1 / 59

Augu molekulārā ģenētika

Augu molekulārā ģenētika . Nils Rostoks LU Bioloģijas fakultāte . Kursa apjoms. 2 kredītpunkti 11 lekcijas 2 semināri Patstāvīgais darbs – sagatavot prezentāciju semināram Nobeigumā – eksāmens

shiela
Download Presentation

Augu molekulārā ģenētika

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Augu molekulārā ģenētika Nils Rostoks LU Bioloģijas fakultāte

  2. Kursa apjoms • 2 kredītpunkti • 11 lekcijas • 2 semināri • Patstāvīgais darbs – sagatavot prezentāciju semināram • Nobeigumā – eksāmens • Prasības KP ieguvei: Lekciju apmeklējums, uzstāšanās ar referātu seminārā un aktīva dalība referātu apspriešanā (50% atzīmes), sekmīgi nokārtots rakstiskais eksāmens (50%)

  3. Mācību plāns un lekciju saraksts

  4. Mācību materiāli I • Lekcijas

  5. Mācību materiāli II • Lekcijas

  6. Augu genomu struktūra Nils Rostoks

  7. Augu genomi Kodola genoms Mitohondriju genoms Hloroplastu genoms Papildus informācija par augu genomiem (Science, 2008) http://www.sciencemag.org/plantgenomes/feature.html

  8. Gēnu skaits Cilvēks – 20 000 – 25 000 Arabidopsis – 25 498 Rīsi – 32 000 – 55 000 Gēnu blīvums un gēnu struktūra Vidējais introna garums cilvēkam – 5.5 kbp, Arabidopsis– 152 bp, rīsiem – 387 bp Vidējais kopējais intronu izmērs cilvēkam – 42 kbp, Arabidopsis– 0.74 kbp, rīsiem – 1.8 kbp Vidējais kopējais eksonu garums cilvēkam – 1.49 kbp (8.7), Arabidopsis – 1.35 kbp (5.7), rīsiem – 1.34 (5.7) Genoma struktūras salīdzinājums Renetal. (2006) Inplants, highlyexpressedgenesaretheleastcompact. TIG, 22:528

  9. Gēnu skaits augu genomos • Arabidopsis – 25,498 gēni • Rīsi - 37,544 gēni (InternationalRiceGenomeSequencing Project) no kuriem tikai 71% ir homologi Arabidopsis • Populustrichocarpa- > 45,000 gēni (~485 mbp genoms) • Bet jāņem vērā Bennetzenetal. (2004) Consistent over-estimation of gene number in complex plant genomes. CurrOpinPlantBiol, 7: 732

  10. Cilvēku gēni • Vidējais gēnu blīvums – 1 gēns 40 – 45 kbp • Vidējais gēna izmērs – 10 – 15 kbp, bet ļoti variabls • Vidējaisstarpgēnu attālums – 25 – 30 kbp • Vidējais kodējošās daļas izmērs – 1.5 – 1.8 kbp (500 – 600 kodoni) • Vidējais eksona izmērs - ~200bp, skaits variabls (1 – 79) • Vidējais introna izmērs – ļoti variabls (simti līdz desmiti tūkstoši bp) • Humanmoleculargenetics 2 (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/bv.fcgi?rid=hmg.table.686)

  11. Cilvēka gēni

  12. Rīsu gēni • Vidējais gēnu blīvums – 1 gēns ~10 kbp • Vidējais gēna izmērs – 2.8 kbp • Vidējais starpgēnu attālums – 7.2 kbp • Vidējais eksona izmērs - ~310bp, skaits 4.9 • Vidējais introna izmērs – ~410 bp • Mew TW (2003) Rice Science: Innovations and Impact for Livelihood(http://books.irri.org/getpdf.htm?book=9712201848) • http://rice.plantbiology.msu.edu/

  13. Kukurūzas gēni • Vidējais gēnu blīvums – 1 gēns ~44 kbp • Vidējais gēna izmērs – 4 kbp • Vidējais starpgēnu attālums – 20 kbp • Vidējais eksona izmērs - ~260bp, skaits 4.6 • Vidējais introna izmērs – ~600 bp • Habereretal. (2005) Structure and Architecture of the Maize Genome. PlantPhysiol, 139: 1612 http://www.plantphysiol.org/cgi/content/full/139/4/1612/TBL160

  14. Heksaploīdo kviešu gēni • Vidējais gēnu blīvums – > 100 kb (bet atkarīgs no genoma rajona) • Vidējais gēna izmērs – 2.2 kbp • Vidējais starpgēnu attālums – ? • Vidējais eksona izmērs - ~320bp, skaits 2.8 • Vidējais introna izmērs – ~690 bp • http://compbio.dfci.harvard.edu/tgi/

  15. Miežu gēni Rostoks et al. (2002) FIG, 2:51

  16. Augu genoma struktūra – mobilie ģenētiskie elementi Transponējamo (mobilo) ģenētisko elementu klasifikācijas sistēma eikariotos Wicker etal. (2007) A unified classification system for eukaryotic transposable elements. NatRevGenet, 8: 973

  17. 1. klase – retrotranspozoni

  18. Ty1-copia un Ty3-gypsy

  19. Retrotranspozīcijas mehānisms Retrotranspozīcija notiek ar copy – pastemehānismu, t.i., notiek esošā retrotranspozona kopēšana un insercija jaunā vietā genomā Retrotranspozīcija notiek ar DNS transkripcijas un transpozīcijas mehānismu palīdzību

  20. LTR retrotranspozoni augu genomā http://genomebiology.com/2004/5/6/225

  21. Retrotranspozoni augu genomā • SanMigueletal. (1996) Nested retrotransposons in the intergenic regions of the maize genome. Science, 274: 765 • Sekvenē 280 kbp rajonu ap kukurūzas Adh1-F gēnu, identificē 10 jaunas retrotranspozonu grupas • Retrotranspozoni bieži insertējas viens otrā • Retrotranspozonu kopiju skaits 10 000 – 30 000 kopijas uz haploīdu genomu

  22. Miežu retrotranspozoni • Pirmais miežu retrotranspozons atklāts 1996. gadā (Suoniemietal. (1996) RetrotransposonBARE-1 is a major, dispersed component of the barley (HordeumvulgareL.) genome.Plant Mol Biol, 30: 1321 • 1.4 x 104 kopijas uz haploīdu genomu. Kopā aizņem apmēram 3% no genoma • Pirmās miežu genoma sekvences parāda to pašu ainu kā kukurūzā (Dubcovskyetal. (2001); Rostoks etal. (2002)) - gēni ir kā salas retrotranspozonu jūrā

  23. Retrotranspozonu jūras miežu genomā

  24. Rīsu un miežu genomu kolinearitāte

  25. Retrotranspozoni un retrovīrusi • Retrotranspozoni ir plaši izplatīti augu valstī, tie tiek transkribēti un to insercijas vietu polimorfisms vienas sugas ietvaros apliecina, ka tie ir aktīvi (Vicientetal. (2001) Envelope-class retrovirus-like elements are widespread, transcribed and spliced, and insertionally polymorphic in plants. GenomeRes, 11: 2041) • Novērotas vīrusveidīgās daļiņas, kas satur GAG kapsīda proteīnu un integrāzi (Jaaskelainenetal. (1999) Retrotransposon BARE-1: Expression of encoded proteins and formation of virus-like particles in barley cells. Plant J, 20: 413) • Retrotranspozonu aktivitāte atkarīga no apkārtējās vides ietekmes, tos inducē kultivēšana augu audu kultūrās vai abiotiskais stress (Kalendaretal. (2000) Genome evolution of wild barley (Hordeumspontaneum) by BARE-1 retrotransposon dynamics in response to sharp microclimatic divergence. PNAS, 97: 6603

  26. VLP šūnu ekstraktos • A – frakcija, kas satur lielas ~40 nm VLP • B – frakcija, kas satur GAG, IN un RT proteīnus. Redzamas mazās VLP • C – frakcija, kas satur GAG, IN un RT proteīnus. Parādītas gan lielās, gan mazās VLP. Mazās VLP (11 – 16 nm) satur tikai GAG, lielās (~35 nm) satur arī IN un RT • Jaaskelainenetal. (1999) Plant J, 20: 413

  27. Retrotranspozonu aktivitāti ietekmē vides faktori

  28. Retrotranspozonu aktivitāti inducē audu kultūras Hirochikaetal. 1996

  29. 2. klase – DNS transpozoni

  30. Transpozīcijas mehānisms Transpozīcija notiek ar cut – pastemehānismu Transpozīciju veic enzīms transpozāze, kuru kodē pats transpozons (autonomie elementi), vai arī cits transpozons (neautonomie elementi) Transpozīcijas rezultātā notiek genomiskās DNS rajona duplikācija Transpozonam raksturīgi gala invertētie atkārtojumi. To sekvence un garums ir noderīgi transpozonu klasifikācijā

  31. Transpozoni un gēnu veidošanās • Līdz šim uzskatīts, ka transpozoni (retrotranspozoni) un to kodētie proteīni neveic nekādu saimniekorganismam nepieciešamu funkciju • Tomēr nesen atklāts, ka hATklases transpozons miežos (pie šīs klases pieder arī kukurūzas Ac-Ds) ir specifisks tieši graudaugu grupai un tā kodējošā daļa ir pakļauta pozitīvai selekcijai, t.i., tas veic kādu organismam nepieciešamu funkciju • Muehlbaueretal. (2006) A hATsuperfamilytransposase recruited by the cereal grass genome. Mol GenetGenomics, 275: 553

  32. Transpozoni un gēnu veidošanās • hATklases transpozonsArabidopsisizrādījās nepieciešams normālai augu attīstībai • Elementa kodētais proteīns, ko nosauca par DAYSLEEPER, saistās pie DNS rajona, kas atrodas augšpus no ArabidopsisDNSreparācijas gēna Ku70 • BundockandHooykaas (2005) An Arabidopsis hAT-like transposase is essential for plant development. Nature, 436: 282 • Knipetal. (2012) The SLEEPERgenes: a transposase-derivedangiosperm-specificgenefamily. BMC PlantBiology, 12:192

  33. Ko vēl satur augu genomi? • Gēni un dažādi transpozoni un retrotranspozoni ir galvenās augu genoma sastāvdaļas. Bet vai tas ir viss? • DNSčipu analīze (wholegenometilingarray), lai novērtētu, kuri genoma rajoni tiek transkribēti par RNS • Izrādās, ka papildus zināmiem gēniem, ļoti daudzi genoma rajoni bez zināmas funkcijas tiek transkribēti, piedevām to transkripcija ir atkarīga no diennakts ritma (circadianrhythm) • Hazenetal. (2009) Exploring the transcriptional landscape of plant circadian rhythms using genome tiling arrays. GenomeBiol, 10: R17

  34. Gēnu ekspresijas analīze ar DNS čipiem s

  35. Affymetrix DNS čipi AffymetrixGeneChip pārskats http://www.affymetrix.com/support/learning/training_tutorials/expression_data/eda_experimental_design/player.affx AffymetrixTilingArrayspārskats http://www.affymetrix.com/support/learning/training_tutorials/tiling_analysis/tiling_array_analysis_fundamentals/player.html

  36. ArabidopsisAffymetrixTilingčips • 1 683 620 unikālas 25 n garas oligonukleotīdu zondes • Komplektā ietilpst 2 čipi – katram DNS pavedienam savs • No augu šūnām izdalīja kopējo RNS dažādos diennakts laikos (2 dienas, ik pēc 4 stundām, kopā 12 paraugi) un analizēja ar ArabidopsisTilingčipu • Gēni, kuru ekspresija mainās diennakts laikā • Atsevišķi eksoni un introni, kuru ekspresija mainās diennakts laikā • Alternatīvais splaisings • Nekodējošās RNS (miRNS), kuru ekspresija mainās diennakts laikā • Dabiskās antisense RNS, kuru ekspresija mainās diennakts laikā

  37. Nekodējošās RNS gēni augu genomā • Proteīnus nekodējošās RNS – rRNS (23S, 16S, 5S rRNS), tRNS, mazās kodola un citoplazmatiskās RNS (U4, U6 snRNS) • Daudzas citas mazas RNS molekulas, kuras regulē gēnu ekspresiju pēc transkripcijas • ShortinterferingRNS (siRNS) un mikro RNS (miRNS) • Divpavedienu RNS loma gēnu ekspresijas regulācijā: • siRNS apspiež vīrusu RNS replikāciju • miRNS regulē dažādu gēnu mRNS ekspresiju

  38. miRNS • pri-miRNS kodējošais rajons parasti atrodas starpgēnu rajonos, to transkribē RNS Pol II • Proteīni DDL, CBC, SE un HYL1 izveido un stabilizē pri-miRNS sekundāro struktūru • DCL1 (Dicer-like1) šķeļ pri-miRNS un izveido pre-miRNS • pre-miRNS tiek transportēta no kodola citoplazmā, kur tā veido kompleksu ar Argonaute (Ago) proteīnu, kurš veic regulējamā gēna mRNS šķelšanu

  39. Epigenoms • Epiģenētika – pētījumi par iedzimstošām izmaiņām gēnu darbībā, kas nav saistītas ar izmaiņām DNS sekvencē, it īpaši saistībā ar organisma attīstību • Epigenoms – katras organisma šūnas epiģenētiskais stāvoklis • Galvenās epiģenētikas pētītās parādības ir DNS metilācija (metilcitozīns) un histonu molekulu acetilācija • http://www.epigenesys.eu/

  40. Augu genomi ir dinamiski

  41. Figure 1. Significant hybridization differences are due to structural variation. Springer NM, Ying K, Fu Y, Ji T, et al. (2009) Maize Inbreds Exhibit High Levels of Copy Number Variation (CNV) and Presence/Absence Variation (PAV) in Genome Content. PLoS Genet 5(11): e1000734. doi:10.1371/journal.pgen.1000734 http://www.plosgenetics.org/article/info:doi/10.1371/journal.pgen.1000734

  42. Augu mitohondriju genoms • Arabidopsismitohondriju genoms 1997. gadā, 366 924 bp • Satur 50 – 60 gēnus (ribosomālo proteīnu un elpošanas kompleksa I – IV gēni, rRNS un tRNS gēni,) daudzi gēni translocēti uz kodolu dažādos augu taksonos • Augu mitohondriju genomiem ir tendence palielināties uz starpgēnu rajonu izmēru rēķina (satur DNS no kodola un hloroplastu genomiem) • Kompleksi genomi, garums no 200 līdz 2400 kbp, var būt gan lineāri, gan cirkulāri genomi un tie var sastāvēt no vairākām daļām • Mitohondriju genomā esošie atkārtojumi veicina iekšmolekulāro rekombināciju • KuboandNewton (2008) Angiospermmitochondrialgenomesandmutations. Mitochondrion, 8: 5

  43. Kukurūzas mitohondriju genomi

  44. Dzīvnieku mitohondriju genoms • Dzīvnieku mitohondrijugenoms ir kompakts, apmēram 16 – 17 kbp liels, satur 13 proteīnu gēnus un 4 – 24 RNS gēnus, gēni nesatur intronus, gēni mēdz pārklāties • Katrā šūnā ir vairāki simti mitohondriju un katrs mitohondrijs satur vairākas genoma kopijas

  45. Augu hloroplastu genoms • Augu hloroplastu genoms ir 120 – 190 kbp garš un kodē > 100 gēnus (tai skaitā visus proteīnu sintēzei nepieciešamos rRNS un tRNS gēnus), gēnos ir sastopami introni • Katrā hloroplastā ir vairākas (20 – 40) genoma kopijas, parasti arī paši hloroplasti šūnā ir vairākās kopijās • Plaši pielietots augu sistemātikā (piemēram, rbcL gēns, kodē ribuloses-1,5-bifosfātakarboksilāzes/oksigenāzes lielo subvienību – rubisko)

More Related