سير عمل شامل للتعرف على نطاق الجينوم والتحليل التلوي التعبير الأسرة الجينات ATL E3 Ubiquitin ليجاسى في الكرمة
Summary
توضح هذه المقالة الإجراء لتحديد وتوصيف لأسرة جين في الكرمة ينطبق على الأسرة من نبات Tóxicos في ليفدورا (ATL) E3 أوبيكويتين ليجاسيس.
Abstract
التصنيف والتسميات للجينات في أسرة يمكن أن تسهم إلى حد كبير لوصف تنوع البروتينات المشفرة والتنبؤ بوظائف الأسرة استناداً إلى العديد من الميزات، مثل وجود زخارف تسلسل أو خاصة مواقع لتعديل بوستترانسلاشونال والشخصية التعبير لأفراد الأسرة في ظروف مختلفة. ويصف هذا العمل بروتوكول مفصل لتوصيف الأسرة الجينات. هنا، يتم تطبيق الإجراء إلى توصيف الأسرة ليجاسى ubiquitin E3 نبات Tóxicos في ليفادورا (ATL) في العنب. وتشمل الأساليب التعرف على نطاق الجينوم لأفراد الأسرة، وصف الترجمة الجينات، والهيكل، والازدواجية، تحليل البروتين المصانة زخارف، والتنبؤ بمواقع التعريب والفسفره البروتين، وكذلك التنميط الجيني التعبير عبر الأسرة في مجموعات مختلفة من البيانات. يمكن تطبيق مثل هذا الإجراء، الذي يمكن أن يمتد إلى تحليلات أخرى تبعاً للأغراض التجريبية، لأية أسرة جين في أي نوع من النباتات التي تتوفر عنها بيانات الجينوم، ويوفر معلومات قيمة لتحديد المرشحين للاهتمام للدراسات الفنية، إعطاء رؤى الآليات الجزيئية للنبات التكيف مع بيئتهم.
Introduction
وخلال العقد الماضي، نفذت الكثير من البحوث في علم الجينوم الكرمة. هو الكرمة محصولاً اقتصاديا ذات صلة المعترف بها، التي أصبحت نموذجا للبحوث في التنمية الفاكهة والردود الواردة من النباتات الخشبية الإجهادات الحيوية واللاحيويه. في هذا السياق، أدى الإفراج عن الجينوم عام PN40024 كرمه العنب الأوروبي في 20071 ونسخته المحدثة في 20112 تراكم سريع للبيانات “اوميكس” النطاق واندفاع للدراسات الفائق. استناداً إلى البيانات المنشورة التسلسل، إجراء تحليل شامل لأسرة جين معين (تتألف عموما من البروتينات تقاسم زخارف المصانة والتشابه الهيكلي و/أو الفنية والعلاقات التطورية)، يمكن الآن إجراء للكشف عن ما وظائف الجزيئي وتطور التشكيلات الجانبية للتعبير الجيني. هذه التحليلات يمكن أن تسهم في فهم كيفية التحكم الجيني الأسر العمليات الفسيولوجية على مستوى المنظومة الجينوم.
وينظم العديد من جوانب دورة حياة النبات ubiquitin بوساطة تحلل البروتينات الرئيسية، التي تتطلب دوران ضبطها بدقة لضمان العمليات الخلوية العادية. هام من مكونات عملية تدهور ubiquitin بوساطة E3 ubiquitin ligases، التي هي المسؤولة عن مرونة النظام، بفضل تعيين أهداف محددة3. وبناء على ذلك، تمثل هذه الإنزيمات عائلة جينات ضخمة، مع حوالي 1,400 E3 ليجاسى-ترميز الجينات وتوقع في التمويل نبات الجينوم4، كل ليجاسى ubiquitin E3 أوبيكويتيناتيون البروتينات المستهدفة المحددة. وعلى الرغم من أهمية الركيزة الخاصة أوبيكويتيناتيون في التنظيم الخلوي في النباتات، يعرف الكثير عن كيف ينظم في مسار أوبيكويتيناتيون وتم تحديد البروتينات المستهدفة إلا في حالات قليلة. فك رموز هذه الآليات الخصوصية والتنظيم يعتمد أولاً على تحديد وتوصيف للمكونات المختلفة للنظام، وبخاصة E3 ligases. بين ليجاسيس أوبيكويتين، تتميز بأعضاء 91 حددت في التمويل (أ) عرض H2 خاتم إصبع مجال5،6، بعض من لهم دور في الدفاع وهرمون الردود7الفصيلية ATL.
الخطوة الحاسمة الأولى لتعريف أعضاء عائلة الجينات الجديدة هو التعريف الدقيق لميزات الأسرة، مثل زخارف توافق الآراء والمجالات الرئيسية وخصائص تسلسل البروتين. في الواقع، يتطلب استرداد موثوق بها الجين جميع أفراد الأسرة على أساس تحليل انفجار بعض خصائص تسلسل إلزامية، في مجالات خاصة البروتين المسؤول عن البروتين الدالة/النشاط، بمثابة التوقيع البروتين. هذا يمكن سهلت بتوصيف السابقة من نفس عائلة الجينات في الأنواع النباتية الأخرى أو يتحقق من خلال تحليل جينات مختلفة مزعومة الذين ينتمون إلى نفس الأسرة في الأنواع النباتية المختلفة، عزل تسلسلات مشتركة. أفراد الأسرة يمكن ثم فردياً تسمية اتباع القواعد المشتركة استقر اتحادات دولية لأنواع النباتية معين. في الكرمة، على سبيل المثال، مثل هذا الإجراء يخضع لتوصيات “اللجنة التسميات” فائقة “العنب الجينات الشرح” (سنكجا)، إنشاء بناء شجرة النشوء والتطور بما في ذلك ضد العنب الأوروبي و ألف-التمويل جين أفراد الأسرة السماح بالشرح الجينات استناداً إلى تسلسل النوكليوتيدات8.
تعريب كروموسوم من أفراد الأسرة، واستقصاء الازدواجية الجينات السماح لتسليط الضوء على وجود كل الجينوم أو متعاضدا الجينات المكررة. تظهر هذه المعلومات مفيدة لكشف وظائف الجينات المفترضة، نظراً لأنه قد تبين التكرار الوظيفي أو تكشف عن حالات مختلفة، أي، غير الروغان، الروغان الأجسام القريبة من الأرض، أو الروغان الفرعية9. كلا الجدد-وشبه-فونكتيوناليزيشن هي الأحداث الهامة التي تخلق الجدة الوراثية، توفير المكونات الخلوية الجديدة لمصنع التكيف مع تغير البيئات10. على وجه الخصوص، كانت ازدواجية جينات الأجداد وإنتاج جينات جديدة متكررة جداً أثناء تطور الجينوم الكرمة وشكلت حديثا الجينات التي تنشأ من الازدواجية الدانية ومتعاضدا في الكرمة كانوا أكثر عرضه لإنتاج جديد وظائف11.
هو عامل رئيسي آخر في فك رموز الجينات وظيفة الأسرة الشخصية ترانسكريبتوميك. يمكن استغلال توافر قواعد البيانات العامة مما يتيح الوصول إلى كمية هائلة من البيانات ترانسكريبتوميك وبالتالي لتعيين المهام المفترضة لأفراد الأسرة الجينات تستخدم على نطاق واسع في السيليكون تعبير تحاليل. في الواقع، يمكن إعطاء بعض التلميحات بشأن الأدوار المفترضة من البروتينات المقابلة في ظروف محددة تنفرد بها التعبير عن بعض الجينات في أجهزة مصنع معين أو استجابة لبعض الضغوط، وتقديم الدعم إلى فرضيات ممكنة الفرعية الروغان جينات المكررة على الاستجابة لتحديات مختلفة. ولهذا الغرض، من المهم النظر في عدة مجموعات البيانات: هذه يمكن أن تكون الجينات المتاحة بالفعل مصفوفات التعبير، مثل أطلس ترانسكريبتوميك الجينوم على نطاق المنظومة لأجهزة الكرمة و12من مراحل النمو، أو يمكن أن يبني المخصص قبل استرداد مجموعات البيانات ترانسكريبتوميك للأنواع النباتية خاصة تعرض لتشدد على المعرفة. وعلاوة على ذلك، نهج بسيط باستخدام المصفوفات اثنين، واحد مع بيانات عشوائية من التشابه والآخر مع معاملات التعبير المشارك العشوائية يمكن تطبيقها لتقييم العلاقات بين أنماط التشابه وتعبير تسلسل داخل أسرة جين.
ويهدف هذا العمل تقديم نهج عالمي، تعريف بنية الجينات وزخارف البروتين المصانة وموقع كروموسومية، الازدواجية الجينات وأنماط التعبير، بوصفها أيضا التنبؤ بمواقع التعريب والفسفره البروتين، لتحقيق توصيف حصرية لعائلة الجينات في النباتات. يتم تطبيق هذا نهج شامل هنا لتوصيف الأسرة ليجاسى ubiquitin ATL E3 في الكرمة. وفقا للدور الناشئ لأعضاء فصيلة ATL في تنظيم العمليات الخلوية الأساسية7، هذا العمل يمكن أن تساعد أيضا تحديد مرشحين أقوياء للدراسات الفنية، وفي نهاية المطاف كشف الآليات الجزيئية التي تنظم وتكييف هذا المحصول الهام لبيئتها.
Protocol
Representative Results
Discussion
في عصر الجينوم، اتسمت العديد من الجينات الأسر عميقا في العديد من الأنواع النباتية. هذا المعلومات التمهيدية للدراسات الفنية وتوفير إطار لمواصلة التحقيق في دور مختلف أعضاء في أسرة. وفي هذا السياق، هناك أيضا حاجة إلى نظام التسمية السماح لكل عضو في أسرة، تجنب التكرار وارباكات قد تنشأ عندما ي?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وأيد الأعمال جامعة فيرونا في إطار المشروع المشترك 2014 (وصف للأسرة الجينات ATL في العنب ومشاركتها في المقاومة إلى Plasmopara viticola).
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).
