Всеобъемлющий рабочий процесс для идентификации генома и выражение мета анализа семьи ATL E3 убиквитин лигаза гена в Грейпвайне
Summary
Эта статья описывает процедуру идентификации и характеристика гена семьи в виноградной лозы, применяется к семье ligases убиквитин E3 Arabidopsis Tóxicos в Levadura (библиотека ATL).
Abstract
Классификация и номенклатура генов в семье может значительно способствовать к описанию разнообразия закодированные белков и предсказание семейных функций на основе нескольких функций, таких как присутствие последовательности мотивы или особое сайты для столб-поступательные изменения и выражение профиль членов семьи в различных условиях. Эта работа описывает подробный протокол для семьи характеристика генов. Здесь эта процедура применяется к характеристике Arabidopsis Tóxicos в Levadura (ATL) E3 убиквитин лигаза семьи в виноградной лозы. Методы включают генома идентификации членов семьи, характеристика гена локализации, структуры и дублирования, анализа сохраненных белков мотивы, предсказание сайтов локализации и фосфорилирование белков, а также ген выражение профилирование по всей семьи в разных наборов данных. Такая процедура, которая может быть расширен для дальнейшего анализа в зависимости от экспериментальных целей, могут применяться к любой семье гена в любых видов растений, для которого имеются геномных данных, и предоставляет ценную информацию для выявления интересных кандидатов для функциональных исследований давая понимание молекулярных механизмов адаптации растений к их окружающей среде.
Introduction
В течение последнего десятилетия много исследований было проведено в Грейпвайн геномики. Грейпвайн – является признанным экономически значимых культур, который стал моделью для исследований на развитие плода и на реакции древесных растений к биотическим и абиотическим стрессовым. В этом контексте освобождение геном Vitis vinifera cv. PN40024 в 2007 году1 и его обновленную версию в 20112 привели к быстрому накоплению «омику»-масштаба данных и всплеск высок объём исследований. На основе опубликованных последовательности данных, всесторонний анализ данного гена семьи (обычно состоит из белков, обмена сохраняется мотивы, структурные или функциональные сходства и эволюционных отношений), теперь могут быть выполнены раскрыть его молекулярные функции, эволюция и профили выражения гена. Эти анализы могут способствовать пониманию как ген семей контролировать физиологические процессы в масштабах всего генома.
Многие аспекты жизненного цикла растений регулируются убиквитин опосредованного деградации ключевых белков, которые требуют оборачиваемостью доработаны для обеспечения регулярного клеточных процессов. Важные компоненты процесса деградации убиквитин опосредованного ligases убиквитин E3, которые отвечают за гибкость системы, благодаря набору конкретные цели3. Соответственно эти ферменты представляют собой семейство огромный гена, с около 1400 E3 лигаза кодирование генов предсказал в проростках Arabidopsis thaliana генома4, каждая E3 убиквитин лигаза, действуя для ubiquitination конкретных целевых белков. Несмотря на важность конкретного субстрата ubiquitination в клеточной регуляции в растениях мало что известно о как регулируется ubiquitination путь и белков-мишеней были выявлены только в нескольких случаях. Расшифровка такой специфики и регулирование механизмов зависит сначала идентификации и характеризации различных компонентов системы, в частности E3 ligases. Среди ligases убиквитин ATL подсемейство характеризуется 91 членов, определенных в A. thaliana показано кольцо-H2 палец домена5,6, некоторые из них играет свою роль в обороне и гормон ответы7.
Первым важным шагом для определения членов нового гена семьи является точное определение семейных функций, таких как консенсус мотивы, ключевые домены и характеристики последовательности белка. Действительно надежный поиск всех членов семьи гена, на основе анализа взрыва требует некоторые обязательные последовательности характеристики, в частности белка доменах ответственным за белка функция/деятельность, выступающей в качестве подписи белка. Это может быть облегчено предыдущих характеристика той же семьи гена в других видов растений или достигнуто путем анализа различных генов, предположительно принадлежащих к той же семье в различных видов растений, чтобы изолировать общих последовательностей. Члены семьи могут затем быть индивидуально названы следующие общие правила, заселен международных консорциумов для данного растения. В виноградной лозе к примеру, такая процедура подвергается рекомендации Комитета супер-номенклатура для винограда гена аннотации (sNCGGa), создание строительство филогенетическое дерево, включая V. vinifera и A. thaliana членов семьи гена разрешить гена аннотации на основе нуклеотидной последовательности8.
Хромосома локализация генов дублирования обследования и членов семьи позволяют, подчеркнув наличие всего генома или тандем дублируется генов. Такая информация представляется полезным разгадать предполагаемого гена функции, поскольку он может показать функциональные избыточности или выявить различные ситуации, то есть, не функционализации, нео функционализации или суб функционализации9. Обе нео – и суб – functionalization являются важными событиями, которые создают генетические новизны, предоставления новых клеточных компонентов для адаптации растений к меняющимся среды10. В частности дублирования предков генов и производство новых генов были очень часто в ходе эволюции генома виноградной лозы и недавно сформированной генов, возникая от проксимальных и тандем дублирования в grapevine чаще производить новые 11функции.
Еще одним ключевым фактором в расшифровке семьи функции гена-транскриптомики профиль. Наличие общедоступных баз данных, предоставляя доступ к огромное количество транскриптомики данных могут быть использованы таким образом назначить предполагаемые функции гена членов семьи с использованием крупномасштабных в silico анализа выражения. Действительно своеобразное выражение некоторых генов в органов конкретных растений или в ответ на определенные подчеркивает может дать некоторые подсказки относительно предполагаемых ролей соответствующих белков в определенных условиях и оказывать поддержку гипотезы о возможных суб функционализация дублируется генов реагировать на различные вызовы. Для этой цели, важно рассмотреть несколько наборов данных: они могут быть уже имеющихся ген выражение матриц, таких как Атлас генома всей транскриптомики органов виноградной лозы и этапы развития12, или может быть построен ad hoc по получение транскриптомики наборов данных для конкретных растений, подвергается определенным напряжений. Кроме того простой подход с использованием двух матриц, один с попарных сходство данных и один с коэффициентами попарных Сопредседатель выражение может применяться для оценки взаимосвязи между последовательности подобия и выражения шаблоны в семейство генов.
Цель этой работы-обеспечить глобальный подход, определяя структуру гена, сохраненных белков мотивы, хромосомных местоположение, Джин дублирования и шаблоны выражений, как также предсказание белка локализации и фосфорилирование сайтов, для достижения исчерпывающую характеристику семейство генов растений. Такой комплексный подход применяется здесь к характеристике ATL E3 убиквитин лигаза семьи в виноградной лозы. Согласно новой роли членов подсемейство ATL в регулировании основных клеточных процессов7, эта работа может также содействовать выявлению сильных кандидатов для функциональных исследований и в конечном итоге разгадать молекулярные механизмы, регулирующие адаптация этой важной культурой для своей окружающей среды.
Protocol
Representative Results
Discussion
В эпоху геномной многие семьи гена глубоко характеризовались в нескольких видов растений. Эта информация является предварительным условием для функциональных исследований и обеспечить рамки для дальнейшего изучения роли различных членов в семье. В этом контексте существует также по…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Работа была поддержана Веронский университет – в рамках совместного проекта 2014 (характеристика семьи гена ATL в виноградной лозы и ее участия в устойчивость к милдью винограда).
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).
