Augu molekulārā ģenētika

67
Nils Rostoks LU Bioloģijas fakultāte AUGU MOLEKULĀRĀ ĢENĒTIKA 2013. GADA 15. FEBRUĀRIS 1

description

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

Transcript of Augu molekulārā ģenētika

Page 1: Augu molekulārā ģenētika

1

Nils Rostoks LU Bioloģijas fakultāte

AUGU MOLEKULĀRĀ ĢENĒTIKA

2013. GADA 15. FEBRUĀRIS

Page 2: Augu molekulārā ģenētika

2

2013. GADA 15. FEBRUĀRIS

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%)

KURSA APJOMS

Page 3: Augu molekulārā ģenētika

MĀCĪBU PLĀNS UN LEKCIJU SARAKSTS

2013. GADA 15. FEBRUĀRIS

3

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

Page 4: Augu molekulārā ģenētika

4MĀCĪBU MATERIĀLI

I

2013. GADA 15. FEBRUĀRIS

Lekcijas

Page 5: Augu molekulārā ģenētika

5MĀCĪBU MATERIĀLI

II

2013. GADA 15. FEBRUĀRIS

Lekcijas

Page 6: Augu molekulārā ģenētika

6AUGI KĀ ĢENĒTIKAS MODEĻORGANISMI

2013. GADA 15. FEBRUĀRIS

Augi kā ģenētikas modeļorganisms (Mendelis un zirņi)

Wilhelm Ludwig Johannsen, tīro līniju teorija (pupiņas un mieži)

Jack R. Harlan, Robert W. Allard, evolūcija un populāciju ģenētika (mieži)

Barbara McClintock, krusmijas citoģenētiskie pētījumi, gēnu novietojums hromosomā, transponējamie ģenētiskie elementi (kukurūza)

Page 7: Augu molekulārā ģenētika

7MENDEĻA

EKSPERIMENTI

2013. GADA 15. FEBRUĀRIS

1865. gada raksts “Versuche über Pflanzen-Hybriden" (tulkojums angļu valodā atrodams http://www.mendelweb.org/)

Prasības eksperimentā izmantotajiem augiem:

1. augiem jāpiemīt nemainīgām, tos atšķirošām īpašībām;

2. šo augu hibrīdiem ziedēšanas laikā jābūt pasargātiem no apputeksnēšanas ar svešiem putekšņiem;

3. hibrīdiem un to pēctečiem nedrīkst piemist būtiskas atšķirības auglībā.

Page 8: Augu molekulārā ģenētika

8MENDEĻA EKSPERIMENTU GĒNS – KROKOTA SĒKLA

2013. GADA 15. FEBRUĀRIS

Gēns, kas nosaka gludu/krokotu sēklu fenotipu

Bhattacharyya et al. (1990) The wrinkled-seed character of pea described by Mendel is caused by a transposon-like insertion in a gene encoding starch-branching enzyme. Cell, 60:115-122.

Šo pazīmi nosaka r (rugosus) lokuss. RR un Rr genotipi nosaka gludas sēklas, bet rr genotips nosaka krokotas sēklas. rr sēklās trūkst cietes zarošanās enzīms I (starch-branching enzyme –SBEI). r lokusā ir Ac/Ds transposona insercija, kas noved pie nefunkcionālas mRNS sintēzes un cietes, lipīdu un proteīnu biosintēzes traucējumiem.

Page 9: Augu molekulārā ģenētika

9 TĪRĀS LĪNIJAS

2013. GADA 15. FEBRUĀRIS

Page 10: Augu molekulārā ģenētika

10KVANTITATĪVO PAZĪMJU

SADALĪJUMS

2013. GADA 15. FEBRUĀRIS

Page 11: Augu molekulārā ģenētika

11KVANTITATĪVĀS PAZĪMES

ĢENĒTIKĀ

2013. GADA 15. FEBRUĀRIS

Merlin Kompakt PR-3005 1268799-2 PR-3534 Ansis 754277-27 Ballistu Priekuļu 60 Imula L-2630 L-302 Ilga HB378 718676-190

20

40

60

80

100

120

Plant height (cm)

50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 10505

101520253035404550

Plant height categories (cm)

Size bins (cm)

Freq

uenc

cy

Page 12: Augu molekulārā ģenētika

12DISKRĒTĀS UN KVANTITATĪVĀS

PAZĪMES ĢENĒTIKĀ

2013. GADA 15. FEBRUĀRIS

Mendelis strādāja ar diskrētām pazīmēm «dzeltens» – «zaļš», «rievots» – «gluds», pie tam katru pazīmi noteica viena gēna dažādas alēles

Johansens strādāja ar kvantitatīvu pazīmi «pupiņu garums, cm», kuru nosaka gan gēni (tāpēc iespējamas tīrās līnijas), gan vides faktori (tāpēc variācija tīrās līnijas ietvaros)

Vairums pazīmju dabā ir kvantitatīvas – tās nosaka vairāki gēni, kā arī vides faktori (fenotips = gēni + vide)

Vēsturiski uzskatīja, ka Mendeļa un kvantitatīvā ģenētika ir dažādas lietas, bet tagad ir zināms, ka kvantitatīvā ģenētika arī balstās uz Mendeļa likumiem

Page 13: Augu molekulārā ģenētika

13 EVOLŪCIJAS PĒTĪJUMI

2013. GADA 15. FEBRUĀRIS

Alllard RW (1988) The Wilhelmine E. Key 1987 invitational lecture. Genetic changes associated with the evolution of adaptedness in cultivated plants and their wild progenitors. J Hered, 79: 225 – 238

Composite cross II – izveido 1928. gadā J. Harlan. Krusto 28 miežu šķirnes, no iegūtajiem 378 krustojumiem izsēj vienādu daudzumu F1 sēklu. Ievākto ražu apkopo un no tās izsēj nejaušu paraugu. To atkārto līdz F60.

Page 14: Augu molekulārā ģenētika

14MIKROEVOLŪCIJA MIEŽU

POPULĀCIJĀ

2013. GADA 15. FEBRUĀRIS

Evolūcija – iedzimstošas izmaiņas organismos vai populācijās vairāku paaudžu laikā, īpašību nodošana nākamajām paaudzēm ar izmaiņām

Mikroevolūcija – evolūcija sugas iekšienē, ģenētiskās izmaiņas populācijās un ģenētiskā diferenciācija starp populācijām

Pielāgotība (adaptedness) – organisma spēja dzīvot un vairoties noteiktā vidē

Pielāgošanās (adaptation) – organisma vai populācijas pielāgošanās noteiktai videi

Fitness – genotipa vidējais ieguldījums populācijā salīdzinot ar citiem genotipiem

Page 15: Augu molekulārā ģenētika

15EVOLŪCIJA CCII

POPULĀCIJĀ

2013. GADA 15. FEBRUĀRIS

CCII paaudžu gaitā bija novērojamas būtiskas kvalitatīvo pazīmju (morfoloģiskās pazīmes, slimību izturība, izoenzīmi, rDNS restrikcijas fragmenti) alēļu frekvenču izmaiņas

CCII kopumā turpināja pieaugt pielāgotība noteiktiem vides apstākļiem

Visiem marķieru lokusiem bija būtiska ietekme uz vairākām kvantitatīvām pazīmēm

Jau agrīnās paaudzēs izveidojās būtiskas asociācijas starp alēlēm dažādos lokusos

Page 16: Augu molekulārā ģenētika

16ALĒĻU FREKVENČU IZMAIŅAS

ESTERĀZES LOKUSĀ

2013. GADA 15. FEBRUĀRIS

Page 17: Augu molekulārā ģenētika

17TRANSPONĒJAMI

ĢENĒTISKIE ELEMENTI

2013. GADA 15. FEBRUĀRIS

Nobela prēmija medicībā 1983. gadā "for her discovery of mobile genetic elements“

Mutable Loci in Maize (1948)

http://profiles.nlm.nih.gov/LL/

Page 18: Augu molekulārā ģenētika

18AC/DS TRANSPOZONU

SISTĒMA

2013. GADA 15. FEBRUĀRIS

http://www.mun.ca/biology/scarr/Ac-Ds_system_genetics2.html

Page 19: Augu molekulārā ģenētika

19AC/DS SISTĒMAS PIELIETOJUMS

FUNKCIONĀLAJĀ GENOMIKĀ

2013. GADA 15. FEBRUĀRIS

Lazarow and Lutticke (2009) An Ac/Ds-mediated gene trap system for functional genomics in barley. BMC Genomics, 10: 55

Izveido transgēnu miežu līniju, kura satur Ac transpozāzi, kā arī vairākas līnijas, kas satur uz Ds elementa bāzes veidotu konstrukciju, kas ekspresē GUS marķieri. Krusto Ac līniju ar Ds līnijām, F1 un F2 augos novēro GUS marķiera aktivitāti. Sekvences analīze liecina, ka Ds elements ar GUS marķieri insertējas gēnu tuvumā miežu genomā

Page 20: Augu molekulārā ģenētika

20POLIPLOĪDIJA, HROMOSOMU

SEGREGĀCIJA, MEJOTISKĀ KRUSTMIJA

2013. GADA 15. FEBRUĀRIS

Polyploidy in Zea Mays L (1926)

A Correlation of Cytological and Genetical Crossing-Over in Zea Mays (1931)

The Order of the Genes C, Sh, and Wx in Zea Mays with Reference to a Cytologically Known Point in the Chromosome (1931)

The Correlation of Cytological and Genetical Crossing-Over in Zea Mays. A Corroboration (1935)

Page 21: Augu molekulārā ģenētika

21NORMANS BORLAUGS UN

“ZAĻĀ REVOLŪCIJA”

2013. GADA 15. FEBRUĀRIS

Normans Borlaugs (1914. – 2009.), Nobela miera prēmijas laureāts 1970. gadā

Augu patologs, ģenētiķis un selekcionārs

Pazīstams ar savu darbu CIMMYT (Centro Internacional de Mejoramiento de Maíz y Trigo, International Maize and Wheat Improvement Center, Mexico) pie jaunu kviešu šķirņu veidošanas un popularizēšanas Meksikā, Indijā, Pakistānā

“Zaļā revolūcija” notika pateicoties jaunām šķirnēm, pesticīdu pielietojumam un agrotehniskajiem pasākumiem

Page 22: Augu molekulārā ģenētika

22NORMANS BORLAUGS UN

“ZAĻĀ REVOLŪCIJA”

2013. GADA 15. FEBRUĀRIS

Page 23: Augu molekulārā ģenētika

23NORMANS BORLAUGS UN

“ZAĻĀ REVOLŪCIJA”

2013. GADA 15. FEBRUĀRIS

The green revolution in India and Pakistan ... is neither a stroke of luck nor an accident of nature. Its success is based on sound research, the importance of which is not self-evident at first glance. For, behind the scenes, halfway around the world in Mexico, were two decades of aggressive research on wheat that not only enabled Mexico to become self-sufficient with respect to wheat production but also paved the way to rapid increase in its production in other countries. It was in Mexico that the high-yielding Mexican dwarf varieties were designed, bred, and developed. There, also, was developed the new production technology which permits these varieties, when properly cultivated, to express their high genetic grain-yield potential - in general, double or triple that of the best yielders among older, tall-strawed varieties.

http://nobelprize.org/nobel_prizes/peace/laureates/1970/borlaug-lecture.html

Page 24: Augu molekulārā ģenētika

24NORMANS BORLAUGS UN

“ZAĻĀ REVOLŪCIJA”

2013. GADA 15. FEBRUĀRIS

Equally as important as the transfer of the new seed and new technology from Mexico to India and Pakistan was the introduction from Mexico of a crop-production campaign strategy. This strategy harnessed the high grain-yield potential of the new seed and new technology to sound governmental economic policy which would assure the farmer a fair price for his grain, the availability of the necessary inputs - seed, fertilizers, insecticides, weed killers, and machinery - and the credit with which to buy them. Collectively these inputs and strategy became the base from which the green revolution evolved.

http://nobelprize.org/nobel_prizes/peace/laureates/1970/borlaug-lecture.html

Page 25: Augu molekulārā ģenētika

25AUGU FILOĢENĒZE UN

TAKSONOMIJA

2013. GADA 15. FEBRUĀRIS

Sauszemes augu sporas pirmoreiz parādījās 476 miljonus gadu vecos iežos

Pirmās vaskulāro augu fosīlijas datētas no Silūra (415 – 440 miljoni g.)

Pirmie ziedaugi parādās pirms apm. 130 miljoniem gadu

Page 26: Augu molekulārā ģenētika

26 AUGU SISTEMĀTIKA

2013. GADA 15. FEBRUĀRIS

Sistemātika (nozare) un taksonomija (apakšnozare)

Taksonomijā izmantojamās pazīmes :

Morfoloģiskās pazīmes – lapas forma un anatomija, reproduktīvo orgānu morfoloģija, ziedu forma un anatomija, embriju un dīgstu forma, vasas un sakņu forma

Bioķīmiskās pazīmes – fotosintēzes ceļi, izoenzīmi, hloroplastu un kodola genoms, metabolīti

Page 27: Augu molekulārā ģenētika

27MIKROSKOPIJA AUGU

TAKSONOMIJĀ

2013. GADA 15. FEBRUĀRIS

Orhidejas Lycaste c.f. tricolor putekšņlapasLahaye et al. (2008) PNAS, 105: 2923

Page 28: Augu molekulārā ģenētika

28AUGU

TAKSONOMIJA

2013. GADA 15. FEBRUĀRIS

Taksonomija – sadala dzīvos organismus grupās (taksonos) un sakārto tos hierarhiskā secībā balstoties uz to līdzības pakāpi

Filoģenētiskā taksonomija – atspoguļo taksonomisko vienību evolucionāro vēsturi

Page 29: Augu molekulārā ģenētika

29MOLEKULĀRIE MARĶIERI

TAKSONOMIJĀ

2013. GADA 15. FEBRUĀRIS

Molekulārie dati sniedz nepastarpinātu informāciju par organismu genomu, tos iespējams interpretēt izmantojot precīzi definējamus evolūcijas modeļus

Molekulārās metodes ļauj analizēt tādus organismus, kuri nav pieejami standarta metodēm, piemēram, nekultivējami mikroorganismi, vai herbārija paraugi

Molekulāro marķieru informācija ir daudz plašāka nekā fenotipiskā informācija

Molekulārie marķieri palīdz atšķirt homoloģiju un analoģiju

Molekulārie dati ļauj tieši salīdzināt ģenētiskās diferenciācijas pakāpi dažādās taksonomiskās grupās, piemēram, zivīs un putnos

Page 30: Augu molekulārā ģenētika

30MORFOLOĢISKĀS PAZĪMES

UN MOLEKULĀRIE MARĶIERI

2013. GADA 15. FEBRUĀRIS

Page 31: Augu molekulārā ģenētika

31GRAUDZĀĻU (POACEAE)

SISTEMĀTIKA

2013. GADA 15. FEBRUĀRIS

Filoģenēze rekonstruēta balstoties uz morfoloģijas un anatomijas datiem, hloroplastu genoma datiem (cpDNA restrikcijas analīze, rbcL, ndhF, rpoC2 un rps4 sekvences) un kodola genoma datiem (rDNS, GBSSI (waxy) un fitohroma B sekvences) Kellog E (1998) PNAS, 95: 2005

Page 32: Augu molekulārā ģenētika

32FENOTIPS UN GENOTIPS

SISTEMĀTIKĀ

2013. GADA 15. FEBRUĀRIS

O’Leary et al. (2013) The placental mammal ancestor and the post-K-Pg radiation of placentals. Science, 339:662

Page 33: Augu molekulārā ģenētika

33DNS SVĪTRKODS UN

GENOMU SEKVENCES

2013. GADA 15. FEBRUĀRIS

Kress and Erickson (2008) PNAS, 105: 2761

Page 34: Augu molekulārā ģenētika

34 DNS SVĪTRKODS

2013. GADA 15. FEBRUĀRIS

DNS svītrkods – īsa (400 – 800 bp) DNS sekvence dažādu taksonu identifikācijai un klasifikācijai

Pirmā starptautiskā konference “Barcoding of Life”, Londonas Dabas vēstures muzejā, Londonā, 2005. gada februārī

http://barcoding.si.edu/history.html

Priekšnoteikumi DNS svītrkodu pielietojumam:

Sekvences pietiekami polimorfas, lai atšķirtu radniecīgas sugas

Polimorfo rajonu flankējošie rajoni ir konservatīvi un ļauj veidot universālus PCR praimerus

Sekvencēm jābūt pietiekami īsām, lai atbilstu mūsdienu tehnoloģiju iespējām

Page 35: Augu molekulārā ģenētika

35CBOL – CONSORTIUM FOR

THE BARCODE OF LIFE

2013. GADA 15. FEBRUĀRIS

http:// http://www.barcodeoflife.org/; http://www.boldsystems.org/

Dzīvniekiem visplašāk pielieto mitohondriju genomā kodētās citohroma c oksidāzes 1. subvienības 5’ rajonu (COI)

Augiem COI rajons nav pielietojams. Izmantoti tiek vairāki citi gēni, galvenokārt no hloroplastu genoma

Page 36: Augu molekulārā ģenētika

36DNS SVĪTRKODA GĒNU

DAUDZVEIDĪBA

2013. GADA 15. FEBRUĀRIS

Lahaye et al. (2008) DNA barcoding the floras of biodiversity hotspots. PNAS, 105: 2923

Page 37: Augu molekulārā ģenētika

37PLANT GENETICS AND

ENVIRONMENT

2013. GADA 15. FEBRUĀRIS

Science Matters: Plant Genetics and the Environment (Dr. Julian Schroeder, UCSD)

http://www.youtube.com/watch?v=fghFaDlgc-E

Page 38: Augu molekulārā ģenētika

41 2013. GADA 15. FEBRUĀRIS

AUGU GENOMU STRUKTŪRA

Page 39: Augu molekulārā ģenētika

42 AUGU GENOMI

2013. GADA 15. FEBRUĀRIS

Kodola genoms

Mitohondriju genoms

Hloroplastu genoms

Papildus informācija par augu genomiem:

http://www.ndsu.nodak.edu/instruct/mcclean/plsc731/genome/genome1.htm

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/genomes/PLANTS/PlantList.html

http://www.arabidopsis.org/portals/genAnnotation/other_genomes/index.jsp

Page 40: Augu molekulārā ģenētika

43GENOMISKĀS DNS

RENATURĀCIJAS KINĒTIKA

2013. GADA 15. FEBRUĀRIS

Denaturēta DNS renaturēsies balstoties uz DNS bāzu pāru komplementaritātes principu

Renaturācijas kinētika ļauj raksturot genoma sekvences, jo renaturācija balstās uz nejaušu komplementāru DNS fragmentu sadursmi

C0 x t1/2 raksturo noteikta DNS sekvences veida renaturāciju, kur

C0 = DNS molārā koncentrācija

t1/2 = laiks, kas nepieciešams, lai puse DNS

molekulu renaturētu

Jo lielāks C0t1/2, jo lēnāka reakcija

Page 41: Augu molekulārā ģenētika

44

2013. GADA 15. FEBRUĀRIS

http://plantgenome.agtec.uga.edu/CBCS/hub/webpages/cot.htm

Page 42: Augu molekulārā ģenētika

45 C0T1/2

2013. GADA 15. FEBRUĀRIS

Page 43: Augu molekulārā ģenētika

46C0T1/2 VĒRTĪBA ATKARĪGA NO

GENOMA KOMPLEKSITĀTES

2013. GADA 15. FEBRUĀRIS

Page 44: Augu molekulārā ģenētika

47GENOMA

KOMPLEKSITĀTE

2013. GADA 15. FEBRUĀRIS

Genoma kompleksitāti definē kā kopīgo unikālo (savstarpēji atšķirīgo) sekvenču garumu

E. coli genoma kompleksitāte ir 4.2 x 106, kas atbilst tā genoma izmēriem, jo šajā genomā visas sekvences ir unikālas

C0t1/2 tieši saistīts ar DNS daudzumu genomā - jo genoms kompleksāks, jo mazāks katras unikālās sekvences kopiju skaits

Piemēram, 12 pg E. coli genomiskās DNS satur 3000 kopijas no katra gēna, bet tas pats daudzums cilvēka genomiskās DNS tikai 4 kopijas katra gēna

Page 45: Augu molekulārā ģenētika

48EIKARIOTU GENOMU C0T1/2

ANALĪZE

2013. GADA 15. FEBRUĀRIS

Eikariotu genoma C0t1/2 analīzes līkne atšķiras no baktēriju līknes

Eikariotu genoms satur vairākus komponentus, katru ar savu C0t1/2 vērtību

Lēnais (augstas C0t1/2 vērtības) komponents satur gēnus, kurus veido unikālas DNS sekvences

Piemēram, sorgo genomā lēnais komponents atbilst 700 mb (24%) no genoma (Peterson et al. (2002) Genome Res, 12: 795

Page 46: Augu molekulārā ģenētika

GENOMU IZMĒRU SALĪDZINĀJUMS

2013. GADA 15. FEBRUĀRIS

49

0.00

0.01

0.10

1.00

10.00

100.00

1000.00

10000.00

100000.00

Page 47: Augu molekulārā ģenētika

50 AUGU GENOMU SEKVENCES

2013. GADA 15. FEBRUĀRIS

2000. g. 2002. g.2002. g. 2005. g.

2006. g.

Page 48: Augu molekulārā ģenētika

51

2013. GADA 15. FEBRUĀRIS

Page 49: Augu molekulārā ģenētika

52

2013. GADA 15. FEBRUĀRIS

Page 50: Augu molekulārā ģenētika

AUGU GENOMU SEKVENĒŠANA

2013. GADA 15. FEBRUĀRIS

53

Brachypodium distachyon genoms nosekvenēts http://www.brachypodium.org/

Kukurūzas (Zea mays) genoms nosekvenēts- http://www.maizegdb.org/

Kviešu (Triticum aestivum) (http://www.wheatgenome.org/) un miežu (Hordeum vulgare) (http://www.etgi.org) genoma sekvenēšana

Page 51: Augu molekulārā ģenētika

54AUGU GENOMU

SEKVENĒŠANAS STRATĒĢIJAS

2013. GADA 15. FEBRUĀRIS

Sekvenēt visu genomu, ieskaitot gēnus un atkārtojumus

Sekvenēt tikai to genoma daļu, kas ir unikāla (gēni, regulācijas elementi, nedaudz atkārtojumu)

Whitelaw et al. (2003) Enrichment of Gene-Coding Sequences in Maize by Genome Filtration. Science, 302: 2118 (http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/302/5653/2118?ck=nck)

Page 52: Augu molekulārā ģenētika

55AUGSTĀ C0T1/2 GENOMA

SEKVENĒŠANA

2013. GADA 15. FEBRUĀRIS

Sekvenēt tikai to genoma daļu, kas ir unikāla (gēni, regulācijas elementi, nedaudz atkārtojumu)

Veic genomiskās DNS renaturāciju un izdala frakciju ar augstu C0t1/2 vērtību. Veido genomiskās DNS bibliotēkas no šīs DNS un veic tradicionālo sekvenēšanu

http://www.mgel.msstate.edu/press/gt.pdf

Page 53: Augu molekulārā ģenētika

56

2013. GADA 15. FEBRUĀRIS

Page 54: Augu molekulārā ģenētika

57METILFILTRĒŠANAS

METODE

2013. GADA 15. FEBRUĀRIS

Sekvenēt tikai to genoma daļu, kas ir unikāla (gēni, regulācijas elementi, nedaudz atkārtojumu)

Genomā atrodamie atkārtojumi (transpozoni, retrotranspozoni) parasti ir metilēti (citozīna metilācija, CpG vai CpNpG)

Genomiskā DNS tiek klonēta baktēriju celmā, kas sašķeļ metilētu DNS

Pāri palikušie kloni pārsvarā satur gēnus un to regulācijas elementus

Page 55: Augu molekulārā ģenētika

58

2013. GADA 15. FEBRUĀRIS

Page 56: Augu molekulārā ģenētika

59

2013. GADA 15. FEBRUĀRIS http://www.vialactia.com/_attachments/Dallas2003_Ryegrass_GeneThresher_Poster.pdf

Page 57: Augu molekulārā ģenētika

60GENOMA

SEKVENĒŠANA

2013. GADA 15. FEBRUĀRIS

Fiziskā karte un ģenētiskā karte; lielu, vidēju un mazu genomiskās DNS klonu bibliotēkas; sekvenē klonu pēc klona, savāc genoma sekvenci no savstarpēji pārklājošamies kloniem

Shotgun sekvenēšana; mazu un vidēju klonu bibliotēkas; savāc genoma sekvenci visu uzreiz

Abas pieejas balstās uz Sangera didezoksiterminatoru sekvenēšanu, par kuru viņš 70-tajos gados saņēma Nobela prēmiju

Page 58: Augu molekulārā ģenētika

61

2013. GADA 15. FEBRUĀRIS

Page 59: Augu molekulārā ģenētika

GENOMA SEKVENĒŠANA

2013. GADA 15. FEBRUĀRIS

62

Green (2001) Strategies for the systematic sequencing of complex genomes. Nat Rev Genetics, 2: 573

Page 60: Augu molekulārā ģenētika

63GENOMA

SEKVENĒŠANA

2013. GADA 15. FEBRUĀRIS

DOE JGI Whole Genome Shotgun Sequencing, part 1

http://www.youtube.com/watch?v=RLsb0pMx_oU

DOE JGI Whole Genome Shotgun Sequencing, part 2

http://www.youtube.com/watch?v=eJ3WvQsPLUk

DOE JGI Whole Genome Shotgun Sequencing, part 3

http://www.youtube.com/watch?v=VhH-SJKGAPo

Page 61: Augu molekulārā ģenētika

64NEXT GENERATION

SEQUENCING

2013. GADA 15. FEBRUĀRIS

Līdz šim genomu sekvenēšanai izmantoja Sangera sekvenēšanu – sekvenēšana ar sintēzi izmantojot fluorescenti iezīmētus didezoksinukleotīdu terminatorus

Next generation sequencing balstās uz citiem principiem

NGS ir apkopojošs nosaukums vairākiem atšķirīgiem sekvenēšanas protokoliem

454 (Roche), ABI Solid, Illumina Solexa, Helicos HeliScope Schendure and Hanlee (2008) Next-generation DNA sequencing. Nat Biotech 26:1135

Page 62: Augu molekulārā ģenētika

65GENOMU SEKVENĒŠANA – NEXT

GENERATION SEQUENCING

2013. GADA 15. FEBRUĀRIS

NGS video apskats

http://www.youtube.com/watch?v=g0vGrNjpyA8&feature=channel

Bioinformātika nākamās paaudzes sekvenēšanas datiem

http://www.oxfordjournals.org/our_journals/bioinformatics/nextgenerationsequencing.html

NGS posteris

http://www.nature.com/nrg/posters/sequencing/Sequencing_technologies.pdf

Page 63: Augu molekulārā ģenētika

454 (ROCHE) GS FLX TITANIUM

2013. GADA 15. FEBRUĀRIS

66

Page 64: Augu molekulārā ģenētika

ILLUMINA (SOLEXA) GENOME ANALYZER

2013. GADA 15. FEBRUĀRIS

67

Page 65: Augu molekulārā ģenētika

INDIVĪDA GENOMA SEKVENCE

2013. GADA 15. FEBRUĀRIS

68

Cilvēka genoma projekts (1990. – 2003.) noteica pilnu cilvēka genoma sekvenci, taču tā ir dažādu indivīdu genomu hibrīds

Levy et al. (2007) The diploid genome sequence of an individual human. PLoS Biol 5: e254

Page 66: Augu molekulārā ģenētika

69AUGU GENOMA STRUKTŪRA

– GĒNI

2013. GADA 15. FEBRUĀRIS

Proteīnus kodējošie gēni, rRNS gēni, tRNS gēni, citi RNS gēni, genoma atkārtojumos esošie gēni

Gēnu izmēri

Gēnu izvietojums genomā

Intronu – eksonu struktūra

Page 67: Augu molekulārā ģenētika

70GENOMA STRUKTŪRAS

SALĪDZINĀJUMS

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)

Ren et al. (2006) In plants, highly expressed genes are the least compact. TIG, 22:5282013. GADA 15. FEBRUĀRIS