CG020 Genomika Bi7201 Základy genomiky Přednáška 3 Reverzní genetika Jan Hejátko Funkční genomika a proteomika rostlin, Mendelovo centrum genomiky a proteomiky rostlin, Středoevropský technologický institut (CEITEC), Masarykova univerzita, Brno hejatko@sci.muni.cz, www.ceitec.muni.cz FGP_logo_color §Změna fenotypu po mutagenezi §Genetika přímá § §Identifikace inzerčního mutanta a analýza jeho fenotypu §Genetika reverzní § §Analýza exprese daného genu a jeho časoprostorové specifity § §Principy experimentální identifikace genů prostřednictvím přímé a reverzní genetiky Přímá a reverzní genetika §Změna fenotypu po mutagenezi §Genetika přímá §Principy experimentální identifikace genů prostřednictvím přímé a reverzní genetiky Přímá a reverzní genetika - shrnutí FGP_logo LMFR_con Hormonal regulations of plant development Cloning of CKI1 ¨CKI1 was identified via activation mutagenesis in Arabidopsis §Overexpresion of CKI1 leads to CK-like response in the hypocotyl explants §CKI1 encodes a protein with similarity to bacterial histidine klinases Kakimoto, Science (1996) NO hormones t-zeatin ctrl1 ctrl2 plasmid rescue Pro35S::CK1 CKI1_scheme_01.tif FGP_logo LMFR_con Hormonal regulations of plant development Signal Transduction via MSP NUCLEUS Adobe Systems PM AHK sensor histidine kinases • AHK2 • AHK3 • CRE1/AHK4/WOL REGULATION OF TRANSCRIPTION INTERACTION WITH EFFECTOR PROTEINS HPt Proteins • AHP1-6 Response Regulators • ARR1-24 Recent Model of the CK Signaling via Multistep Phosphorelay (MSP) Pathway FGP_logo LMFR_con Hormonal regulations of plant development §Změna fenotypu po mutagenezi §Genetika přímá § §Identifikace inzerčního mutanta a analýza jeho fenotypu §Genetika reverzní §Principy experimentální identifikace genů prostřednictvím přímé a reverzní genetiky Přímá a reverzní genetika FGP_logo LMFR_con Hormonal regulations of plant development foot_prints Identification of insertional cki1 mutant allele FGP_logo LMFR_con Hormonal regulations of plant development CKI1 Regulates Female Gametophyte Development ¨CKI1 is necessary for proper megagametogenesis in Arabidopsis CKI1/CKI1 CKI1/cki1-i Hejátko et al., Mol Genet Genomics (2003) FGP_logo LMFR_con Hormonal regulations of plant development BCgelA A. ♂ wt x ♀ CKI1/cki1-i B. ♂ CKI1/cki1-i x ♀ wt C. ♂ wt x ♀ CKI1/cki1-i D. ♂ CKI1/cki1-i x ♀ wt CKI1 specific primers (PCR positive control) cki1-i specific primers CKI1 and megagametogenesis ¨cki1-i is not transmitted through the female gametophyte FGP_logo LMFR_con Hormonal regulations of plant development FG 0 FG 1 FG 2 FG 3 FG 4 CKI1 and megagametogenesis c:\chap10\10_10.jpg FGP_logo LMFR_con Hormonal regulations of plant development cki1-i CKI1 mut3 mut4 late FG5 FG6 FG7 24 HAE 48 HAE CKI1 and megagametogenesis Hejátko et al., Mol Genet Genomics (2003) FGP_logo LMFR_con Hormonal regulations of plant development §Změna fenotypu po mutagenezi §Genetika přímá § §Identifikace inzerčního mutanta a analýza jeho fenotypu §Genetika reverzní § §Analýza exprese daného genu a jeho časoprostorové specifity § §Principy experimentální identifikace genů prostřednictvím přímé a reverzní genetiky Přímá a reverzní genetika FGP_logo LMFR_con Hormonal regulations of plant development CKI1 is Expressed Throughout Megagametogenesis Hejátko et al., Mol Genet Genomics (2003) FGP_logo LMFR_con Hormonal regulations of plant development 12 HAP (hours after pollination) 24 HAP 48 HAP 72 HAP ♀ wt x ♂ ProCKI1:GUS Paternal CKI1 is Expressed in the Arabidopsis Sporophyte Early after Fertilization 24 HAP Hejátko et al., Mol Genet Genomics (2003) §Zdrojová literatura §Bioinformatics and Functional Genomics, 2009, Jonathan Pevsner, Willey-Blackwell, Hobocken, New Jersey http://www.bioinfbook.org/index.php §Plant Functional Genomics, ed. Erich Grotewold, 2003, Humana Press, Totowa, New Jersey § §Mello, C.C. and Conte Jr., D. (2004) Revealing the world of RNA interference. Nature, 431, 338-342. § §Klinakis et al.. (2000) Genome-wide insertional mutagenesis in human cells by the Drosophila mobile element Minos. EMBO Rep, 1, 416. § §Hansen et al.. (2003) A large-scale, gene-driven mutagenesis approach for the functional analysis of the mouse genome. PNAS, 100, 9918. § § § § Genomika 03 „Přímě genetický“přístup 1. IDENTIFIKACE FENOTYPU 2. GENETICKÉ MAPOVÁNÍ 3. GENOVÁ IDENTIFIKACE -poziční klonování „Reverzně genetický“ přístup 1.IZOLACE SEKVENČNĚ SPECIFICKÉHO MUTANTA 2. IDENTIFIKACE FENOTYPU 3. PRŮKAZ KAUZÁLNÍ SOUVISLOSTI MEZI INZERCÍ A FENOTYPEM NÁHODNÁ MUTAGENEZE arab Přístupy „klasické“genetiky versus „reverzně genetický“ přístup ve funkční genomice EMS T-DNA (retro)transposons §Analýza fenotypu a potvrzení příčinné souvislosti mezi fenotypem a inzerční mutací §mechanismus účinku RNAi §Umlčování genů pomocí RNAi §využití nestabilních inzerčních mutagenů a izolace revertantních linií §kosegregační analýza §Metody identifikace sekvenčně specifických mutantů §příprava sbírky mutantů §vyhledávání sekvenčně specifických mutantů pomocí PCR §vyhledávání sekvenčně specifických mutantů v elektronických databázích §identifikace nezávislé inzerční alely Osnova §Metody identifikace sekvenčně specifických mutantů §příprava sbírky mutantů Osnova • Mobilní elementy • Stabilní elementy §Autonomní transpozony (En-1) §Neautonomní transpozony (dSpm) §T-DNA §obsahují gen pro transponázu, umožňující excizi a opětovné začlenění do genomu §na obou koncích obsahují krátké obrácené repetice, které jsou transponázou rozpoznávány §mutant En/Spm transpozonu, který mutací v genu pro transponázu ztratil autonomii §může být aktivován křížením s linií nesoucí En/Spm transpozon §zcela stabilní, její inzerce však může vést k chromozomovým přestavbám (inverze, delece, transpozice) Typy inzerčních mutagenů vyhledávání sekvenčně specifických mutantů pomocí PCR Knihovny inzerčních mutantů u rostlin enmap příprava transgenních rostlin vytvoření populace mutantních jedinců Knihovny inzerčních mutantů u živočichů Transfekce do lidských buněčných kultur (HeLa) nebo myších embryonálních kmenových (ES) buněk vytvoření populace mutantních buněčných linií a analýza frekvence inzercí In vitro analýzy nebo příprava knihovny inzerčních mutantů reintrogresí ES do myších embryí Mice_ES_technology.jpg Technologii inzerční mutageneze lze využít i u živočichů. Zda se využívají např. transpozony odvozené z Drosophily (transpozon Minos, viz schéma vlevo nahoře (Klinakis et al., 2000). V tomto případě bylo nutne provést kotransfekci s tzv. helper plasmiem, kódujícím transponázu (neautonomní transpozon). Neo kóduje rezistenci k neomycinu, šipky ukazují směr transkripce řízený přislušnými promotory, pA je polyadenylační signál, ori je počátek replikace viru SV40, S-P je promotor téhož viru. Pro identifikaci inzercí „in frame“ se zasaženými geny lze využít transpozony, obsahující fůzi akceptorových míst sestřihu s ORF reportérového genu, např. lacZ-neo (bez AUG kodonu). Tento přístup umožňuje identifikovat inzerce do aktivních genů prostřednictvím selekce inzerčních mutantů na rezistenci k neomycinu, resp. vykazující β-galaktozidázovou aktivitu (Klinakis et al., 2000). §Metody identifikace sekvenčně specifických mutantů §příprava sbírky mutantů §vyhledávání sekvenčně specifických mutantů pomocí PCR Osnova §„trojrozměrné“ vyhledávání pomocí PCR Izolace sekvenčně specifických mutantů 1.Knihovna En-1 inzerčních mutantů • 3000 nezávislých linií • průměrně 5 kopií na linii • trojrozměrné vyhledáváni pomocí PCR • autonomní En/Spm, bez selekce Základy genomiky III, Přístupy reverzní a přímé genetiky Logo1me §„Trojrozměrné“ vyhledávání pomocí PCR ¨izolace genomové DNA z jednotlivých rostlin mutantní populace a vytvoření souhrnných souborů DNA („trojice“, řady a sloupce trojic a jednotlivé podnosy) 90 R 28 x 7 row pools 28 x 5 column pools 35 B 35 B 28 x 3 1-tray pools 3.000 mutantních linií A.t. (5 kopií En-1/linii) Izolace sekvenčně specifických mutantů Základy genomiky III, Přístupy reverzní a přímé genetiky Logo1me §„Trojrozměrné“ vyhledávání pomocí PCR ¨izolace genomové DNA z jednotlivých rostlin mutantní populace a vytvoření souhrnných souborů DNA („trojice“, řady a sloupce trojic a jednotlivé podnosy) ¨identifikace pozitivní „trojice“ pomocí PCR, blotování PCR produktů a hybridizace s genově specifickou sondou Izolace sekvenčně specifických mutantů Základy genomiky III, Přístupy reverzní a přímé genetiky Logo1me Identifikace PCR produktu pomocí hybridizace s genově spec. sondou 1. Vyhledávání pozitivní trojice (2x2x28=112 PCR reakcí) 3.000 mutantních linií A.t. (5 kopií En-1/linii) Izolace sekvenčně specifických mutantů Základy genomiky III, Přístupy reverzní a přímé genetiky Logo1me §„Trojrozměrné“ vyhledávání pomocí PCR ¨izolace genomové DNA z jednotlivých rostlin mutantní populace a vytvoření souhrnných souborů DNA („trojice“, řady a sloupce trojic a jednotlivé podnosy) ¨identifikace pozitivní „trojice“ pomocí PCR, blotování PCR produktů a hybridizace s genově specifickou sondou ¨identifikace pozitivní linie pomocí Identifikace pozitivního „tácu“, řady a sloupce Izolace sekvenčně specifických mutantů Základy genomiky III, Přístupy reverzní a přímé genetiky Logo1me Identifikace PCR produktu pomocí hybridizace s genově spec. sondou 1. Vyhledávání pozitivní trojice 2. Identifikace linie nesoucí inzerci (2x2x28=112 PCR reakcí) (dalších 5+7+3=15 PCR reakcí) Celkem 112+15=127 PCR reakcí 3.000 mutantních linií A.t. (5 kopií En-1/linii) Izolace sekvenčně specifických mutantů §Metody identifikace sekvenčně specifických mutantů §příprava sbírky mutantů §vyhledávání sekvenčně specifických mutantů pomocí PCR Osnova §„trojrozměrné“ vyhledávání pomocí PCR §hybridizace s produkty iPCR na filtrech Inzerční knihovna dSpm mutantů § 48.000 linií § neautonomní transposon § SINS (sequenced insertion sites) databáze § PCR vyhledávání nebo hybridizace s iPCR filtry § The Sainsbury Laboratory (SLAT-lines), John Innes Centre, Norwich Research Park § DNA a semena v Nottingham Seed Stock Centre http://nasc.nott.ac.uk § průměrně 1.2 izerce na linii Izolace sekvenčně specifických mutantů arab T-DNA iPCR2 iPCR3 iPCR4 iPCR5 iPCR7 iPCR8 robot iPCR9 §Hybridizace s produkty iPCR na filtrech ¨izolace genomové DNA z jednotlivých rostlin mutantní populace ¨štěpení restriční endonukleázou ¨ligace, vznik cirkulární DNA ¨inverzní PCR (iPCR) pomocí T-DNA specifických primerů ¨příprava nylonových filtrů s produlty iPCR v přesně daném vzorci (poloze) pomocí robota ¨hybridizace s genově specifickou sondou hybr iPCR1 Izolace sekvenčně specifických mutantů §Metody identifikace sekvenčně specifických mutantů §příprava sbírky mutantů §vyhledávání sekvenčně specifických mutantů pomocí PCR §vyhledávání sekvenčně specifických mutantů v elektronických databázích Osnova overviewGKseq_MPIZ Příprava knihoven z populace A. thaliana mutované pomocí T-DNA GABI-Kat (MPIZ, Köln) Izolace sekvenčně specifických mutantů Vyhledávání v elektronických knihovnách inzerčních mutantů Vyhledávání v elektronických knihovnách inzerčních mutantů cki1a tDNA | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | gtgactaaagtgtaattaataagtga……… 1923 13 §Analýza fenotypu a potvrzení příčinné souvislosti mezi fenotypem a inzerční mutací §využití nestabilních inzerčních mutagenů a izolace revertantních linií §kosegregační analýza §Metody identifikace sekvenčně specifických mutantů §příprava sbírky mutantů §vyhledávání sekvenčně specifických mutantů pomocí PCR §vyhledávání sekvenčně specifických mutantů v elektronických databázích §identifikace nezávislé inzerční alely Osnova §přítomnost více inzercí v jedné linii Proč je nutné analyzovat příčinnou souvislost mezi inzercí a pozorovaným fenotypem ? §možnost vzniku nezávislé bodové mutace §s inzercí T-DNA jsou často asociovány chromozomové aberace a přestavby (duplikace, inverze, delece) §Kosegregační analýza §kosegregace specifického fragmentu např. po inzerci T-DNA (nebo působení EMS atd.) do genomu s pozorovaným fenotypem cosegSb cki1::En-1 + + + + + + + + + + Kauzalita mezi inzercí a fenotypem §excize transpozonů není vždy zcela přesná-vznik bodových mutací - izolace revertantních linií s tichou mutací i stabilních mutantů Využití autonomních transpozonů pro izolaci nových stabilních mutací a revertantních linií §transpozony se často vyznačují excizí a reinzercí do blízké oblasti-využití při izolaci nových mutantních alel Fenotyp šešulí cki1::En-1/CKI1 cki1::En-1/CKI1 CKI1/CKI1 1. Izolace revertantních linií • PCR vyhledávání ve 246 rostlinách segregující populace • z 90 cki1::En-1 pozitivních 9 rostlin mělo kromě šešulí mutantních i šešule standardního typu Analýza potomstva • potvrzení absence inzerce pomocí PCR • PCR amplifikace a klonování části genomové DNA v místě inzerce • sekvenování Potvrzení fenotypu cki1::En-1/CKI1 foot_prints Využití autonomních transpozonů pro izolaci nových stabilních mutací a revertantních linií 2. Izolace stabilní mutantní linie • analýza fenotypu segregující populace (CKI1/CKI1 CKI1/cki1::En-1) • PCR analýza rostlin s mutantním fenotypem-identifikace rostlin bez inzerce • PCR amplifikace a klonování části genomové DNA v místě inzerce • sekvenování Potvrzení fenotypu cki1::En-1/CKI1 foot_prints Využití autonomních transpozonů pro izolaci nových stabilních mutací a revertantních linií §Analýza fenotypu a potvrzení příčinné souvislosti mezi fenotypem a inzerční mutací §mechanismus účinku RNAi §Umlčování genů pomocí RNAi §využití nestabilních inzerčních mutagenů a izolace revertantních linií §kosegregační analýza §Metody identifikace sekvenčně specifických mutantů §příprava sbírky mutantů §vyhledávání sekvenčně specifických mutantů pomocí PCR §vyhledávání sekvenčně specifických mutantů v elektronických databázích §identifikace nezávislé inzerční alely Osnova §Molekulární podstata posttranskripčního umlčování genů (PTGS) §RNAi objevena u Coenorhabditis elegans §umlčování bylo indukováno jak sense tak antisense RNA (pravď. kontaminace obou při in vitro transkripci) §dsRNA indukovala umlčování cca 10-100x účinněji §dsRNA indukce je závislá na vlastních genech - gen. vyhledávání RNAi rnai RNA interference §Molekulární podstata posttranskripčního umlčování genů (PTGS) §RNAi objevena u Coenorhabditis elegans §je to přirozený mechanismus regulace genové exprese u všech eukaryot §podstatou je tvorba dsRNA, která může být spuštěna několika způsoby: §přítomnost cizí „aberantní“ DNA §specifické transgeny obsahující obrácené repetice částí cDNA §transkripce vlastních genů pro shRNA (short hairpin RNA) nebo miRNA (micro RNA, endogenní „vlásenková“ RNA) §dsRNA je procesována enzymovým komplexem (DICER), což vede k tvorbě siRNA (short interference RNA), která se pak váže buď na enzymový komplex RITS (RNA-induced transcriptional silencing complex) nebo RISC (RNA-induced silencing komplex) §RISC zprostředkovává buď degradaci mRNA (v případě úplné similarity siRNA a cílové mRNA) nebo vede pouze k zastavení translace (v případě neúplné homologie jako je tomu např. v případě miRNA §RITS zprostředkovává reorganizaci genomové DNA (tvorba heterochromatinu a inhibice transkripce) RNA interference RNA-dependent RNA polymerase short hairpin RNA micro RNA Mechanism of RNA interference + tasiRNAs 21-25 bp Mello and Conte, Nature (2004) It has been found that dsRNA might be either an intermediate or a trigger in PTGS. In the first case, dsRNA is formed by the action of RNA-dependent RNA polymerases (RdRPs), which use specific transcripts as a template. It is still not clear, how these transcripts are recognized, but it might be e.g. abundant RNA that is a result of viral amplification or transcription of foreign DNA. It is not clear, how the foreign DNA might be recognized, possibly, lack of bound proteins on the foreign “naked” DNA and its subsequent “signature” (e.g. by specific methylation pattern) during packing of the foreign DNA into the chromatin structure might be involved. The highly abundant transcripts might be recruited to the RdRPs by the defects in the RNA processing, e.g. lack of polyadenylation. In the case when dsRNA is a direct trigger, there are two major RNA molecules involved in the process: Short interference RNA (siRNA) and micro RNA (miRNA), both encoded by the endogenous DNA. These two functionally similar molecules differ in their origin: siRNAs are dominantly product of the cleavage of the long dsRNA that are produced by the action of cellular or viral RdRPs. However, there are also endogenous genes, e.g. short hairpin RNAs (shRNAs) allowing production of the siRNA (see the figure). miRNAs are involved in the developmental-specific regulations and are product of transcription of endogenous genes encoding for small dsRNAs with specific structure (see the figure). In addition to siRNAs, there are trans-acting siRNAs (tasiRNAs) that are a special class of siRNAs that appear to function in development (much like miRNAs) but have a unique mode of origin involving components of both miRNA and siRNA pathways. Developmental regulations via miRNAs are more often used in animals then in plants. The dsRNAs of all origins and pre miRNAs are cleaved by DICER or DICER-like (DCL) enzyme complexes with RNAse activity, leading to production of siRNAs and miRNA, respectively. These small RNAs are of 21-24 bp long and bind either to RNA-induced transcriptional silencing complex (RITS) or RNA-induced silencing komplex (RISC). From MacRae, I.J., Zhou, K., Li, F., Repic, A., Brooks, A.N., Cande, W.., Adams, P.D., and Doudna, J.A. (2006) Structural basis for double-stranded RNA processing by Dicer. Science 311: 195 -198. Reprinted with permission from AAAS. Photo credit: Heidi Dicer and Dicer-like proteins In siRNA and miRNA biogenesis, DICER or DICER-like (DCL) proteins cleave long dsRNA or foldback (hairpin) RNA into ~ 21 – 25 nt fragments. Dicer’s structure allows it to measure the RNA it is cleaving. Like a cook who “dices” a carrot, DICER chops RNA into uniformly-sized pieces. Note the two strands of the RNA molecule. The cleavage sites are indicated by yellow arrows. Reprinted by permission from Macmillan Publishers Ltd: EMBO J. Bohmert, K., Camus, I., Bellini, C., Bouchez, D., Caboche, M., and Benning, C. (1998) AGO1 defines a novel locus of Arabidopsis controlling leaf development. EMBO J. 17: 170–180. Copyright 1998; Reprinted from Song, J.-J., Smith, S.K., Hannon, G.J., and Joshua-Tor, L. (2004) Crystal structure of Argonaute and its implications for RISC slicer activity. Science 305: 1434 – 1437. with permission of AAAS. Argonauta argo argonaut pelagický ago1 Argonaute proteins ARGONAUTE proteins bind small RNAs and their targets and it is an important part of both RITS and RISC complexes. ARGONAUTE proteins are named after the argonaute1 mutant of Arabidopsis; ago1 has thin radial leaves and was named for the octopus Argonauta which it resembles (see the figure). ARGONAUTE proteins were originally described as being important for plant development and for germline stem-cell division in Drosophila melanogaster. ARGONAUTE proteins are classified into three paralogous groups: Argonaute-like proteins, which are similar to Arabidopsis thaliana AGO1; Piwi-like proteins, which are closely related to D. melanogaster PIWI (P-element induced wimpy testis); and the recently identified Caenorhabditis elegans-specific group 3 Argonautes. Members of a new family of proteins that are involved in RNA silencing mediated by Argonaute-like and Piwi-like proteins are present in bacteria, archaea and eukaryotes, which implies that both groups of proteins have an ancient origin. The number of Argonaute genes that are present in different species varies. There are 8 Argonaute genes in humans (4 Argonaute-like and 4 Piwi-like), 5 in the D. melanogaster genome (2 Argonaute-like and 3 Piwi-like), 10 Argonaute-like in A. thaliana, only 1 Argonaute-like in Schizosaccharomyces pombe and at least 26 Argonaute genes in C. elegans (5 Argonaute-like, 3 Piwi-like and 18 group 3 Argonautes). http://youdpreferanargonaute.com/2009/06/ MIR gene RNA Pol AAAn AGO AAAn RNA Pol mRNA AGO AGO RNA Pol AGO AGO AAAn siRNA miRNA post-transcriptional gene silencing transcriptional gene silencing transcriptional slicing translational repression binding to DNA binding to specific transcripts MicroRNAs are encoded by MIR genes, fold into hairpin structures that are recognized and cleaved by DCL (Dicer-like) proteins. In summary, siRNAs-mediates silencing via post-transcriptional and transcriptional gene silencing, while miRNAs -mediate slicing of mRNA and translational repression. The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2006 Andrew Z. Fire Craig C. Mello USA USA Stanford University School of Medicine Stanford, CA, USA University of Massachusetts Medical School Worcester, MA, USA b. 1959 b. 1960 Andrew Z. Fire Craig C. Mello In 2006, Andrwe Z. Fire and Craig C. Mello were honored by the Nobel prize “for their discovery of RNA interference - gene silencing by double-stranded RNA“. Mechanizmus posttranskripčního umlčování genů pomocí RNA interference (iRNA) uidA dsRNA sense antisense RNAi approach using regulated expression system pOP_CKIi2 §Analýza fenotypu a potvrzení příčinné souvislosti mezi fenotypem a inzerční mutací §mechanismus účinku RNAi §Umlčování genů pomocí RNAi §využití nestabilních inzerčních mutagenů a izolace revertantních linií §kosegregační analýza §Metody identifikace sekvenčně specifických mutantů §příprava sbírky mutantů §vyhledávání sekvenčně specifických mutantů pomocí PCR §vyhledávání sekvenčně specifických mutantů v elektronických databázích §identifikace nezávislé inzerční alely Shrnutí Diskuse