになった。本研究により、D. radioduransのDNA損傷ストレス応答に関連した経路や制御因子についての知見が得られた。

Systems biology based approaches have been effectively utilized to mine high throughput data. In the current study, we have performed system-level analysis for Deinococcus radiodurans R1 by constructing a gene co-expression network based on several microarray datasets available in the public domain. This condition-independent network was constructed by Weighted Gene Co-expression Network Analysis (WGCNA) with 61 microarray samples from 9 different experimental conditions. We identified 13 co-expressed modules, of which, 11 showed functional enrichments of one or more pathway/s or biological process. Comparative analysis of differentially expressed genes and proteins from radiation and desiccation stress studies with our co-expressed modules revealed the association of cyan with radiation response. Interestingly, two modules viz darkgreen and tan was associated with radiation as well as desiccation stress responses. The functional analysis of these modules showed enrichment of pathways important for adaptation of radiation or desiccation stress. To decipher the regulatory roles of these stress responsive modules, we identified transcription factors (TFs) and then calculated a Biweight mid correlation between modules hub gene and the identified TFs. We obtained 7 TFs for radiation and desiccation responsive modules. The expressions of 3 TFs were validated in response to gamma radiation using qRT-PCR. Along with the TFs, selected close neighbor genes of two important TFs, viz., DR_0997 (CRP) and DR_2287 (AsnC family transcriptional regulator) in the darkgreen module were also validated. In our network, among 13 hub genes associated with 13 modules, the functionality of 5 hub genes which are annotated as hypothetical proteins (hypothetical hub genes) in D. radiodurans genome has been revealed. Overall the study provided a better insight of pathways and regulators associated with relevant DNA damaging stress response in D. radiodurans.