多组学数据网络分析揭示植物响应油菜素甾醇的信号调节机制

油菜素甾醇 (brassinosteroids, BRs) 是一种重要的植物激素，在生长发育和胁迫响应中发挥重要作用。

之前在拟南芥中的研究已基本阐明了BRs信号通路：BRs首先被质膜定位的受体BRI1感知，并通过招募包括BAK1激酶在内的共受体激活BRs信号转导。

当不存在BR时，GSK3激酶BIN2会磷酸化BES1和BZR1等转录因子使其失活；而当感知到BR时，BRI1/BAK1复合体会通过信号级联导致BIN2失活和BES1/BZR1去磷酸化，之后，BES1/BZR1可以调节靶基因的表达从而参与植物生长发育的调控。

因此，拟南芥中的BRs信号通路高度依赖于蛋白质磷酸化水平、蛋白水平调节以及下游转录调控，但是目前关于BRs信号响应的全面理解仍然有限。

美国Iowa State University 的Justin Walley团队通过系统生物学方法整合了多组学数据并构建了SC-ION网络，并在此基础上揭示了拟南芥BRs响应的分子信号调节机制。

该成果近日以Integrated omics networks reveal the temporal signaling events of brassinosteroid response in Arabidopsis为题发表在Nature Communications上。

在该研究中，研究人员首先建立了一个处理系统以研究拟南芥对BR的时间响应。

在该系统中，研究人员通过芸苔素（ BR 生物合成抑制剂）预处理以降低拟南芥的背景BR信号，之后用油菜素内酯（BL）处理幼苗不同的时间长度（15 分钟、30 分钟、1 小时、2 小时、4 小时、8 小时）。

同时，研究人员还通过蛋白质印迹分析了BES1，从而验证了预期的BES1反应以及BL处理效果。

之后，研究人员对不同时间点的样本进行转录组和磷酸化蛋白组等多组学分析，以了解BRs响应的时间动态变化。

该研究在六个时间位点共鉴定出26669个转录物、9533个蛋白和26617个磷酸化位点。

在此基础上，该研究开发了SC-ION（Spatiotemporal Clustering and Inference of Omics Networks）以集成组学数据并预测BRs调控网络。

分析结果预测出两个独立的以 TF 为中心的 BR 响应网络，分别以TF 蛋白/转录本丰度或磷酸化位点强度作为靶基因的“调节子”，强调了TF 的磷酸化状态对于预测其下游靶基因的重要性。

有趣的是，基于SC-ION还可以在不同时间点推断调控网络，并可视化不同时间的蛋白/转录调控特征。

此外，该研究将该网络与激酶信号网络相结合，发现BR信号级联始于激酶信号传导，之后是TF磷酸化及丰度的转录调控。

Proposed model for the role of BRON in BR response研究人员进一步通过该网络预测了BES1的磷酸化位点。

结果表明，激酶信号网络预测的磷酸化位点丝氨酸179（S179）和丝氨酸180（S180）位于BIN2 激酶的下游，并通过进一步的试验进行了验证。

通过网络基序分析，研究人员还预测出一些参与BR响应的TF，尤其是ANTHOCYANLESS 2 (ANL2)、TCX2 和 BRONTOSAURUS (BRON；AT1G75710)。

其中，BRON被鉴定为调节细胞分裂的转录因子，其表达受到BR响应激酶和转录因子的调节并且其突变株系对BR敏感。

该研究还通过网络预测了BRON的上下游调控机制，发现BRON的表达由BR响应激酶BAK1、MAP4Kα1、MPK6和TMK1调节，并与VDOF2形成负反馈回路。

这些上游调节因子的协调导致油菜素内酯处理后对BRON的抑制，并解除了对细胞周期蛋白CYCD3;1和CYCP4;1的抑制并导致BR诱导的细胞分裂。

Proposed model for the role of BRON in BR response综上所述，该研究通过不同时间尺度的综合组学数据集生成了激酶信号传导和以TF为中心的调控网络，并通过该网络预测和验证了与BR响应相关的基因，从而为植物响应BR的分子信号机制提供了更为全面的理解。