Struttura dei genomi delle piante

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1 Struttura dei genomi delle piante Genomi sequenziati Caratteristiche dei genomi delle piante Classi di geni e funzioni Trasposoni e dimensioni dei genomi Sintenia e colinearità Livelli di organizzazione entro i genomi: antiche duplicazioni e paleogenomica Da uno a mille genomi per specie

2 Piante a genoma sequenziato Da: Plant Genome DataBase ( + Cetriolo (2009), Melo (Ottobre 2010), Patata, Pomodoro, Caffè, Cacao, etc.

3 Dimensioni del genoma e numero di geni Specie Genoma (Mb) Geni (n.) Arabidopsis thaliana Oryza sativa Saccharomyces cerevisiae Caenorhabditis elegans Drosophila melanogaster Fugu rubripes Mus musculus Homo sapiens Escherichia coli

4 Genomi delle piante a confronto Da: Velasco et al The genome of the domesticated apple. Nature Genetics

5 Confronto tra le dimensioni del genoma di alcune specie di cereali Table I. DNA content and genome size of different members of family Poaceae Plant Chromosome No. Genome Size DNA Content 2C n Mb pg Rice Sorgo Pennisetum americanum 7 2, Maize 10 2, Barley 7 5, Aegilops tauschii 7 4, Triticum monococcum 7 5, Wheat 21 16, Da: D. Sandhu and K.S. Gill, Gene-containing regions of wheat and the other grass genomes. Plant Physiol. 128 (2002), pp

6 Confronto tra organizzazione di genomi Esempio di 50 kb di sequenza genomica in uomo, lievito, Drosophila, mais e Escherichia coli, per illustrare la diversa densità genica e la distribuzione delle sequenze ripetute. Le 5 sequenze non sono tra loro omologhe. (Figura 17.22, pag 805, Barcaccia Falcinelli Vol. III)

7 Distribuzione di geni ed altre strutture sui cromosomi Cromosoma 1 di Arabidopsis A: Densità dei geni: varia tra 1 e 38 geni per 100 kb. B: Coincidenza tra geni e EST presenti in database. Varia tra 1 e 200 coincidenze per 100 kb. C: Densità di elementi transposibili: varia tra 1 e 33 per 100 kb. D: Porzioni ad elevata omologia con sequenze mitocondriali e/o cloroplastiche. E: Geni per RNA non codificanti (trna, snrna ed altri). Telomeri e centromero non in scala. Da: Analysis of the genome sequence of the flowering plant Arabidopsis thaliana, Nature (2000) 408: A B C D E

8 Dimensioni dei genomi e DNA ripetuto È stato sperimentalmente verificato che le differenze nelle dimensioni del corredo aploide dei genomi tra le specie di cereali coltivati sono principalmente dovute al livello di duplicazione di sequenze trasponibili Ca. l 80% del genoma di mais è costituito da elementi trasponibili (il 50% del genoma costituito da retrotrasposoni), contro ca. il 25% di riso ed il 10% del genoma di Arabidopsis. Molti trasposoni si concentrano nelle zone centromeriche. I retrotrasposoni tendono a proliferare in zone intergeniche.

9 Distribuzione di elementi trasponibili nel cromosoma 1 di Arabidopsis (Trasposoni a DNA) (Retrotrasposoni) Densità di elementi trasponibili Cromosoma 1 di Arabidopsis

10 Regioni ricche e povere di geni e Gene islands Rappresentazione schematica di cromosoma di frumento che illustra la distribuzione dei geni nei genomi dei cereali. Gli ingrandimenti a destra sono esempi di regioni povere di gene (sopra) e ricche di geni (sotto). Sandhu and Gill. Gene-containing regions of wheat and the other grass genomes. Plant Physiol. 128 (2002), pp

11 Sintenia (definizioni) Sintenia (inglese: synteny): originariamente indicava la situazione in cui due geni si trovano sullo stesso cromosoma (senza implicazioni di linkage). Attualmente, indica la situazione in cui, tra specie diverse filogeneticamente imparentate, è possibile identificare regioni cromosomiche che derivano dal medesimo cromosoma ancestrale e mantengono similarità nel contenuto di geni e/o marcatori. Si può riconoscere sintenia anche tra cromosomi (o porzioni di cromosomi) all interno dello stesso genoma (= stessa specie) laddove il genoma abbia subito fenomeni di duplicazioni. Colinearità (inglese: collinearity): mantenimento dell ordine genico all interno di cromosomi o porzioni di cromosomi sintenici. Ortologhi (inglese: orthologous genes or orthologs): geni o loci di specie diverse che si sono originati da un antenato comune. Paraloghi (inglese: paralogous genes or paralogs): geni o loci all interno della stessa specie e che si sono originati da un antenato comune. Omologhi (Inglese.: homologous genes or homologues): geni di simile funzione ed originati da un antenato comune. Omeologhi (inglese: homoeologous genes or homoeologs): geni o cromosomi di genomi diversi in specie poliploidi che si sono originati da un antenato comune.

12 Sintenia e colinearità Geni X, Y, Z = specie diverse Sintenia Colinearità Microcolinearità A, B, C, D, E = loci (o marcatori) (livello di conservazione nell ordine in segmenti cromosomici circa <50 kb) Mod. da Keller and Feuillet Colinearity and gene density in grass genomes. Trends Plant Sci. 5:

13 Altri livelli di organizzazione dei genomi

14 Antiche e recenti duplicazioni dell intero genoma nelle piante Nella maggior parte dei genomi degli eucarioti si possono riconoscere, tramite analisi comparativa di sequenze entro genoma, delle relazioni di omologia tra regioni cromosomiche. Sono le vestigia di antiche duplicazioni del genoma a seguito di eventi di poliploidizzazione. Molte specie vegetali mostrano eventi multipli di duplicazione. Si ritiene che tutti i genomi delle attuali dicotiledoni siano almeno esaploidi. Anche Arabidopsis, ritenuta a lungo possedere un semplice genoma diploide, ha un genoma altamente complesso. Caso del mais (duplicazione recentissima 10 milioni anni fa e profondo riarrangiamento). Caso del melo (duplicazione relativamente recente 50 milioni anni fa con parziale riarrangiamento). Caso della vite (assenza di duplicazioni recenti in evidenza l antica natura esaploide di tutte le dicotiledoni).

15 Gli eventi di duplicazione dell intero genoma sono comuni nella storia evolutiva delle angiosperme Adams and Wendel, 2005, Polyploidy and genome evolution in plants. Current Opinion in Plant Biology 8:

16 Filogenesi dei frumenti Da: Barcaccia e Falcinelli, pag. 264, vol. I.

17 Riduzione di colinearità per duplicazione del genoma Il raddoppiamento del genoma causato da eventi di duplicazione genomica (es. allopoliploidizzazione) produce ridondanza genica funzionale all interno della stessa specie. una delle copie di ciascuna coppia di geni omeologhi si svincola dalla pressione selettiva e può i) evolvere nuove funzioni o profilo di espressione, diventare vantaggiosa e quindi essere mantenuta, oppure ii) (più spesso) essere eliminata a seguito di riduzione in pseudogene come conseguenza, nei cromosomi omeologi si osserva perdita differenziale di geni e si arriva alla graduale scomparsa di colinearità tra cromosomi. Adams and Wendel, 2005, Polyploidy and genome evolution in plants. Current Opinion in Plant Biology 8:

18 Genotyping-by-sequencing Le tecnologie di next generation sequencing sono in via di applicazione anche direttamente alla popolazioni sperimentali di incrocio L obiettivo è sostituire con il sequenziamento diretto, a medio-bassa copertura, il lavoro di genotipizzazione normalmente svolto con marcatori SSR, SNP, ecc. E reso possibile dall elevato volume di dati prodotti dalle nuove tecnologie. I vantaggi sono molteplici: perfetta definizione del numero e della posizione dei crossing-over, indipendenza da bias introdotti dall utilizzo di marcatori sviluppati in determinati background genetici, possibilità di identificare riarrangiamenti cromosomici di medie dimensioni. E già in via di utilizzo nei grandi centri di genomica per studi in Arabidopsis, mais e riso.