augu genomu struktūra
DESCRIPTION
Augu genomu struktūra . Nils Rostoks . Mācību plāns un lekciju saraksts . Sintēnija. Sākotnēji šis termins nozīmēja, ka gēni ir uz vienas hromosomas, t.i., sintēniski (no grieķu valodas burtiski “uz viena pavediena”) - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
1 2013. GADA 1. MARTS
Nils Rostoks
AUGU GENOMU STRUKTŪRA
MĀCĪBU PLĀNS UN LEKCIJU SARAKSTS
2013. GADA 1. MARTS
2
Datums Lekcijas temats08.02.2013 Iepazīšanās, ievadlekcija15.02.2013 Augu ģenētikas vēsture. Augi kā ģenētikas modeļorganismi. 22.02.2013 Augu genomu struktūra un pētīšanas metodes 01.03.2013 Augu genomu struktūra un evolūcija. Genomu polimorfisms, poliploīdija
08.03.2013 Molekulāro marķieri un to genotipēšanas tehnoloģijas un to pielietojums genoma kartēšanā
15.03.2013 Kartēšana augos izmantojot eksperimentālas un dabiskas populācijas 22.03.2013 Lekcija nenotiek 29.03.2013 Lieldienu brīvdienas05.04.2013 Molekulārie marķieri augu selekcijā 12.04.2013 Seminārs. Augu genoma struktūra un molekulārie marķieri 19.04.2013 Augu - augu patogēnu molekulārā ģenētika un bioloģija
26.04.2013 Augu abiotiskā stresa izturības un hormonālās regulācijas molekulārā ģenētika
03.05.2013Transgēno augu iegūšanas vēsture, metodes un pielietojums fundamentālos pētījumos. Latvijas un ES likumdošana ĢMO kultūraugu līdzāspastāvēšanas un ierobežotas izmantošanas jomās Transgēno augu pielietojums biotehnoloģijā. Ģenētiski modificēti kultūraugi.
10.05.2013 Seminārs. Augu abiotiskais un biotiskais stress un ĢMO 17.05.2013 Lekcija nenotiek 24.05.2013 Eksāmens
SINTĒNIJA
2013. GADA 1. MARTS
3
Sākotnēji šis termins nozīmēja, ka gēni ir uz vienas hromosomas, t.i., sintēniski (no grieķu valodas burtiski “uz viena pavediena”)
Termins tiek plaši lietots, lai uzsvērtu, ka gēnu kārtība hromosomā dažādiem organismiem ir vienāda (sintēniska)
Mikrosintēnija – gēnu kārtības saglabāšanās nelielā genoma rajonā
Kolinearitāte – gēnu (marķieru) kārtības saglabāšanās
GĒNU KĀRTĪBAS SAGLABĀŠANĀS EVOLŪCIJAS GAITĀ (SINTĒNIJA)
2013. GADA 1. MARTS
4
A B C D E
A X B C E A B CB’ D E
A B C D E A B C D E
Sākotnējā hromosomaJaunu sugu
veidošanās
Suga 1 Suga 2
Neatkarīga evolūcija mutācijas, gēnu duplikācijas, insercijas un delēcijas
5SINTĒNIJAS PIELIETOJUMS
GENOMU KARTĒŠANĀ
Kukurūzas – rīsu gēnu sintēnija
Rīsu hromosoma ir sintēniska kukurūzas 3 un 8 hromosomai.
2013. GADA 1. MARTS
CILVĒKA – ŠIMPANZES UN CILVĒKA – PELES
GENOMU SALĪDZINĀJUMS
2013. GADA 1. MARTS
6
Genomu salīdzinājumi ļauj atbildēt uz fundamentāli atšķirīgiem jautājumiem
Cilvēks – pele. Iespējams identificēt gēnus un kontroles elementus, kas saglabājušies nemainīgi evolūcijas gaitā. Var pētīt proteīnu funkcionālos domēnus, kas saglabājušies nemainīgi, vai arī gēnus, kas atšķir abus organismus
Cilvēks – šimpanze. Genomi, tai skaitā nekodējošā DNS, ļoti līdzīgi, kas ļauj identificēt mutācijas, kas radušās tieši cilvēka evolūcijas gaitā. Iespējams identificēt mutācijas gēnos un kodējošās daļās, kas potenciāli atšķir cilvēku no šimpanzes
7MIEŽU – RĪSU UN MIEŽU –
ARABIDOPSIS SALĪDZINĀJUMS
2013. GADA 1. MARTS
Miežu – rīsu salīdzinājums
Miežu un rīsu līnijas atdalījās pirms 40 – 50 miljoniem gadu. Miežu un rīsu genomā nereti saglabājusies gēnu kārtība hromosomā. Zinot rīsu genoma sekvenci, iespējams paredzēt kādi gēni atradīsies atbilstošā miežu genoma rajonā
Miežu – Arabidopsis salīdzinājums
Viendīgļlapji un divdīgļlapji atdalījās pirms >100 miljoniem gadu. Nav saglabājusies līdzība gēnu kārtībā hromosomā. Iespējams salīdzināt gēnu un to kodēto proteīnu struktūru. Līdzīgiem gēniem nereti vēl aizvien ir arī līdzīga funkcija
8GENOMA STRUKTŪRAS
VARIĀCIJA
2013. GADA 1. MARTS
Ģenētiskās analīzes pamatā ir atšķirības starp organismiem un to genomiem
Galvenās atšķirības starp genomiem ir:
- punktveida mutācijas;
- insercijas un delēcijas;
- kopiju skaita atšķirības;
- poliploīdija.
9 GENOMU DINAMIKA
2013. GADA 1. MARTS
http://www.intl-pag.org/19/abstracts/W11_PAGXIX_076.html
http://www.intl-pag.org/19/abstracts/W94_PAGXIX_583.html
10MUTĀCIJU
FREKVENCES
2013. GADA 1. MARTS
Cilvēka un peles salīdzinājums (75 miljoni gadu neatkarīgas evolūcijas)
Cilvēkiem mutāciju (aizvietoto bāzu pāru) frekvence - 2.2 × 10–9 aizvietojumu uz vienu nukleotīdu gadā vai ~2.2 × 10–8 uz vienu nukleotīdu vienā paaudzē
Pelēm mutāciju (aizvietoto bāzu pāru) frekvence - 4.5 × 10–9 uz vienu nukleotīdu gadā vai ~10–9 uz vienu nukleotīdu vienā paaudzē
Kukurūzas Adh1 un Adh2 lokusos - 6.5 × 10–9 aizvietojumu uz vienu nukleotīdu gadā
11PUNKTVEIDA MUTĀCIJAS
2013. GADA 1. MARTS
Visbiežāk sastopamā atšķirība starp genomiem
Punktveida mutācijas notiek visās šūnās jebkurā laikā. Mutācijas somatiskos audos netiek nodotas pēcnācējiem. Mutācijas izraisa DNS replikācijas un reparācijas kļūdas, dažādi ķīmiskie savienojumi, UV un jonizējošais starojums
Mutācijas ir normāls process. Tām vajadzētu notikt ar +/- konstantu ātrumu, atšķirības mutāciju frekvencē liecina par izlasi
Mutāciju frekvence kodola, mitohondriju un hloroplastu genomos ir atšķirīgas (dzīvnieku mtDNS mutāciju frekvence augstāka nekā kodola genomā, bet augu cpDNS frekvence ir zemāka nekā kodola genomā
12PUNKTVEIDA MUTĀCIJU
IEDALĪJUMS
2013. GADA 1. MARTS
Pēc DNS bāzu tipa
Tranzīcijas – transversijas
Pēc efekta uz proteīna sekvenci
Klusējošās vai sinonīmās mutācijas (aminoskābju sekvence nemainās, vai tiek aizvietotas ar funkcionāli līdzīgu aminoskābi)
Nesinonīmās mutācijas (atšķirīgas aminoskābes);
Nonsense mutācijas (translācijas terminatora kodons)
13PUNKTVEIDA MUTĀCIJAS
2013. GADA 1. MARTS
14INSERCIJAS –
DELĒCIJAS
2013. GADA 1. MARTS
Indeli – retāki kā punktveida mutācijas , it īpaši kodējošās daļās
Mikrosatelītu polimorfisms var tikt uzskatīts par indel veidu, piemēram:
AGCTGGATTGTGTGTGTGTGTGTGTGTGGGGAACTAC
AGCTGGATTGTGTGTGTGTGTGT..GTGGGGAACTAC
Indelus var izraisīt DNS replikācijas kļūdas, mobilo ģenētisko elementu insercijas, kā arī ķīmiskie mutagēni, UV un jonizējošā radiācija
15INSERCIJAS –
DELĒCIJAS
2013. GADA 1. MARTS
16KOPIJU SKAITA
VARIĀCIJA
2013. GADA 1. MARTS
Kopiju skaita variācija attiecas uz lieliem genomiskās DNS rajoniem (tūkstoši līdz miljoni bāzu pāru), kuri var būt atkārtoti genomā
Kopiju skaita variācija izraisa gēnu kopiju skaita izmaiņas un attiecīgi arī to kodēto proteīnu daudzuma izmaiņas šūnā
Visvairāk pētīta cilvēkos, bet pilnīgi noteikti ir novērojama arī augu genomā (Sebat et al. (2005) Large-scale copy number polymorphism in the human genome. Science, 305: 525)
17
2013. GADA 1. MARTS
18 POLIPLOĪDIJA
2013. GADA 1. MARTS
Poliploīdija augiem ir bieži sastopama
x – monoploīds hromosomu skaits, n – haploīds hromosomu skaits gamētās
Autopoliploīdija (piemēram, kartupeļi (2n = 4x = 48))
Allopoliploīdija (piemēram, kvieši (2n = 6x = 42), tritikāle)
Genoma duplikācijas un segmentālas duplikācijas
Kukurūza un rīsi ir seni tetraploīdi
Paterson et al. (2004) Ancient polyploidization predating divergence of the cereals, and its consequences for comparative genomics. PNAS, 101: 9903
19 POLIPLOĪDJA
2013. GADA 1. MARTS
Poliploīdija var atgadīties spontāni vai tikt inducēta
Poliploīdi bieži ir sterili
Homologās hromosomas un homeologās hromosomas
Bivalenti, univalenti, trivalenti
Triploīdi (rodas diploīdas un tetraploīdas sugas krustojumos , x un 2x gamētas)
Eiploīdi, aneiploīdi
TRITICEAE GENOMU EVOLŪCIJA
2013. GADA 1. MARTS
20
21PH LOKUSS UN HEKSAPLOĪDO
KVIEŠU RAŠANĀS
2013. GADA 1. MARTS
Kvieši (Triticum aestivum) ir heksaploīdi, bet to hromosomas mejozē sadalās kā diploīdam (tātad n = 21)
Šo skaldīšanos nodrošina Ph lokuss uz 5B hromosomas, kurš novērš homeologo hromosomu pārošanos mejozē
Ph lokuss ir izveidojies poliploidizācijas procesā pirms 8000 – 10000 gadiem
Ph lokuss atrodams tikai uz 5B hromosomas, bet ne 5A un 5D. Tas atrodams gan tetraploīdajos un heksaploīdajos kviešos, bet ne diploīdajās kviešu sugās
22
2013. GADA 1. MARTS
Griffiths et al. (2006) Nature, 439: 749
23RĪSU GENOMA DUPLIKĀCIJAS
2013. GADA 1. MARTS
Paterson et al. (2004) PNAS, 101: 9903
24
2013. GADA 1. MARTSSalse et al. (2009) Reconstruction of monocotelydoneous proto-chromosomes reveals faster evolution in plants than in animals. PNAS, 106:14908)
25ARABIDOPSIS GENOMA
DUPLIKĀCIJAS
2013. GADA 1. MARTSArabidopsis Genome Initiative (2000) Nature, 408: 796
26 2013. GADA 1. MARTS
Nils Rostoks
MOLEKULĀRIE MARĶIERI
27 MARĶIERI
2013. GADA 1. MARTS
Almost all aspects of life are engineered at the molecular level, and without understanding molecules we can only have a very sketchy understanding of life itself
Francis Crick
Tāpat kā ceļojumā orientēties palīdz ceļa stabi, genomā orientēties palīdz marķieri
AUGU MARĶIERI
2013. GADA 1. MARTS
28
Morfoloģiskie marķieri – vārpas forma un plēkšņu krāsa
Bioķīmiskie marķieri –dažāda izmēra proteīnu zonas SDS-PAGE
Molekulārie marķieri – atšķirības DNS molekulas nukleotīdu secībā
29MOLEKULĀRO MARĶIERU
IEDALĪJUMS
2013. GADA 1. MARTS
Pēc polimorfisma veida DNS molekulas sekvencē Punktveida mutāciju marķieri, mikrosatelītu marķieri
Pēc genotipa noteikšanas metodes Restrikcijas fragmentu garuma polimorfisms, CAPS (cleaved amplified polymorphic sequence)
Pēc genoma sekvences veida
Gēnu (cDNS) marķieri, anonīmie marķieri, retrotranspozonu marķieri un tmldz.
30MOLEKULĀRIE
MARĶIERI
RFLP – restrikcijas fragmentu garuma polimorfisms
AFLP – amplificētu fragmentu garuma polimorfisms
SSR – mikrosatelītu garuma polimorfisms SNP – punktveida mutācija
2013. GADA 1. MARTS
31BAKTĒRIJU GENOMA
RESTRIKCIJAS ANALĪZE
2013. GADA 1. MARTShttp://wheat.pw.usda.gov/~lazo/docs/xmal/rflps.html
32POLIMORFISMA DETEKCIJA
NOTEIKTĀ GENOMA RAJONĀ
2013. GADA 1. MARTS
Augu genomi lieli un kompleksi un starp dažādiem vienas sugas indivīdiem pastāv ļoti daudzas atšķirības (polimorfismi) genoma līmenī
Kā noteikt atšķirības DNS sekvencē noteiktā genoma rajonā?
DNS zondes un DNS hibridizācija Polimerāzes ķēdes reakcija ar specifiskiem
oligonukleotīdiem
33 RFLP SHĒMA I
2013. GADA 1. MARTS
Diploīds miežu genoms = 10x109 bp Restriktāze EcoRI (G^AATTC) vidēji
šķeļ ik pēc 46=4096 bp Vidēji sagaidāmi 2.5x106 DNS
fragmenti
Iedomāts ~150 000 bp gDNS rajons
GT1
GT1 AATTC GT2 AATTC
GA
GT2 X
Botstein et al. (1980) Construction of a genetic linkage map in man using restriction fragment length polymorphisms. American J Human Genetics, 32:314.
34 RFLP SHĒMA II
2013. GADA 1. MARTS
GT2GT1MGT2GT1M
1. blots 2. Hibridizācija ar specifisku zondi 3. Autoradiogrāfija
Southern
Genomiskās DNS restrikcija ar EcoRI, DNS fragmentu elektroforētiska sadalīšana agarozes gelā
35GENOMISKĀS DNS
RESTRIKCIJA RFLP ANALĪZEI
2013. GADA 1. MARTSKang and Yang (2004) BMC Biotechnology, 4:20
36 RFLP REZULTĀTI
DNS tiek šķelta ar restrikcijas fermentu, fragmenti tiek sadalīti agarozes gēlā atbilstoši to garumam un noteiktu fragmentu garumu nosaka izmantojot hibridizācijas zondes. Pirmās paaudzes molekulāro marķieru kartes
2013. GADA 1. MARTS
37RFLP TRŪKUMI UN
PRIEKŠROCĪBAS
2013. GADA 1. MARTS
Nepieciešamas specifiskas zondes – pirmais solis RFLP genoma kartēšanā ir hibridizācijas zondu izveidošana
Laikietilpīga metode, Southern hibridizācija nav automatizējama Relatīvi neliels alēļu skaits, problēmas ar krosshibridizāciju Lielākoties kodominanti marķieri Robusta metode, ja atstrādāti tehniskie aspekti, tā ir jutīga un
droša Vēl aizvien “zelta standarts”, pat salīdzinot ar mūsdienīgākām
metodēm
38 RFLP PIEMĒRI
2013. GADA 1. MARTS
39 RFLP VARIANTI
2013. GADA 1. MARTS
Genoma kompleksitātes samazināšana ar PCR, nevis specifiskām zondēm
Detekcijai izmanto fluorescentās krāsas, nevis autoradiogrāfiju, fragmentus sadala uz sekvenatora, nevis agarozes gelā
40 T-RFLP
2013. GADA 1. MARTS
Terminālo restrikcijas fragmentu garuma polimorfisms http://rdp8.cme.msu.edu/html/t-rflp_jul02.html
41MOLEKULĀRIE MARĶIERI
– AFLP
2013. GADA 1. MARTS
DNS polimorfismu detekcija balstoties uz restrikcijas enzīmu šķelšanu
Uz PCR balstīta metode genoma kompleksitātes samazināšanai
Fragmentus sadala denaturējošā poliakrilamīda gelā (sekvenēšanas gelā), vai arī kapilārajā elektroforēzē
Vos et al. (1995) AFLP: a new technique for DNA fingerprinting. Nucleic Acids Res, 23: 4407
42
2013. GADA 1. MARTS
43SELEKTĪVO NUKLEOTĪDU
SKAITA IETEKME UZ AFLP
2013. GADA 1. MARTS
A – viens selektīvs nukleotīds B – divi selektīvi nukleotīdi C – trīs selektīvi nukleotīdi D – četri selektīvi nukleotīdi I – III dažādas praimeru kombinācijas
44AFLP KĀ UNIVERSĀLA
MARĶIERSISTĒMA
2013. GADA 1. MARTS
I – Arabidopsis II – tomāts III – kukurūza IV – cilvēks
45AFLP PRIEKŠROCĪBAS UN
TRŪKUMI
2013. GADA 1. MARTS
Dominanta marķiersistēma – DNS fragmenti tiek skaitīti kā +/- (1 vai 0)
Universāla marķiersistēma – izmantojama jebkuram organismam Liels marķieru daudzums jau no dažām praimeru kombinācijām (van
Os et al. (2006) Construction of a 10,000-marker ultradense genetic recombination map of potato: providing a framework for accelerated gene isolation and a genomewide physical map. Genetics, 173: 1075)
Iespējams automatizēt izmantojot fragmentu analīzi uz sekvenatora Patentēta tehnoloģija
46MOLEKULĀRIE MARĶIERI
– SSR
Mikrosatelīti (arī Simple Sequence Repeats (SSR)) , piemēram, (AG)15
Rajons, kas satur mikrosatelītu atkārtojumu tiek amplificēts ar PCR un fragmenti tiek sadalīti agarozes vai poliakrilamīda gēlos
Weber and May (1989) Abundant class of human DNA polymorphisms which can be typed using the polymerase chain reaction. Am J Hum Genet, 44: 388
Litt and Luty (1989) A hypervariable microsatellite revealed by in vitro amplification of a dinucleotide repeat within the cardiac muscle actin gene. Am J Hum Genet, 44: 397
2013. GADA 1. MARTS
47 SSR
2013. GADA 1. MARTS
48 SSR ĪPAŠĪBAS
2013. GADA 1. MARTS
Kodominanti marķieri Liels skaits alēļu katrā lokusā Viens noteikts polimorfisma veids Nepieciešams neliels genomiskās DNS
daudzums, tehniski vienkāršāki nekā RFLP Iespējams analizēt lielu paraugu skaitu, it īpaši,
ja izmanto fluorescenti iezīmētus DNS fragmentu analīzi ar kapilāro elektroforēzi
49SSR FRAGMENTU
KAPILĀRĀ ELEKTROFORĒZE
2013. GADA 1. MARTS
Wang et al. (2003) Genome Introgression of Festuca mairei into Lolium perenne Detected by SSR and RAPD Markers. Crop Sci, 43: 2154
50MOLEKULĀRIE MARĶIERI
– SNP SNP – single nucleotide polymorphism (punktveida
mutācija)
Restrikcijas ar AgeI
2013. GADA 1. MARTS
51SNP
RAKSTUROJUMS
2013. GADA 1. MARTS
Galvenokārt bialēli marķieri, taču principā iespējami četri varianti katrā saitā
SNP – visbiežāk sastopamais ģenētiskā polimorfisma veids
SNP kombinācijas veido haplotipus (haploīdos genotipus)
Brookes AJ (1999) The essence of SNPs. Gene, 234: 177
52ALĒLES, HAPLOTIPI,
MUTĀCIJAS
2013. GADA 1. MARTS
consM1 M2 M3
Lokuss
AAAAA
TTC
TT
CCCCCCG
R Y S
G
G1G2G3G4G5G6
H1H2
H3
H4
H2
H2
Diploīds organisms, homologo hromosomu pāris
katrā lokusā var saturēt 2 alēles
PCR amplifikācija A1 un A2 fragmentu maisījums
PCR fragmentu sekvenēšana
Haplotipu fāze nav zināma
A1A2 A T
CCCG
R Y C
Nevar atšķirt H1, H2 un H3 haplotipus
53SNP GENOTIPĒŠANAS
TEHNOLOĢIJAS
2013. GADA 1. MARTS
Dažādas... Piemēram RFLP... CAPS – Cleaved Amplified Polymorphic
Sequences Alēles specifiska PCR amplifikācija,
piemēram, Applied Biosystems SNaPshot® Pirosekvenēšana
54ALĒLES SPECIFISKI OLIGONUKLEOTĪDI
2013. GADA 1. MARTS
55APPLIED BIOSYSTEMS
SNAPSHOT
2013. GADA 1. MARTS
Pievieno četrus dažādus ddNTP (A – dR6G, C – dTAMRA, G – dR110, T – dROX)
Reakcijas produktus sadala kapilārajā elektroforēzē
56
2013. GADA 1. MARTS
APPLIED BIOSYSTEMS
SNAPSHOT
57 ABI SNPLEX
2013. GADA 1. MARTS
Dai et al. (2008) BMC Medical Genomics, 1: 24
58 PIROSEKVENĒŠANA
2013. GADA 1. MARTS
http://www.pyrosequencing.com/DynPage.aspx?id=7454&mn1=1366&mn2=1367
1.
2. 3.
4.
59PIROSEKVENĒŠANA SNP
ANALĪZE
2013. GADA 1. MARTS
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
200
210
220
230
240
250
E S T G C T G C G A G A T C G C A
C:43.0%G:57.0%
5 10 15
60AUGSTAS CAURLAIDSPĒJAS
SNP GENOTIPĒŠANA
2013. GADA 1. MARTS
Vienlaicīga vairāku tūkstošu SNP analīze simtos DNS paraugu
Jo vairāk SNP lielākā paraugu skaitā, jo lielāka iespēja atrast noteiktu SNP asociāciju ar fenotipu
Augstas caurlaidspējas genotipēšanai nepieciešama specializēta (dārga) aparatūra, taču tā bieži pieejama arī kā pakalpojums
Affymetrix SNP čipi Illumina SNP čipi