Sammenligningen mellom Arabidopsis thaliana genomet og de kjente genomene fra cyanobakterier, gjær, bananflue og nematode, viser bl. a.

Transkript

1 Sammenligningen mellom Arabidopsis thaliana genomet og de kjente genomene fra cyanobakterier, gjær, bananflue og nematode, viser bl. a. Antall gener som er involvert i cellulær kommunikasjon og signaloverføring er en hel del høyere i multicellulære organismer. Planter har utviklet en rekke unike transkripsjonsfaktorer som ikke finnes i animalia / fungi. En rekke av Arabidopsis proteinene som er inkludert i kategoriene energi og metabolisme har høy homologi med bakterielle proteiner (cyanobakterium). Arabidopsis inneholder rundt typer genfamiler eller singletons, noe som er relativt likt det vi finner i Drosophila og C. elegans. Arabidopsis og planter generelt har utviklet unike signaltransduksjonsspor som en ikke finner i animalia og gjær. Arabidopsis har f. eks. ikke komponenter som inngår i de kjente signalsporene: reseptor tyrosin kinaser / ras pathway nukleære steroid hormon reseptorer! transkripsjon wingless / wnt Notch / lin12 JAK / STAT signal sporet To komponent histidin kinaser ikke ulik de vi finner i bakterier og gjær, men ikke i animalia, er ganske vanlige i Arabidopsis.

2 Arabidopsis genomet inneholder en rekke store duplikasjoner og gener som er duplisert i tandem. Dette betyr at de fleste genene har en eller flere paraloger. Omfanget av disse duplikasjonene er så store at enkelte har foreslått at forløperen til Arabidopsis thaliana var tetraploid og at den senere har blitt diploidisert. Nærmere studier av disse duplikasjonene viser at de skyldes fem (eller flere) store duplikasjoner som skjedde for ca. 50, 100, 140, 170 og 200 millioner år siden. Disse duplikasjonene korresponderer ganske bra med tidsepokene når f. eks monocots og dicots oppsto (ca millioner år siden) eller når splittelsen mellom rosids og asterids oppsto (ca. 90 millioner år siden).

3 Med bakgrunn i denne informasjonen kan en nå ha en viss oversikt over hva en kan forvente å finne i andre planter. Informasjonen i fra Arabidopsis genomet viser også hvor dynamisk plante genomene er. Store rearrangeringer av genomene (duplikasjoner og delesjoner) er vanlige og ekspansjon av genfamilier gjenom tandem duplikasjoner er vanlig. Figuren viser et nærbilde av områder fra kromosom I, II, III og IV som har gjennomgått gen duplikasjoner. I tillegg til de store uavhengige duplikasjonene så kan en også observere inversjoner, tandem duplikasjoner, delesjoner samt nye gener som har blitt satt inn ulike steder på kromosomet. Selv om det har vært store rearrangeringer i Arabidopsis genomet så virker det som det er orden i systemet.

4 Gener som inngår i DNA replikasjon og DNA reparasjon er forholdsvis nært lokalisert på kromosom. Tilfeldighet eller har plantegenomet fremdeles en operon lignende struktur / gener samlet i større regulon. Det er indikasjoner på at gener er lokalisert i funksjonelle kluster, DNA reparasjon, planteforsvar, metabolske spor osv. Gener en ikke finner i Arabidopsis men som eksisterer i gjær og animalia: Cdc42, regulator av cellepolaritet og signaltransduksjon Gγ subenhet heterotrimer G protein, signaltransduksjon Cdc25 fosfotyrosin fosfatase, celledelings-regulator Bcl2, apoptose regulator Gener en finner i Arabidopsis og som har homologi med humane sykdomsgener. Xeroderma pigmentosum: DNA reparasjonsprotein Ataxia telangiectasia (ATM): ATM protein Menkes syndrom: ATP-avhengig kobber transporter Cystisk fibrose: ABC transporter lignende protein Blooms syndrom: DNA helikase Myotonisk dystrofi; protein kinase

5 Den komplette sekvensen fra Arabidopsis åpner også for andre typer studier, bl. a. plante-mikroorganisme interaksjoner. Ved plante-patogen interaksjoner gjenkjenner ofte planten patogenet ved at det utrykker et protein (avr), som blir detektert av spesifikke celle membran reseptorer, kodet i fra gen R i planten. Hvis patogen gjenkjennes utløser dette en respons i plantecellen som blir kalt hypersensitivitetsresponsen (HR), noe som induserer lokal celledød i det infiserte området og begrenser derved patogen angrepet. Tilsvarende interaksjoner, patogene eller symbiotiske, kan studeres på gen nivå med en rekke teknikker som RT-PCR, cdna-aflp ( cdna amplified fragment length polymorphisms ) og DNA mikoarray ekspresjonsanalyser. Ekspresjon av gener fra både plante og patogen kan analyseres ved disse metodene.

6 Hva nå? Big ideas from a small plant I de neste 1-3 årene: Man vil prøve å generere knockout mutanter av de fleste genene i Arabidopsis. Disse metodene er basert på at T- DNA ev. et transposon setter seg inn i et gen og slår ut funksjonen. Gener som ikke lar seg slå ut ved standard T-DNA eller transposon knockout vil bli forsøkt nedregulert ved hjelp av RNA interferens (RNAi). Stor skala analyser av genekspresjon ved hjelp av DNA mikroarrays er allerede i gang og vil være et nyttig verktøy for å få oversikt over hvilke gener som er uttrykt i de enkelte vev, indusert og ikke indusert. Produksjon av antistoffer mot de fleste proteinene. Produsere epitop merkede protein fra storparten av proteinene. Dette vil kunne gi nyttig informasjon om den cellulære lokaliseringen av de ulike proteinene. I de neste 3-10 årene. Lage komplette samlinger av cdna bibliotek. Utvikle metoder for sete rettet mutagenese. Stor skala analyser av posttranslasjonell modifisering av proteiner.

7 Bestemme tre dimensjonale strukturer av alle grupper av proteiner. Med økende antall kjente protein strukturer er det mulig at de fleste 3D strukturer kan modelleres med stor grad av nøyaktighet allerede om 3-5 år. Bestemme biologisk funksjon for alle proteiner. Karakterisere cis regulatoriske sekvenser i alle gener. Dvs. stor skala promoter analyser. Utvikle bioinformatikk verktøy, visualisering og modelleringsmetoder som integrerer all biologisk informasjon i fra Arabidopsis. The virtual plant.