जीनोम-वाइड पहचान और अभिव्यक्ति मेटा-विश्लेषण के लिए व्यापक कार्यप्रवाह ATL E3 के Ubiquitin Ligase जीन परिवार में चर्चा
Summary
इस लेख की पहचान और चर्चा में एक जीन परिवार के लक्षण वर्णन के लिए प्रक्रिया को Levadura में Arabidopsis Tóxicos (ATL) E3 ubiquitin ligases के परिवार के लिए लागू की व्याख्या करता है ।
Abstract
वर्गीकरण और एक परिवार में जीन का नामकरण काफी इनकोडिंग प्रोटीन की विविधता के वर्णन में योगदान कर सकते है और कई सुविधाओं के आधार पर परिवार के कार्यों की भविष्यवाणी के लिए, जैसे अनुक्रम रूपांकनों की उपस्थिति या विशेष रूप से पोस्ट-शोधों के संशोधन के लिए साइटें और विभिन्न स्थितियों में परिवार के सदस्यों की अभिव्यक्ति प्रोफ़ाइल. यह काम जीन परिवार लक्षण वर्णन के लिए एक विस्तृत प्रोटोकॉल का वर्णन । यहां, प्रक्रिया में Levadura (ATL) E3 ubiquitin ligase परिवार में चर्चा में Arabidopsis Tóxicos के लक्षण वर्णन करने के लिए लागू किया जाता है । तरीकों परिवार के सदस्यों की जीनोम चौड़ा पहचान, जीन स्थानीयकरण, संरचना, और दोहराव के विश्लेषण में शामिल हैं, संरक्षित प्रोटीन रूपांकनों की भविष्यवाणी, प्रोटीन स्थानीयकरण और फास्फारिलीकरण साइटों के पूर्वानुमान के रूप में अच्छी तरह के रूप में जीन अभिव्यक्ति विभिंन डेटासेट में परिवार के पार की रूपरेखा । इस तरह की प्रक्रिया है, जो प्रयोगात्मक प्रयोजनों के आधार पर आगे विश्लेषण करने के लिए बढ़ाया जा सकता है, किसी भी संयंत्र प्रजातियों के लिए जो जीनोमिक डेटा उपलब्ध है में किसी भी जीन परिवार के लिए लागू किया जा सकता है, और यह बहुमूल्य जानकारी प्रदान करता है दिलचस्प उंमीदवारों की पहचान कार्यात्मक अध्ययन के लिए, अपने पर्यावरण के लिए संयंत्र अनुकूलन के आणविक तंत्र में अंतर्दृष्टि दे ।
Introduction
पिछले दशक के दौरान, बहुत अनुसंधान दाखलता जीनोमिक्स में किया गया है । दाखलता एक मांयता प्राप्त आर्थिक रूप से प्रासंगिक फसल है, जो फल विकास पर अनुसंधान के लिए और वुडी पौधों की प्रतिक्रियाओं पर बायोटिक और अजैव तनाव के लिए एक मॉडल बन गया है । इस संदर्भ में, के रिलीज के विटिस द्राक्षा cv. PN40024 जीनोम में २००७1 और २०११2 में अपने अद्यतन संस्करण “ओमिक्स” पैमाने पर डेटा के एक तेजी से जमा करने के लिए और उच्च प्रवाह अध्ययन के एक फट करने के लिए नेतृत्व किया । प्रकाशित अनुक्रम डेटा के आधार पर, एक दिया जीन परिवार के व्यापक विश्लेषण (आम तौर पर संरक्षित रूपांकनों, संरचनात्मक और/कार्यात्मक समानताएं और विकासवादी रिश्तों को साझा प्रोटीन से बना), अब अपने को उजागर किया जा सकता है आणविक कार्य, विकास, और जीन अभिव्यक्ति प्रोफाइल । ये विश्लेषण समझ कैसे जीन परिवारों को एक जीनोम व्यापक स्तर पर शारीरिक प्रक्रियाओं को नियंत्रित करने में योगदान कर सकते हैं ।
संयंत्र जीवन चक्र के कई पहलुओं को नियमित रूप से सेलुलर प्रक्रियाओं को सुनिश्चित करने के लिए एक ठीक-देखते कारोबार की आवश्यकता है, जो प्रमुख प्रोटीन की ubiquitin-मध्यस्थता क्षरण द्वारा विनियमित रहे हैं । ubiquitin-मध्यस्थता क्षरण की प्रक्रिया के महत्वपूर्ण घटक हैं E3 ubiquitin ligases, जो सिस्टम लचीलेपन के लिए जिम्मेदार हैं, विशिष्ट लक्ष्यों की भर्ती के लिए धन्यवाद3. तदनुसार, इन एंजाइमों एक विशाल जीन परिवार का प्रतिनिधित्व करते हैं, के साथ लगभग १,४०० E3 ligase-एंकोडिंग जीन Arabidopsis थालियाना जीनोम4में भविष्यवाणी की है, प्रत्येक E3 ubiquitin ligase विशिष्ट लक्ष्य प्रोटीन के ubiquitination के लिए अभिनय । पौधों में सेलुलर विनियमन में सब्सट्रेट विशिष्ट ubiquitination के महत्व के बावजूद, थोड़ा कैसे ubiquitination मार्ग विनियमित है और लक्ष्य प्रोटीन केवल कुछ मामलों में पहचान की गई है के बारे में जाना जाता है । ऐसी विशिष्टता और विनियमन तंत्र के गूढ़ पहचान और प्रणाली के विभिंन घटकों के लक्षण वर्णन पर पहले निर्भर करता है, विशेष रूप से E3 ligases । ubiquitin ligases में, ATL उपपरिवार ९१ एक अंगूठी-H2 फिंगर डोमेन5,6, उनमें से कुछ की रक्षा और हार्मोन प्रतिक्रियाओं7में एक भूमिका निभा रहा है प्रदर्शित थालियाना में पहचाना सदस्यों द्वारा विशेषता है ।
पहला महत्वपूर्ण कदम एक नया जीन परिवार के सदस्यों को परिभाषित करने के लिए इस तरह आम सहमति रूपांकनों, कुंजी डोमेन, और प्रोटीन अनुक्रम विशेषताओं के रूप में परिवार की सुविधाओं की सटीक परिभाषा है । दरअसल, सभी जीन परिवार के सदस्यों की विश्वसनीय पुनः प्राप्ति विस्फोट विश्लेषण के आधार पर कुछ अनिवार्य अनुक्रम विशेषताओं की आवश्यकता है, विशेष रूप से प्रोटीन डोमेन में प्रोटीन समारोह के लिए जिंमेदार/ यह अंय प्रजातियों के पौधे में एक ही जीन परिवार के पिछले लक्षण वर्णन की सुविधा हो सकता है या अलग अलग प्रजातियों के पौधे में एक ही परिवार से संबंधित putatively का विश्लेषण करके हासिल की, आम दृश्यों को अलग । परिवार के सदस्यों को तो व्यक्तिगत रूप से एक दिया संयंत्र प्रजातियों के लिए अंतरराष्ट्रीय consortia द्वारा बसे आम नियमों के बाद नामित किया जा सकता है । चर्चा में, उदाहरण के लिए, इस तरह की प्रक्रिया को सुपर नामकरण अंगूर जीन एनोटेशन (sNCGGa) के लिए समिति की सिफारिशों के अधीन है, वी. द्राक्षा और थालियाना सहित एक वंशावली पेड़ के निर्माण की स्थापना जीन परिवार के सदस्यों न्यूक्लियोटाइड अनुक्रम8के आधार पर जीन एनोटेशन की अनुमति देने के लिए ।
परिवार के सदस्यों और जीन दोहराव सर्वेक्षण के गुणसूत्र स्थानीयकरण पूरे जीनोम की उपस्थिति पर प्रकाश डाला या मिलकर दोहराया जीन की अनुमति देते हैं । इस तरह की जानकारी ख्यात जीन कार्यों को खंडित करने के लिए उपयोगी प्रतीत होता है, क्योंकि यह कार्यात्मक अतिरेक दिखाने या विभिंन स्थितियों, अर्थात्, गैर functionalization, नव functionalization, या उप functionalization9प्रकट हो सकता है । दोनों नव और उप functionalization महत्वपूर्ण घटनाओं है कि आनुवंशिक नवीनता बनाने के लिए, संयंत्र अनुकूलन के लिए नई सेलुलर घटकों को उपलब्ध कराने के वातावरण10बदल रहे हैं । विशेष रूप से, पैतृक जीन और नए जीन के उत्पादन के दोहराव चर्चा जीनोम के विकास के दौरान बहुत लगातार थे और नए गठन और चर्चा में समीपस्थ और मिलकर दोहराव से उत्पंन जीन थे और नए उत्पादन की संभावना ११कामे.
जीन परिवार समारोह गूढ़ रहस्य में एक अंय महत्वपूर्ण कारक transcriptomic प्रोफ़ाइल है । सार्वजनिक डेटाबेस की उपलब्धता transcriptomic डेटा की एक बड़ी राशि के लिए उपयोग दे इस प्रकार जीन परिवार के सदस्यों को ख्यात कार्य आवंटित करने के लिए बड़े पैमाने का उपयोग कर silico अभिव्यक्ति विश्लेषण में शोषण किया जा सकता है । वास्तव में, विशिष्ट संयंत्र अंगों में कुछ जीन की अजीब अभिव्यक्ति या कुछ तनावों के जवाब में कुछ संकेत दे सकते है परिभाषित शर्तों में इसी प्रोटीन की ख्यात भूमिकाओं के बारे में, और सहायता के बारे में परिकल्पनाओं को दे संभव विभिन्न चुनौतियों का जवाब देने के लिए डुप्लिकेट जीन के उप-functionalization । इस प्रयोजन के लिए, यह कई डेटासेट पर विचार करने के लिए महत्वपूर्ण है: ये पहले से ही उपलब्ध जीन अभिव्यक्ति मैट्रिक्स, चर्चा अंगों और विकासात्मक चरणों के जीनोम-वाइड transcriptomic एटलस के रूप में कर सकते हैं12, या द्वारा तदर्थ बनाया जा सकता है विशेष संयंत्र प्रजातियों के लिए transcriptomic डेटासेट प्राप्त करने के लिए निर्धारित तनाव के अधीन । इसके अलावा, दो मैट्रिक्स का उपयोग कर एक सरल दृष्टिकोण, pairwise समानता डेटा के साथ एक और pairwise सह अभिव्यक्ति गुणांक के साथ एक अन्य एक जीन परिवार के भीतर अनुक्रम समानता और अभिव्यक्ति पैटर्न के बीच संबंधों का मूल्यांकन करने के लिए लागू किया जा सकता.
इस काम का उद्देश्य एक वैश्विक दृष्टिकोण प्रदान करने के लिए है, जीन संरचना, संरक्षित प्रोटीन रूपांकनों, गुणसूत्र स्थान, जीन दोहराव, और अभिव्यक्ति पैटर्न, के रूप में अच्छी तरह से प्रोटीन स्थानीयकरण और फास्फारिलीकरण साइटों की भविष्यवाणी को परिभाषित करने, एक प्राप्त करने के लिए पौधों में एक जीन परिवार के संपूर्ण लक्षण वर्णन । इस तरह के एक व्यापक दृष्टिकोण ATL E3 चर्चा में ubiquitin ligase परिवार के लक्षण वर्णन के लिए यहां लागू किया जाता है । कुंजी सेलुलर प्रक्रियाओं को विनियमित करने में ATL उपपरिवार के सदस्यों की उभरती भूमिका के अनुसार7, यह काम अच्छी तरह कार्यात्मक अध्ययन के लिए मजबूत उंमीदवारों की पहचान की सहायता कर सकते हैं, और अंततः आणविक शासी तंत्र को सुलझाना इस महत्वपूर्ण फसल के अपने पर्यावरण के लिए अनुकूलन ।
Protocol
Representative Results
Discussion
जीनोमिक युग में अनेक जीन परिवारों में कई प्रजातियों के पौधे का गहराई से वर्णन किया गया है । यह जानकारी कार्यात्मक अध्ययन करने के लिए प्रारंभिक और एक परिवार में विभिन्न सदस्यों की भूमिका आगे की जांच कर?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
काम संयुक्त परियोजना २०१४ के फ्रेम के भीतर वेरोना विश्वविद्यालय द्वारा समर्थित किया गया था (चर्चा में ATL जीन परिवार के लक्षण वर्णन और Plasmopara viticolaके लिए प्रतिरोध में अपनी भागीदारी के) ।
Materials
| Personal computer | |||
| Basic Local Alignment Search Tool (BLAST) | https://blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi | ||
| Molecular Evolutionary Genetics Analysis (MEGA) | http://www.megasoftware.net/ | ||
| Motif-based sequence analysis tools (MEME) | http://meme-suite.org/ | ||
| Geneious | Biomatters Limited | http://www.geneious.com/ | |
| ProtParam Tool | http://web.expasy.org/protparam/ | ||
| ngLOC | http://genome.unmc.edu/ngLOC/index.html | ||
| TargetP v1.1 Server | http://www.cbs.dtu.dk/services/TargetP/ | ||
| Protein Prowler | http://bioinf.scmb.uq.edu.au:8080/pprowler_webapp_1-2/ | ||
| MUsite | http://musite.sourceforge.net/ | ||
| Pfam | http://pfam.xfam.org/ | ||
| TMHMM Server v. 2.0 | http://www.cbs.dtu.dk/services/TMHMM/ | ||
| ProtScale | http://web.expasy.org/protscale/ | ||
| Grape Genome Database (CRIBI) | http://genomes.cribi.unipd.it/grape/ | ||
| PhenoGram | http://visualization.ritchielab.psu.edu/phenograms/plot | ||
| MCScanX | http://chibba.pgml.uga.edu/mcscan2/ | ||
| Interactive Tree Of Life (iTOL) | http://itol.embl.de/ | ||
| UniProt | http://www.uniprot.org/ | ||
| Phylogeny.fr | http://www.phylogeny.fr/index.cgi | ||
| MUSCLE | http://www.ebi.ac.uk/Tools/msa/muscle/ | ||
| Gblocks Server | http://molevol.cmima.csic.es/castresana/Gblocks_server.html | ||
| Vitis vinifera cv. Corvina gene expression Atlas datamatrix | https://www.researchgate.net/publication/273383414_54sample_datamatrix_geneIDs_Fasoli2012 | ||
| Multi Experiment Viewer (MeV) | http://mev.tm4.org/#/welcome | ||
| Sequence Read Archive (SRA) | https://www.ncbi.nlm.nih.gov/sra | ||
| R | https://www.r-project.org/ | ||
| EMBOSS Needle (EMBL-EBI) | http://www.ebi.ac.uk/Tools/psa/emboss_needle/ |
References
- Jaillon, O., et al. The grapevine genome sequence suggests ancestral hexaploidization in major angiosperm phyla. Nature. 449 (7161), 463-467 (2007).
- Adam-Blondon, A. -. F., et al. . Genetics, Genomics, and Breeding of Grapes. , 211-234 (2011).
- Chen, L., Hellmann, H. Plant E3 Ligases: Flexible Enzymes in a Sessile World. Mol. Plant. 6 (5), 1388-1404 (2013).
- Vierstra, R. D. The ubiquitin-26S proteasome system at the nexus of plant biology. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 10 (6), 385-397 (2009).
- Serrano, M., Parra, S., Alcaraz, L. D., Guzmán, P. The ATL Gene Family from Arabidopsis thaliana and Oryza sativa Comprises a Large Number of Putative Ubiquitin Ligases of the RING-H2 Type. J. Mol. Evol. 62 (4), 434-445 (2006).
- Aguilar-Hernández, V., Aguilar-Henonin, L., Guzmán, P. Diversity in the Architecture of ATLs, a Family of Plant Ubiquitin-Ligases, Leads to Recognition and Targeting of Substrates in Different Cellular Environments. PLoS One. 6 (8), e23934 (2011).
- Guzmán, P. The prolific ATL family of RING-H2 ubiquitin ligases. Plant Signal Behav. 7 (8), 1014-1021 (2012).
- Grimplet, J., et al. The grapevine gene nomenclature system. BMC Genomics. 15, 1077 (2014).
- Prince, V. E., Pickett, F. B. Splitting pairs: the diverging fates of duplicated genes. Nat. Rev. Genet. 3 (11), 827-837 (2002).
- Magadum, S., Nerjee, U., Murugan, P., Gangapur, D., Ravikesavan, R. Gene duplication as a major force in evolution. J. Gen. 92 (1), 155-161 (2013).
- Wang, N. Patterns of Gene Duplication and Their Contribution to Expansion of Gene Families in Grapevine. Plant Mol. Biol. Rep. 31 (4), 852-861 (2013).
- Fasoli, M. The Grapevine Expression Atlas Reveals a Deep Transcriptome Shift Driving the Entire Plant into a Maturation Program. Plant Cell. 24 (9), 3489-3505 (2012).
- . BLAST2.6.0 Available from: https://blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi (2016)
- . Vitis vinifera cv. Corvina gene expression Atlas Available from: https://www.researchgate.net/publication/273383414_54sample_datamatrix_geneIDs_Fasoli2012 (2015)
- . Sequence Read Archive (SRA) Available from: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/sra (2017)
- Bolger, A. M., Lohse, M., Usadel, B. Trimmomatic: a flexible trimmer for Illumina sequence data. Bioinformatics. 30 (15), 2114-2120 (2014).
- Langmead, B., Salzberg, S. L. Fast gapped-read alignment with Bowtie 2. Nat Meth. 9 (4), 357-359 (2012).
- Anders, S., Pyl, P. T., Huber, W. HTSeq-a Python framework to work with high-throughput sequencing data. Bioinformatics. 31 (2), 166-169 (2015).
- . Version 3.4.1 Available from: https://www.r-project.org/ (2017)
- Ritchie, M. E. limma powers differential expression analyses for RNA-sequencing and microarray studies. Nucleic Acids Res. 43 (7), e47 (2015).
- Love, M. I., Huber, W., Anders, S. Moderated estimation of fold change and dispersion for RNA-seq data with DESeq2. Genome Biology. 15 (12), 550 (2014).
- Ariani, P. Genome-wide characterisation and expression profile of the grapevine ATL ubiquitin ligase family reveal biotic and abiotic stress-responsive and development-related members. Sci. Rep. 6, 38260 (2016).
- Vitulo, N., et al. A deep survey of alternative splicing in grape reveals changes in the splicing machinery related to tissue, stress condition and genotype. BMC Plant Biol. 14 (1), 99 (2014).
- Overbeek, R., Fonstein, M., D’Souza, M., Pusch, G. D., Maltsev, N. The use of gene clusters to infer functional coupling. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 96 (6), 2896-2901 (1999).
- Dalquen, D. A., Dessimoz, C. Bidirectional Best Hits Miss Many Orthologs in Duplication-Rich Clades such as Plants and Animals. Genome Biol. Evol. 5 (10), 1800-1806 (2013).
- Remm, M., Storm, C. E. V., Sonnhammer, E. L. L. Automatic clustering of orthologs and in-paralogs from pairwise species comparisons1. J. Mol. Biol. 314 (5), 1041-1052 (2001).
- Kaduk, M., Sonnhammer, E. Improved orthology inference with Hieranoid 2. Bioinformatics. 33 (8), (2017).
- Cramer, G. R., et al. Transcriptomic analysis of the late stages of grapevine (Vitis vinifera cv. Cabernet Sauvignon) berry ripening reveals significant induction of ethylene signaling and flavor pathways in the skin. BMC Plant Biol. 14, 370 (2014).
- Juretic, N., Hoen, D. R., Huynh, M. L., Harrison, P. M., Bureau, T. E. The evolutionary fate of MULE-mediated duplications of host gene fragments in rice. Genome Res. 15 (9), 1292-1297 (2005).
- Filichkin, S. A. Genome-wide mapping of alternative splicing in Arabidopsis thaliana. Genome Res. 20 (1), 45-58 (2010).
- Quesada, V., Macknight, R., Dean, C., Simpson, G. G. Autoregulation of FCA pre-mRNA processing controls Arabidopsis flowering time. EMBO J. 22 (12), 3142-3152 (2003).
- Wong, D. C. J., Gutierrez, R. L., Gambetta, G. A., Castellarin, S. D. Genome-wide analysis of cis-regulatory element structure and discovery of motif-driven gene co-expression networks in grapevine. DNA Res. 24 (3), 311-326 (2017).
- Wong, D. C. J., Matus, J. T. Constructing Integrated Networks for Identifying New Secondary Metabolic Pathway Regulators in Grapevine: Recent Applications and Future Opportunities. Front. Plant Sci. 8, 505 (2017).
