html5-img
1 / 52

גנומיקה השוואתית

גנומיקה השוואתית. ענת אפק סמינריון בגישות מחקר בביולוגיה חישובית. מה נרצה לזהות בגנום?. מציאת מסגרות קריאה מסגרות קריאה אקראיות קריטריונים סטטיסטים שרירותיים: נפספס מסגרות קריאה קצרות הסתכלות על גנים מתבטאים: יש גנים שלא מתבטאים תמיד מציאת אלמנטים רגולטוריים אין חוקים ברורים רצפים קצרים

tayte
Télécharger la présentation

גנומיקה השוואתית

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript


  1. גנומיקה השוואתית ענת אפק סמינריון בגישות מחקר בביולוגיה חישובית

  2. מה נרצה לזהות בגנום? • מציאת מסגרות קריאה • מסגרות קריאה אקראיות • קריטריונים סטטיסטים שרירותיים: נפספס מסגרות קריאה קצרות • הסתכלות על גנים מתבטאים: יש גנים שלא מתבטאים תמיד • מציאת אלמנטים רגולטוריים • אין חוקים ברורים • רצפים קצרים • דרוש ידע ביולוגי מוקדם

  3. גנומיקה השוואתית • הרעיון: איזורים בעלי חשיבות פונקציונלית יישמרו יותר באבולוציה בין מינים שונים. • אם נרצה ללמוד על הגנום של אורגניזם מסוים, מי הם האורגניזמים שנרצה להסתכל על הגנומים שלהם? כמה אורגניזמים דרושים?

  4. מה כוחה של הגנומיקה ההשוואתית? • זיהוי טוב יותר של מסגרות הקריאה • מציאת אזורים רגולטוריים ללא צורך בידע ביולוגי מוקדם • ניתן ללמוד על קצב השינויים באבולוציה • ועוד...

  5. Sequencing and comparison of yeast species to identify genes and regulatory elements M. Kellis et al., Nature 2003

  6. שמר ההנצה(Saccharomyces cerevisiae) • אאוקריוט חד-תאי • הגנום שלו רוצף במלואו כבר בשנת 1996 • שלושה מיני שמר נוספים במרחקים אבולוציונים שונים משמר ההנצה • עבור כל אחד מהם רוצף כ- 95% מהגנום

  7. A. P. Gasch et al. PLoS 2004

  8. מין א' Sc מין ב' למה צריך להשוות ליותר מאורגניזם נוסף אחד? • השוואה בזוגות לעומת השוואה כוללת של ארבעת מיני השמרים • אמינות התוצאות גדלה

  9. A 1 B 2 C 3 D 4 E 5 יישור הגנומים

  10. תוצאות היישור M. Kellis et al. Nature 2003

  11. תוצאות היישור - המשך • שימור סינטני גדול • סינטניות – סדר הגנים על הכרומוזום • יציבות ברמת הכרומוזומים M. Kellis et al. Nature 2003

  12. קצב המוטציות – מדד להתפתחות אבולוציונית • קצב מוטציות מהיר יותר באיזורים אינטרגנים מאשר בגנים M. Kellis et al. Nature 2003

  13. זיהוי גנים • חיפוש מסגרות קריאה לפי ה"חוקים" • סינון: צריך להבדיל בין מסגרות קריאה אמיתיות לכאלו שמופיעות באופן מקרי בגנום • השוואה לגנומים שונים

  14. מבחן שימור מסגרות קריאה (RFC) • האם מסגרת קריאה מסוימת בשמר ההנצה היא בעלת משמעות ביולוגית או לא? • לכל מסגרת קריאה כזו נערכה "הצבעה" בין ארבעת מיני השמרים

  15. עד כמה המבחן רגיש? • כביקורת שלילית נבחנו 340 רצפים אינטרגנים • המבחן קיבל 4% מהרצפים האלו • ¾ מהם התגלו כמכילים מסגרות קריאה אמיתיות • המבחן נכשל בדחיית 1% מהרצפים האינטרגנים

  16. לדחות או לקבל? M. Kellis et al. Nature 2003

  17. תוצאות המבחן • קטלוג מעודכן לגנום שמר ההנצה • בוטלו כ- 500 גנים • נמצאו כ- 40 גנים חדשים • כולל מסגרות קריאה המקודדות לחלבונים בגודל 50-99 ח"א • יתר דיוק יושג כשירוצפו מינים נוספים של שמר

  18. הגדרה מחודשת של גנים מסוימים • נקודת התחלה וסיום תרגום • קודוני פסק נוטים לשינויים אבולוציונים גדולים יותר מאשר נקודות התחלת התרגום • אינטרונים

  19. אבולוציה ברמת הגן • עבור מספר גנים של שמר ההנצה לא נמצאו אורתולוגים במינים האחרים • גנים ספציפים למין • פערים בריצוף הגנום של המינים האחרים • מה בכיוון ההפוך?

  20. זיהוי גנים המצויים תחת סלקציה חיובית • ההנחה: גנים שעוברים שינויים מהירים נמצאים תחת סלקציה חיובית חזקה • Ka/Ks – מדד לעוצמת הסלקציה • זהו מדד לסלקציה חיובית - היחס בין מוטציות המשנות ח"א למוטציות שקטות • ככל שהמדד גבוה יותר פועלת פחות סלקציה משמרת

  21. מה למדנו עד עכשיו? • זיהוי וביטול מסגרות קריאה • הגדרה מחדש של מבנה של גנים • אבולוציה ברמת הגנים הבודדים • זיהוי איזורים שעוברים שינויים מהירים יותר ופחות

  22. זיהוי אלמנטים רגולטוריים • קשים יותר לזיהוי ממסגרות קריאה • המטרה: בניית קטלוג של אלמנטים רגולטוריים המשמשים בגנום • בסיס לחיפוש: קריטריונים שהוגדרו לפי דוגמת Gal4

  23. M. Kellis et al. Nature 2003

  24. מציאת מיני-מוטיבים והרחבתם למוטיבים מלאים • מיני-מוטיב הוא מהצורה XYZn(0-21)UVW • המוטיב של Gal4: CGGn(11)CCG • קריטריונים לשימור: • שימור אינטרגני • שימור אינטרגני לעומת גני • שימור upstream לעומת downstream • הרחבה למוטיבים מלאים וחישוב MCS

  25. תוצאות • חפיפה עם מוטיבים ידועים • זיהוי מוטיבים חדשים M. Kellis et al. Nature 2003

  26. מה עוד ניתן להשיג? • פונקציה של איזור רגולטורי • מציאת מוטיבים לפי קטגוריה • רשתות רגולטוריות

  27. לסיכום המחקר... • מסגרות קריאה – זיהוי וביטול גנים • מבנה גנים • קצב שינויים באבולוציה • מציאת אלמנטים רגולטוריים ולימוד הפונקציה שלהם ללא ידע ביולוגי מוקדם

  28. והלאה? • את הגישה ניתן ליישם לכל אורגניזם ע"י בחירה מתאימה של אורגניזמים להשוואה • בחירה אופטימלית של אורגניזמים • S. cerevisiae ו- S. Bayanus מרוחקים מבחינת הסתעפות הרצף כמו אדם ועכבר

  29. Conservation and evolution of cis-regulatory systems in Ascomycete fungi A. P. Gasch et al., PLoS 2004

  30. אבולוציה בבקרת ביטוי גנים כגורם למגוון בין המינים • קיים מגוון גדול בין אורגניזמים • יחסית מעט גנים ספציפיים למין • שפע של חלבונים הומולוגיים באורגניזמים שונים • בקרת ביטוי גנים יכולה להוות מנגנון נוסף שאחראי למגוון הגדול

  31. אלמנטים ציס-רגולטוריים • מחקרים הראו קצב שינוי באבולוציה איטי יותר עבור אלמנטים אלו מאשר עבור רצפים לא פונקציונליים • שימור של אלמנטים אלו גם במינים רחוקים יחסית שלא ניתן לבצע יישור של הרצפים שלהם

  32. הנחה: קבוצות גנים העוברים קו-רגולציה ישמרו על פני מינים שונים • שיטת העבודה: • לא ע"י יישור רצפים • הסתכלות על גנים העוברים קורגולציה בשמר ההנצה וחיפוש מוטיבים רגולטוריים שמבקרים אותם • נמצא אורתולוגים של קבוצות גנים אלו ונחפש בהם את רצפי הבקרה • השוואת 14 מיני פטריות בטווח מרחקים אבולוציוני גדול A. P. Gasch et al. PLoS 2004

  33. קטלוג לאלמנטים ציס-רגולטוריים של שמר ההנצה • אלמנטים ידועים (ממאגרי נתונים) • חיזוי אלמנטים – שימוש ב- MEME למידע נוסף: http://meme.sdsc.edu/meme/intro.html • מקורות נוספים – Kellis et al. • סה"כ קובצו כ- 90 אלמנטים שונים A. P. Gasch et al. PLoS 2004

  34. מציאת העשרה של אלמנטים ציס-רגולטוריים בקבוצות גנים העוברים קו-רגולציה בשמר ההנצה • נסתכל על גנים שעוברים קו-רגולציה בשמר ההנצה • דמיון בביטוי הגנים • קישור פיזי עם אותו פקטור שעתוק • יחסים פונקציונליים • ציון להעשרה של רצפים רגולטוריים ידועים • 41 מ- 80 רצפים נמצאים בהעשרה משמעותית • 34 מהם זוהו בקבוצת הגנים שידוע שהם מבקרים • גבול עליון של 17% זיהוי חיובי-שגוי • בדיקת העשרה של המוטיבים המתקבלים ממטריצות MEME • 4 מטריצות מייצגות כנראה מוטיבים רגולטוריים חדשים

  35. חיפוש האלמנטים הרגולטוריים הקיימים בשמר ההנצה במיני הפטריות השונים • במינים קרובים היה ניתן לבצע יישור לזיהוי האלמנטים הרגולטוריים • במינים רחוקים חיפשו אורתולוגים לגנים העוברים קו-רגולציה ובדקו העשרה של הרצפים הרגולטוריים הקיימים בשמר ההנצה לכל מין בנפרד

  36. חיפוש האלמנטים בשמרים נוספים - המשך • העשרה של אותם אלמנטים רגולטוריים בקבוצות הגנים האורתולוגיות במינים השונים מעידה על שימור של המערכת הציס-רגולטורית • העשרה של אלמנטים ציס-רגולטוריים במינים שונים מעידים על קו-רגולציה גם בגנים האורתולוגים, וע"י אותן מערכות ציס-רגולטוריות • רצפי ביקורת לא הראו העשרה

  37. A. P. Gasch et al. PLoS 2004

  38. מה עם רצפים שלא נמצאה העשרה שלהם במינים אחרים? • התפתחות של מערכות ציס-רגולטוריות • נמצאו גם מערכות ציס-רגולטוריות שמורות שלא קיימות בשמר ההנצה A. P. Gasch et al. PLoS 2004

  39. שימור במיקום • peak לפיזור של אלמנטים ציס-רגולטוריים upstream לגן המטרה שלהם • נראה שימור ב- peak גם במינים אחרים • השימור הוא בפיזור ולא במיקום המדויק • שימור במרווח בין אלמנטים • מרווח לא מקרי בין אתרי הקישור של Cbf1p ו- Met31/32p

  40. A. P. Gasch et al. PLoS 2004

  41. אבולוציה של אלמנטים ציס-רגולטוריים – בקרת ביטוי הגנים הפרוטאוזומלים • Rpn4p מבקר ביטוי גנים פרוטאוזומלים בשמר ההנצה • שימור המערכת הציס-רגולטורית במשפחת הפטריות ה- hemiascomycetes • רצפים שונים מבקרים את ביטוי הגנים הפרוטאוזומלים ב- S. Cerevisae וב- C. Albicans

  42. הבדלים בין רצפי הבקרה של גנים פרוטאוזומלים בשני המינים • הבדל בספציפיות של פקטור השעתוק הקושר את הרצף או • אותה ספציפיות לפקטורי השעתוק, וההבדל נובע מסיבות אחרות.

  43. Biacore 3000 • מודד אינטראקציות מולקולריות • נבדקו תכונות הקישור של Sc_Rpn4p והאורתולוג שלו Ca_Rpn4p

  44. מופיע ב-Sc בלבד מופיע ב-Ca בלבד מופיע בשניהם לשני האורתולוגים ספציפיות שונה A. P. Gasch et al. PLoS 2004

  45. ל- Nc_Rpn4p כנראה תפקיד שונה • בגנים הפרוטאוזומלים של משפחת ה- Euascomycete זוהה רצף קונצנזוס אחר • האורתולוג Nc_Rpn4p מראה ספציפיות קישור זהה לזו של Ca_Rpn4p • הרצף הקיים בשמר ההנצה לא נמצא בגנים הפרוטאוזומלים של ה- Euascomycete

  46. אבולוציה של מערכות ציס-רגולטוריות • גנים העוברים קו-רגולציה גם במינים אחרים אך בבקרת מערכות אחרות • קצב מהיר של שינויים – • תת-היחידות הפרוטאוזומליות והחלבונים הריבוזומאלים • קצב איטי של שינויים – • חלבונים הקשורים ב- mating

  47. אבולוציה של רשתות ציס-רגולטוריות • בקרת ביטוי של גנים חדשים • קו-אבולוציה במערכות רגולטוריות • בקרת סט חדש לגמרי של גנים

  48. סיכום המחקר • שימור של מערכות ציס-רגולטוריות גם במרחקים אבולוציוניים יחסית גדולים • שוני במערכות ציס-רגולטוריות: • שינוי בספציפיות הקישור של פקטור השעתוק • החדרת מטרות גנים חדשות למערכות רגולטוריות קיימות • מערכות רגולטוריות דומות יכולות לבקר סט שונה של גנים

  49. מה הלאה? • ניתן להשלים את הפערים בהבנה עם ריצופם של הגנומים של פטריות נוספות במרחקי-ביניים מבחינה אבולוציונית

  50. אז מה כוחה של הגנומיקה ההשוואתית? • אין צורך בידע ביולוגי מוקדם • אנליזה ברמת הגנום • ניתן ליישם את השיטה לגבי כל אורגניזם • כח השיטה עולה עם ריצופם של יותר גנומים

More Related