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Specie Dimensione Genoma (Mb)
N. Geni approx Refer.
Arabidopsis thaliana 125 25.500 (2000)
Caenorhabditis elegans 97 19.000 (1998)
Drosophila melanogaster 180 13.600
(2000)
Homo sapiens 3200 30.000/40.000 (2001)
S. Cerevisiae 12,1 5.800 (1996)
Escherichia coli 4,64 4.400
(1987)
M.tubercolosis 4,41 4.000 (1998)
Archaeoglobus fulgidus 2,18 2.500 (1997)
Methanococcus jannaschii 1,66 1.750
(1996)
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densità genicamatch ESTsdensitàtrasposoni
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The Arabidopsis genome
I
II
III
IV
V
• 60% genoma duplicato• 60% genoma in forma 2X e non 3X• Segmenti duplicati in orientamento diretto o invertito• Centromeri in nero
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Dimensione 29.105 19.646 23.172 17.549 25.953
DNA
1dominio TM 35.7% 32.8% 30.9% 36.7% 33.0%
Proteoma
Con signal peptidePathway secrez. 17.5% 15.7% 15.7% 16.5% 16.4%
Cloroplasto 9.2% 7.2% 8.1% 7.8% 8.1%
Mitocondrio 1.7% 1.2% 1.2% 1.5% 1.1%
1 2 3 4 5
Cromosomi
N. geni 6.543 4.036 5.220 3.825 5.874
Dimens.media geni 2.078 1.949 1.925 2.138 1.974
Geni con EST 60.8% 56.9% 59.8% 61.4% 61.4%
Esoni/gene 5.4 4.9 5.1 5.2 5.3
Taglia Esoni 247bp 259 250 256 242
Taglia Introni 168bp 177 159 166 159
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Caratteristiche dei 3 genomi di Arabidopsis
nucleo/citoplasma plastidio mitocondrio Taglia 125Mb 154Kb 367Kbn.genoma/cellula 2 560 26
Duplicaz.genica 60% 17% 10%
n.geni x prot. 25.498 79 58
ordine genico variabile conservato variabileDensità(Kb/gene) 45 1.2 6.25
Lung.genica media 1.9 0.9 0.86
Trasposoni 14% 0% 4%
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2000: The genome has ben sequenced,The papers published,
The champagne polished off,......... Now WHAT???
1996: Consorzio Internazionale(AGI:Arabidopsis Genome Initiative) x il sequenziamento di Arabidopsis
Functional GenOMICS
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Arabidopsis Functional GenOMICS
•Transcriptomics:analisi dei profili d’espressione, regolazione trascrizionale
•ORFeomics:analisi di cDNA, regolazione post-trascrizionale
•Proteomics:analisi dei profili proteici, 2° messaggeri, regolazione post-traduzionale
•Metabolomics:analisi dei metaboliti secondari
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Transcription
Cellular biogenesis
Ionic homeostasis
Cell death, ageingCell rescue
Cell growth, divisionDNA synth.
Protein destination
Protein synthesis
Energy
Intracellular transport
Signal transduction
Transport facilitation
Metabolism
Unclassified 30%
Functional Genomics
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S.cerevisiae
A..thaliana
C.elegans
Drosophila
H.sapiens
Proc
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Replic
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NA/M
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Categorie geniche x funzioneN
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Cel
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• Solo 8/23% TFs hanno geni correlati in yeast-human• Evoluzione indipendente dei TFs?• In Arabidopsis 2-3X TFs rispetto a Drosophila, C. elegans
Pro
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thes
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• 48/60&% dei geni coinvolti nella sintesi proteica sono conservati rispetto agli altri genomi eucariotici, sottolineando funzioni geniche altamente conservate
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Multinational Arabidopsis Steering Committee MASC
Programma di 10 anni, iniziato nel 2001Gli obiettivi:. Determinare la funzione di ogni gene di Arabidopsis. Ottenere una comprensione chiara e dettagliata dei processi molecolari che regolano lo sviluppo di Arabidopsis le conoscenze ottenute su questo organismo modello serviranno come riferimento per lo studio di altre piante
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• Il programma presenta obiettivi a corto-medio e lungo termine • Di quelli short-term molti sono già stati realizzati:
• Le annotazioni sul genoma sono incredibilmente aumentate attraverso l’uso di informazioni sulle sequenze espresse• Un ampio repertorio di mutanti sequenziati è stato creato ed è largamente utilizzato per la determinazione della funzione genica• Collezioni largamente rappresentative di sonde gene-specifiche sono state create e sono utilizzate per analisi d’espressione • Sequenze full-size di cDNA sono state definite per più del 60% di tutti i geni di Arabidopsis • Metodi per studi di metabolomica sono stati stabiliti• Le banche dati sono state largamente ampliate
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• Dei 26.207 geni annotati, 16.138 sono rappresentati da un full-size cDNA, e per 20.901 (~80%) è stata studiata l’espressione. • Le risorse per studi di genomica funzionale sono aumentate: le database per mutanti inserzionali attualmente coprono inserzioni per 22.400 geni (~85% dei geni) che probabilmente corrispondono ad alleli KO per il 70% dei geni.
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MASC 2004: update sulle funzioni geniche
Categorie: Per geni che codificano una proteina
attività della proteina/funzione molecolare Struttura terziaria
Dati di modificazioni post-traduzionaliProfilo di espressione proteico a livello
cellulare/tissutaleLocalizzazione subcellulareDati di interazione proteina/proteinaFenotipi di KO o alleli loss of functionProcessi biologici
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Per geni che NON codificano una proteinaattività dell’RNA/prodotto genicoProfilo di espressione genico a livello
cellulare/tissutaleStruttura dell’RNA/prodotto genicoLocalizzazione subcellulare dell’RNA/ prodotto
genico Fenotipi di KO o alleli perdita di funzione (loss of
function)Dati di interazione
Il Gold Standard della caratterizzazione funzionale di un gene è raggiunto quando si hanno infos su tutti questi punti………….
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13.000
26.207
20.901
Geni Identificati da dati Affy
Geni identificati da MPSS o
SAGE
Geni con ESTs
Geni con cDNAFull-length
Espressione
Dati d’espressione disponibili per circa l’80% di tutti i geni
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12.750
20.498
26.207
ORFs
Geni con cloni ORFs già noti
Geni con cloni ORFs identificati
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1.000
9.614
26.207
Funzione
Fenotipo mutante
Interazione genetica
Assay diretto
Interazione fisica
Funzione dedotta da:……….
Community Input di classe 3,2, & 1
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Geni di cui:No omologie di sequenzaNo espressione dell’ORF
No isolamento cDNASolo predizione “We don’t know
anything about it”
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1.976
26.207
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• Il ruolo di Arabidopsis nel portare innovazione nella
biologia vegetale applicata, non va sottovalutato• Diversi geni di Arabidopsis, infatti, sono stati caratterizzati
funzionalmente e ne è stata poi dimostrata conservazione
funzionale in piante da raccolto mediante espressione
eterologa
Testare geni di Arabidopsis in piante da raccolto……..
Gigantea (GI): coinvolto nel controllo del flowering
mediante il fotoperiodo e nel controllo del ciclo circadiano.
La fioritura precoce è un problema per il “radish”:
espressione dell’antisenso di GI di Arabidopsis riduce i livelli
di GI endogeno, causando un ritardo di fioritura.
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C-repeat/dehidration response element Binding Factor
(CBF1): Fattore di trascrizione di Arabidopsis che conferisce
tolleranza al freddo e allo stress ossidativo. Il pomodoro è
una pianta molto sensibile al freddo, viene resa resistente a
questo stress mediante espressione eterologa di CBF1.
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Lo studio genetico del fotoperiodo nella pianta modello Arabidopsis fornisce una conoscenza fondamentale anche per le possibili applicazioni su piante da raccolto
La luce del giorno è un importante input ambientale per segnalare le condizioni favorevoli per la fioritura:
in Arabidopsis la fioritura è indotta da SDin riso la fioritura è indotta da LD
La chiave di volta di ciò è l’attività del FT CONSTANSIl valore adattativo del controllo del tempo di fioritura rivela un tratto importante da un punto di vista agronomicoLa possibilità di modificare il tempo di fioritura è la caratteristica più importante che regola la distribuzione geografica delle piante da raccolto
Transfer di conoscenze da Arabidopsis a piante da raccolto……..
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Zea mays
Il genoma di mais è molto diverso da quello del suo antenato teosinte, e quindi è un interessante modello di evoluzione.3 linee di ricerca indipendenti cercano di far luce sulle basi molecolari di questa spettacolare trasformazione:
determinando la struttura del genoma di mais chiarendo il ruolo dei trasposoni nell’evoluzione di questo genoma investigando sulle basi molecolari delle differenze morfologiche fra mais e teosinte
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Finanziata nel ’98
Identificazione dei geni di mais usando due approcci complementari:
• ESTs• Sequencing le FS delle inserzioni del trasposone Mutator
GOALS:
Obiettivo finale:Sequencing di 150.000 segmenti di DNA genomico da inserzioni MuSe il mais ha 50.000 geni
probabilità 95% di sequenza ogni gene 1X<
Maize Genetics and Genomics Database
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Oryza sativaPianta modello per i cereali
Di alto interesse agronomico
IRGSP: International Rice Genome Sequencing ProjectConsorzio di laboratori di:Asia, Europa, Nord e Sud AmericaGenoma completamente sequenziato nel 2002Comparazione strutturale e funzionale con il genoma di mais
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The Golden Rice ProjectNegli anni ‘90 finanziato dalla Fondazione Rockefeller (Rockefeller Biotechnology Program) un progetto per “ingegnerizzare il pathway della provitamina-A nell’ endosperma di riso”. Il progetto fu giudicato a bassa probabilità di successo ma meritevole in quanto potenzialmente di grande utilitàIl progetto è stato svolto e realizzato COMPLETAMENTE in strutture Accademiche:
I. Potrykus, Inst. of Plant Sciences, Swiss Fed.Inst.of Technology, ETH-Zurich,Switz.
P. Beyer, University of Freiburg, Germany
This rice could save a million
kids a year