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9.1: Genome und ihre Organisation - Biologie

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Genome werden durch zwei komplementäre Metriken charakterisiert, die Anzahl der Basenpaare der DNA und die Anzahl der Gene, die in dieser DNA vorhanden sind. Tatsächlich sind Genome dynamisch, worauf wir gleich zurückkommen werden.

Das Genom eines Organismus (und im Allgemeinen die Zellen, aus denen es besteht) besteht aus einem oder mehreren DNA-Molekülen. Wenn wir über die Genomgröße sprechen, sprechen wir von der Gesamtzahl der Basenpaare, die in all diesen zusammengenommenen DNA-Molekülen vorhanden sind. Der Organismus mit einem der größten bekannten Genome ist die Pflanze Paris japonica; sein Genom wird auf ~150.000 x 10 . geschätzt6 (Millionen) Basenpaare255. Im Gegensatz dazu besteht das (haploide) menschliche Genom aus ~3.200 x 106 Basenpaare der DNA. Die relativ kleine Genomgröße von Vögeln (~1.450 x 106 Basenpaare) ist vermutlich auf die kleinere Genomgröße ihrer Dinosaurier-Vorfahren zurückzuführen256. Allerdings gibt es interessante Organismen, die darauf hindeuten, dass die natürliche Selektion in einigen Fällen die Genomgröße dramatisch erhöhen oder verringern kann, ohne die Gennummer zu ändern. Zum Beispiel das fleischfressende Blasenkraut Utricularia gibba, hat ein Genom von ~80 x 106 Basenpaare und ~28.000 Gene, deutlich weniger Basenpaare der DNA, aber anscheinend mehr Gene als beim Menschen.

Sehr viel kleinere Genome finden sich in Prokaryoten, typischerweise sind ihre Genome einige Millionen Basenpaare lang. Die kleinsten Genome kommen in Organismen vor, die obligate Parasiten und Endosymbionten sind. Zum Beispiel das Bakterium Mycoplasma genitalium, die Ursache der Nicht-Gonokokken-Urethritis, enthält ~0,58 x 106 Basenpaare der DNA, die für ~500 verschiedene Gene kodiert. Ein noch kleineres Genom findet sich im obligaten Endosymbionten Carsonella ruddii; es hat 159.662 (~0,16 x 106) Basenpaare der DNA, die für „182 ORFs (open reading frames or genes)“ kodieren, 164 (90 %) überlappen mit mindestens einem der beiden benachbarten ORFs“257. Eukaryotische Mitochondrien und Chloroplasten, die von Endosymbionten abgeleitet sind, haben sehr kleine Genome. Typischerweise sind mitochondriale Genome ~16.000 Basenpaare lang und enthalten ~40 Gene, während die Genome von Chloroplasten größer sind, ~120.000–170.000 Basenpaare lang sind und ~100 Gene kodieren. Die meisten der in den ursprünglichen Endosymbionten vorhandenen Gene scheinen entweder verloren gegangen zu sein oder in den Kern der Wirtszelle übertragen worden zu sein. Dies illustriert ein Thema, auf das wir zurückkommen werden, nämlich dass Genome nicht statisch sind. Tatsächlich ist es ihre dynamische Natur, die bedeutende evolutionäre Veränderungen ermöglicht.

Eine interessante Frage ist, was die minimale Anzahl von Genen ist, die ein Organismus braucht. Hier müssen wir uns eher frei lebende Organismen als Parasiten oder Endosymbionten ansehen, da sie sich auf Gene in ihren Wirten verlassen können. Ein üblicher Ansatz besteht darin, Mutagenese zu verwenden, um nicht funktionierende (amorphe) Versionen von Genen zu erzeugen. Man kann dann die Anzahl der essentiellen Gene innerhalb eines Genoms zählen, also der Gene, deren Funktion für das Leben unbedingt erforderlich ist. Eine Komplikation besteht darin, dass unterschiedliche Gensätze in verschiedenen Umgebungen wichtig sein können, aber das werden wir vorerst ignorieren. In einer solchen Studie zur tödlichen Mutagenese fanden Lewis et al., dass 382 der Gene in Mycoplasma genitalium sind essenziell; davon hatten ~28 % keine (noch) bekannte Funktion258.


Sequenzierung des gesamten Genoms

Sequenzierung des gesamten Genoms (WGS), auch bekannt als vollständige Genomsequenzierung, vollständige Genomsequenzierung, oder komplette Genomsequenzierung, ist der Prozess, die Gesamtheit oder fast die Gesamtheit der DNA-Sequenz des Genoms eines Organismus zu einem einzigen Zeitpunkt zu bestimmen. [2] Dies beinhaltet die Sequenzierung der gesamten chromosomalen DNA eines Organismus sowie der DNA, die in den Mitochondrien und bei Pflanzen im Chloroplasten enthalten ist.

Die Sequenzierung des gesamten Genoms wurde weitgehend als Forschungsinstrument verwendet, wurde jedoch 2014 in Kliniken eingeführt. [3] [4] [5] In der Zukunft der personalisierten Medizin könnten Sequenzdaten des gesamten Genoms ein wichtiges Instrument sein, um therapeutische Interventionen zu leiten . [6] Das Werkzeug der Gensequenzierung auf SNP-Ebene wird auch verwendet, um funktionelle Varianten aus Assoziationsstudien zu lokalisieren und das Wissen zu verbessern, das an Evolutionsbiologie interessierten Forschern zur Verfügung steht, und kann somit die Grundlage für die Vorhersage von Krankheitsanfälligkeit und Arzneimittelreaktionen legen.

Die Sequenzierung des gesamten Genoms sollte nicht mit einem DNA-Profiling verwechselt werden, das nur die Wahrscheinlichkeit bestimmt, dass genetisches Material von einer bestimmten Person oder Gruppe stammt, und keine zusätzlichen Informationen über genetische Verwandtschaft, Herkunft oder Anfälligkeit für bestimmte Krankheiten enthält. [7] Darüber hinaus sollte die Sequenzierung des gesamten Genoms nicht mit Methoden verwechselt werden, die spezifische Teilmengen des Genoms sequenzieren – solche Methoden umfassen die Sequenzierung des gesamten Exoms (1-2% des Genoms) oder die SNP-Genotypisierung (<0,1% des Genoms). . Ab 2017 gab es keine vollständigen Genome für Säugetiere, einschließlich des Menschen. Zwischen 4 und 9 % des menschlichen Genoms, meist Satelliten-DNA, waren nicht sequenziert. [8]


Physische Karten

Eine physische Karte liefert Details zum tatsächlichen physischen Abstand zwischen genetischen Markern sowie zur Anzahl der Nukleotide. Es gibt drei Methoden, die verwendet werden, um eine physikalische Karte zu erstellen: zytogenetische Kartierung, Strahlungshybridkartierung und Sequenzkartierung. Die zytogenetische Kartierung verwendet Informationen, die durch mikroskopische Analyse gefärbter Abschnitte des Chromosoms gewonnen wurden (Abbildung). Es ist möglich, den ungefähren Abstand zwischen genetischen Markern durch zytogenetische Kartierung zu bestimmen, aber nicht den genauen Abstand (Anzahl der Basenpaare). Die Strahlungshybridkartierung verwendet Strahlung wie Röntgenstrahlen, um die DNA in Fragmente zu zerlegen. Die Strahlungsmenge kann angepasst werden, um kleinere oder größere Fragmente zu erzeugen. Diese Technik überwindet die Beschränkung der genetischen Kartierung und wird nicht durch eine erhöhte oder verringerte Rekombinationsfrequenz beeinflusst. Die Sequenzkartierung resultierte aus einer DNA-Sequenzierungstechnologie, die die Erstellung detaillierter physischer Karten mit Entfernungen, die in Bezug auf die Anzahl der Basenpaare gemessen wurden, ermöglichte. Die Erstellung genomischer Bibliotheken und komplementärer DNA (cDNA)-Bibliotheken (Sammlungen klonierter Sequenzen oder der gesamten DNA eines Genoms) hat den Prozess der physikalischen Kartierung beschleunigt. Eine genetische Stelle, die verwendet wird, um mit der Sequenzierungstechnologie eine physikalische Karte zu erstellen (eine sequenzgetaggte Stelle oder STS), ist eine einzigartige Sequenz im Genom mit einer bekannten genauen chromosomalen Position. Ein Expressions-Sequenz-Tag (EST) und ein Single Sequence Length Polymorphism (SSLP) sind übliche STSs. Ein EST ist ein kurzes STS, das mit cDNA-Bibliotheken identifiziert wird, während SSLPs von bekannten genetischen Markern erhalten werden und eine Verbindung zwischen genetischen Karten und physischen Karten bieten.

Eine zytogenetische Karte zeigt das Aussehen eines Chromosoms, nachdem es gefärbt und unter einem Mikroskop untersucht wurde. (Kredit: Nationales Institut für Humangenomforschung)


Mitochondriale Genom-Evolution

Françoise Budar , Sota Fujii , in Fortschritte in der botanischen Forschung , 2012

4 Fazit und Perspektiven für die weitere Forschung

Die Koadaptation zwischen Organellen- und Kerngenomen auf Artebene ist weithin akzeptiert. Der Beitrag der zytonukleären Epistase zur genetischen Isolierung, daher ihre mögliche Beteiligung an der Artbildung, wurde erkannt ( Alcázar et al., 2012 Chou &. Leu, 2010 Greiner et al., 2011 Levin, 2003). Das Auftreten von zytonukleärer Epistase innerhalb von Arten wurde durch neuere Berichte dokumentiert. Allerdings wird die genetische Diversifikation innerhalb einer Spezies von koadaptierten molekularen Partnern, die in verschiedenen genetischen Kompartimenten kodiert sind, bisher wahrscheinlich unterschätzt, mit Ausnahme von CMS, das nach intraspezifischen Kreuzungen auftritt. Sie zeigen den Beitrag des genomischen Konflikts zwischen den nuklearen und mütterlich vererbten Organellengenomen zur Erhöhung genetischer Barrieren ( Alcázar et al., 2012 Geddy & Brown, 2007 Kato et al., 2007). Es könnte jedoch schwierig sein, zwischen der Unterbrechung der kooperativen Koadaptation und der Reaktivierung eines genomischen Konflikts zu unterscheiden, wenn mütterlicherseits vererbte männliche Sterilität nach einer Kreuzung entfernt verwandter Genotypen beobachtet wird. Es ist wahrscheinlich, dass beide Mechanismen im Phänotyp einer Hybridpflanze zusammenwirken können.

Es bleibt die Frage, ob das für Tiergenome vorgeschlagene Modell, bei dem die Koadaptation zuerst durch Variationen im mt-Genom angetrieben wird und die anschließende Auswahl nuklearer koadaptierter Varianten erfolgt, auch für die kooperative Koadaptation von Pflanzenzytonuklearen gültig ist. Bevor diese Frage geklärt werden kann, sind bessere Kenntnisse der genetischen Variation, die in Genomen von Pflanzenorganellen sowohl auf Artebene als auch innerhalb von Arten auftritt, und wahrscheinlich eine Neubewertung theoretischer Modelle erforderlich.

Unser Wissen über die genetische Diversität von Pflanzenorganellen beschränkt sich bei den meisten Arten auf pt-intergenische Polymorphismen, die als neutral angesehen werden und verwendet werden, um mütterliche Phylogenien abzuleiten. Offensichtlich werden die Programme, die auf dem Einsatz von New Generation Sequencing (NGS)-Technologien basieren, wertvolle Daten über die in pflanzlichen Organellengenomen auftretenden Substitutionen liefern (z. B. das 1001-Genome-Projekt für A. thaliana http://www.1001genomes.org). Die eigentümliche Evolutionsweise der Pflanzen mt wird jedoch wahrscheinlich auch die de novo Zusammenbau von varianten mt-Genomen, da ein großer Teil des Polymorphismus in diesen Pflanzenorganellen aus Umlagerungen resultiert (siehe Kapitel 9 ) ( Davila et al., 2011). Darüber hinaus häufen sich die Beweise dafür, dass sowohl die mt-Substitutionsraten als auch die Beschränkungen der mt-Genomgröße zwischen den Pflanzenlinien schwanken ( Sloan et al., 2012). Der Einfluss dieser Fluktuationen auf die zytonukleäre Koevolution muss noch untersucht werden.

Nichtsdestotrotz wurden PPR-Proteine ​​als wichtige molekulare Akteure bei der zytonukleären Koadaptation identifiziert, sowohl im Rahmen der kooperativen Koadaptation als auch im genomischen Konflikt. Dies spiegelt wahrscheinlich auch die Besonderheiten der zytonukleären Koadaptation in Pflanzen wider, da die Expansion dieser Proteinfamilie charakteristisch für die grüne eukaryontische Abstammungslinie ist.

Die meisten der bekannten Beispiele für molekulare Wechselwirkungen, die der Koadaptation zwischen pflanzlichen mt-Genomen und ihrem Zellkern zugrunde liegen, beinhalten PPR-Proteine ​​und ihre mt-Ziel-RNAs, wie oben gezeigt. In Hefe waren zwei kürzlich entschlüsselte zytonukleäre BDM-Inkompatibilitäten mit nuklearkodierten Faktoren verbunden, die für die richtige Expression spezifischer mt-Gene erforderlich sind (Chou, Hung, Lin, Lee, & Leu, 2010 Lee et al., 2008 ).

Bei Tieren deuteten mehrere Berichte darauf hin, dass zytonukleare Inkompatibilitäten aus einer beeinträchtigten Elektronentransportkettenfunktion aufgrund schlecht übereinstimmender mt- und nuklear-kodierter Untereinheiten resultieren (Barrientos, Müller, Dey, Eienberg, & Moraes, 2000 Blier, Dufresne & Burton, 2001 Sackton , Haney & Rand, 2003 Wu, Schmidt, Goodman & Grossman, 2000). Darüber hinaus ist im Fall des marinen Copepoden Tigriopus californicus, konnte die Abnahme der Komplex IV (Cytochromoxidase)-Effizienz von ungeeigneten Hybriden auf einzelne Aminosäurepolymorphismen im nukleär kodierten Cytochrom zurückgeführt werden C Apoprotein und entsprechende Sequenzvarianten der mt-kodierten Untereinheit II der Cytochromoxidase (Harrison & Burton, 2006). Im Labor entwickelte Populationen von T. californicus, wurde festgestellt, dass die mt-nuklear negative Epistase von den Umweltbedingungen abhängt, nämlich dem Temperaturregime ( Galloway & Fenster, 1999 Galloway & Fenster, 2001 Leinonen et al., 2011 Willett & Burton, 2003). Bei dieser Spezies, bei der sich Populationen in fast strikter Isolation entwickeln, scheint der hybride Zusammenbruch der Fitness jedoch komplexere BDM-Inkompatibilitäten zu beinhalten als einfache zytonukleäre Zwei-Faktoren-Epistase (Willett, 2011).

Obwohl sich die Beweise für den Beitrag der zytoplasmatischen Variation bei der Pflanzenanpassung an die Umwelt häufen, hauptsächlich aus ökologischen Studien, wurde dieser Beitrag in den meisten bisher berichteten Studien zur Pflanzenanpassung vernachlässigt. In dieser Hinsicht ist die Forschung zur Evolution der mt-Tiere einige Schritte voraus. Nichtsdestotrotz ist auch für Pflanzen die Bioenergetik ein zentrales Thema für die Umweltanpassung (Wallace, 2010). Dies sollte uns motivieren, der Organellenvariation im Hinblick auf die Anpassung der Pflanzen an neue Umgebungen, insbesondere im Kontext des globalen Klimawandels, mehr Aufmerksamkeit zu schenken. In diesem Zusammenhang wurde eine aktuelle Studie zur Anpassung an das Klima in A. thaliana wies auf die Beteiligung von Genen hin, deren Funktionen unter anderem mit der Photosynthese und dem Energiestoffwechsel zusammenhängen ( Hancock et al., 2011). Sowohl Fälle von Organellen-GC-Gehalt und PPR-Bearbeitungsfaktoren als auch der rbcL Gen (Abschnitt 3.2 ) sind anschauliche Beispiele dafür, dass die Probleme der zytonukleären Anpassung und der adaptiven Variation in Organellengenen miteinander verschränkt sind ( Barrientos et al., 2000 Blier et al., 2001 Fujii & Small, 2011 Sackton et al., 2003 Savir et al., 2010 Wu et al., 2000). Daher muss die Koadaptation mit nuklearen Genen sorgfältig geprüft werden, wenn der Beitrag von Organellenvarianten zur Pflanzenanpassung untersucht wird.

Die Erforschung der adaptiven Eigenschaften der mt-nuklearen Koevolution in Pflanzen erfordert eine Kombination von Ansätzen und gemeinsame Anstrengungen zwischen wissenschaftlichen Disziplinen. Neben der Erforschung der Diversität von Organellen- und Kerngenen und einer gründlichen genetischen Analyse ihrer epistatischen Interaktionen ist eine umfassende Analyse der physiologischen Auswirkungen schlecht aufeinander abgestimmter genetischer Kombinationen sehr wünschenswert. Die adaptive Natur der verfolgten Polymorphismen erfordert auch die Bewertung ihres Einflusses auf die Fitness in realistischen ökologischen Umgebungen (Bergelson & Roux, 2010). In dieser Hinsicht stellt die Entschlüsselung der Beiträge von mt– (oder pt–) nuklearen epistatischen Wechselwirkungen zu fitnessbezogenen Merkmalen in unterschiedlichen Umgebungen eine spannende Herausforderung dar.

Darüber hinaus werden solche Studien wahrscheinlich wertvolles Wissen für Züchter liefern. Es wurde berichtet, dass der Einfluss von Zellkern-Zytoplasma-Interaktionen bei einer Vielzahl von interessanten Merkmalen in mehreren Kulturpflanzen signifikant ist. Zum Beispiel wurde festgestellt, dass zytonukleare Wechselwirkungen und zytoplasmatische Variation den Ertrag und die Tieftemperaturtoleranz von Reis beeinflussen (Harrison & Burton, 2006 Tao et al., 2004). Derzeit beschränkt sich das Potenzial von genetischen Variationen und zytonuklearen Kombinationen von Organellen in der Züchtung meist auf den Einsatz von CMS in der Hybridsaatgutproduktion. Es ist sehr wahrscheinlich, dass die Nutzung genetischer Ressourcen zur Verbesserung von Kulturpflanzen und Züchtungsstrategien von einem besseren Wissen über die zytonukleäre Komponente bei der Anpassungsreaktion von Pflanzen an ihre Umwelt profitieren wird.


Diskussion

Der ACE1-Cluster ist für wenige Pilzarten spezifisch

Vollständig ACE1 Cluster ist nur in vier der 23 sequenzierten Pezizomycotina-Genome vorhanden (M. grisea, C. globosum, S. nodorum und A. clavatus). Eine solche sporadische Verteilung könnte entweder auf unabhängige HGTs oder häufige Verluste des gesamten Clusters in verschiedenen Abstammungslinien zurückzuführen sein (Abbildung 3). Wir bevorzugen die letztere Erklärung, weil - mit Ausnahme von A. clavatus - unsere phylogenetischen Gene aus dem Cluster weisen Topologien auf, die weitgehend mit der erwarteten Artenphylogenie übereinstimmen [27]. Wir schlagen vor, dass ein ACE1-ähnlicher Cluster bestehend aus mindestens drei Genen (homologe zu ACE1, RAP1 und ORF3) existierte im gemeinsamen Vorfahren von Pezizomycotina, aber dieser Cluster ist später in vielen Linien verloren gegangen. Das Schema in Abbildung 3 identifiziert vier unabhängige Abstammungslinien (gestrichelt dargestellt), in denen alle Kopien des Clusters verloren gegangen sind. Ob Gene wie OXR1 die in der vorhanden sind ACE1 Cluster von Sordariomycetes und Dothideomycetes, aber nicht in der ACE1-ähnliche Cluster von Eurotiomyceten entsprechen linienspezifischen Zusätzen oder Verlusten.

Abgeleitete Geschichte von ACE1 und ACE1-ähnliche Cluster in filamentösen Pilzen. Das graue Rechteck entspricht dem alten Kerncluster von drei Genen (ACE1, RAP1, ORF3) das ist allen gemein ACE1 Cluster (rosa) und ACE1-ähnliche Cluster (orange). Der schwarze Pfeil bezeichnet die abgeleitete HGT von Teil B des Clusters von einem Donor, der mit verwandt ist M. grisea zum A. clavatus Empfänger. Gestrichelte Zweige und kleinere Schriftarten weisen auf Euascomyceten hin, die in unsere Analyse einbezogen wurden, aber die Cluster vollständig fehlen. Phylogenetische Beziehungen basieren auf [27] und N Fedorova und N Khaldi, unveröffentlichten Daten, für die Topologie innerhalb der Gattung Aspergillus. Der Baum ist nicht maßstabsgetreu gezeichnet.

Jeder Baum, der scheinbare HGT eines Gens zeigt, kann auch durch ein alternatives Szenario von Genduplikationen und -verlusten erklärt werden. Die hier berichtete Situation unterscheidet sich jedoch von typischen Fällen einer möglichen HGT einzelner Gene, da es sich um mehrere Gene handelt, die als große Tandemduplikation angeordnet sind (in M. grisea). Die Tatsache, dass die A. clavatus ACE1 Cluster bildet eine Klade mit dem M. grisea Teil-B-Gene (mit Ausnahme der Teil-A-Gene) bedeutet, dass das einzige alternative Szenario zu HGT eines ist, bei dem die Teil-A/Teil-B-Tandemduplikation direkt an der Basis des Baums in Abbildung 3 auftrat. Dieses Szenario würde dann mindestens vier Ereignisse des genauen Verlusts von genau einem Teil des tandem duplizierten Gensatzes: Teil B in C. globosum, Teil B im Vorfahren von C. immitis und U. reesii, Teil B in S. nodorum, und Teil A in A. clavatus. Aufgrund der genauen Natur der erforderlichen Deletion (und der Wahl der zu löschenden Genkopie) halten wir dieses Szenario nicht für wahrscheinlich.

Die diskontinuierliche Verteilung der ACE1 Cluster unter Pilzarten legt nahe, dass evolutionäre Beschränkungen dazu führen, dass dieser Cluster nur bei wenigen Arten aufrechterhalten wird. Wie M. grisea, S. nodorum und C. globosum pflanzliche oder tierische Krankheitserreger sind, ist es verlockend zu spekulieren, dass die ACE1 Cluster ist am Infektionsprozess dieser drei Arten beteiligt. Der durch diesen Biosyntheseweg produzierte Metabolit kann ein wichtiger Pathogenitätsfaktor sein, aber eine solche Rolle muss noch bestimmt werden. A. clavatus ist anders, da es nicht pathogen ist. Die Anwesenheit der ACE1 Cluster in A. clavatus kann aus einer Selektion resultieren, die eine unbekannte biologische Rolle dieses Metaboliten in diesem Pilz beinhaltet. Die Identifizierung der Moleküle, die von diesen verschiedenen Clustern gebildet werden, ist notwendig, um die Rolle der ACE1 Cluster in der Pilzbiologie und könnte Hinweise auf die Evolution des angestammten Biosynthesewegs geben, der von diesem Cluster kontrolliert wird.

Die Evolution des ACE1-Clusters bei Sordariomyceten umfasste mehrere Duplikationsereignisse

Die ACE1 Cluster hat eine komplexe Geschichte mit mehreren Ereignissen mit groß angelegter Duplizierung und mehreren Verlusten. Das von uns abgeleitete Szenario ist in Abbildung 3 zusammengefasst. Eine alte Vervielfältigung erzeugte die große ACE1 und kleiner ACE1-ähnliche Cluster. Ein zweites Duplikationsereignis in einem angestammten Sordariomyceten führte zu den beiden Clustern (1 und 2), die derzeit in zu sehen sind C. globosum. Dieses Ereignis ereignete sich vor der Speziation zwischen C. globosum und M. grisea, aber M. grisea verlor später sein Gegenstück zu Cluster 2. Unabhängig davon durchlief Cluster 1 ein Tandemduplikationsereignis, das die Teile A und B erzeugte. Diese Tandemduplikation überlebte in M. grisea, aber in C. globosum die Addition (Teil B von Cluster 1) ging wieder verloren. Es mag einfacher erscheinen zu behaupten, dass die Teil-A/B-Tandemduplikation ein Ereignis war, das speziell in M. grisea nachdem es abgewichen ist von C. globosum, aber wir wissen, dass dies falsch ist, weil die Gene des Teils B aus M. grisea bilden Outgroups zu einer Clade bestehend aus C. globosum und M. grisea Teil A-Gene. Wir können auch sicher sein, dass die erhaltenen Duplikationen in M. grisea und C. globosum aufgrund der Topologie der phylogenetischen Bäume getrennte Ereignisse waren: Wenn die überlebenden Gene von demselben Duplikationsereignis abstammen, würden wir erwarten, dass im ACE1-SYN2 Baum zum Beispiel M. grisea ACE1 und SYN2 sollte jeweils eine separate monophyletische Gruppe mit einem der C. globosum Gene, aber das ist nicht zu sehen (Abbildung 2a). Stattdessen interpretieren wir die Bäume als Hinweis auf zwei Duplikationen des gesamten Clusters in einem Sordariomyceten-Vorfahren von M. grisea und C. globosum, von denen das erste nicht-Tandem und das zweite Tandem war. Nach dieser Tandemvervielfältigung wird die M. grisea Linie verlor ihr Ortholog von Cluster 2 von C. globosum, und der C. globosum Abstammungslinie verlor ihr Orthologe von Teil B von M. grisea (Figur 3). Dieses Muster des häufigen Verlustes stimmt mit der sporadischen Verteilung des Clusters in Pilzen überein.

ORF3 ist ungewöhnlich, da angenommen wird, dass sie im Vorfahren von allen vorhanden war ACE1 und ACE1-wie Cluster, aber in M. grisea es ist nicht dupliziert und zeigt eine phylogenetische Affinität zu A. clavatus anstatt zu C. globosum oder S. nodorum (Abbildung 2e). Diese Eigenschaften legen nahe, dass ein Homolog von ORF3 ging aus Teil A des verloren M. grisea Cluster, nachdem die Tandemduplikation aufgetreten ist. Darüber hinaus vermuten wir, dass der Standort von ORF3 an der Grenze zwischen den Teilen A und B kann darauf hinweisen, dass das Tandem-Duplikationsereignis sichtbar in M. grisea eine Rekombination zwischen zwei Kopien dieses Gens ein.

Genordnung und -orientierung sind bei den ACE1 Cluster, wie es für viele Gencluster des Sekundärstoffwechsels typisch ist [7, 8, 28]. Umso auffälliger ist, dass die duplizierten M. grisea Gene haben jeweils eine Kopie in Teil A und eine Kopie in Teil B. Da die Tandemverdoppelung in der M. grisea Genom ist nicht besonders neu (es ist älter als die M. grisea/C. globosum Speziation) vermuten wir, dass eine Form der Selektion auf die Genordnung im Cluster gewirkt hat, wodurch eine Vermischung der beiden Teile verhindert wurde. In diesem Zusammenhang ist bemerkenswert, dass die Rekombination im M. grisea ACE1 Cluster, da es eine geringe Häufigkeit des gezielten Genersatzes zeigt, selbst in a KU80 Nullmutantenhintergrund, bei dem die homologen Rekombinationsraten erhöht sind ([29] Collemare et al, unveröffentlichte Ergebnisse). Die Art und Weise, wie die Gene von Teil A und Teil B der ACE1 Cluster auf die Arten verteilt sind, kann darauf hindeuten, dass sie an der Biosynthese verschiedener Moleküle beteiligt sind. Alternativ können die Teile A und B des ACE1 Cluster können jeweils an der Biosynthese unabhängiger Polyketid-Vorstufen beteiligt sein, die zu einem endgültigen Komplexmolekül fusioniert werden, wie für Lovastatin beobachtet [25, 30, 31]. Die Tatsache, dass alle 15 Gene im M. grisea ACE1 Cluster werden in einem ganz bestimmten Stadium des Infektionsprozesses koexprimiert (Collemare et al, unveröffentlichte Ergebnisse) spricht für die Hypothese, dass sowohl die Gene für Teil A als auch für Teil B an demselben Biosyntheseweg beteiligt sind. Gen-Knockout-Experimente haben jedoch gezeigt, dass zwei Teil-B-Gene (RAP2 und SYN2) sind für die bisher nur vom Teil A-Gen unterstützte Avirulenzfunktion nicht essentiell ACE1 (Kollege et al, unveröffentlichte Ergebnisse). Diese letzteren Ergebnisse legen nahe, dass die Gene von Teil A und Teil B an der Biosynthese von zwei verschiedenen Molekülen beteiligt sein könnten, wobei nur eines (ACE1, Teil-A-Weg) von resistenten Reissorten erkannt wird. Diese beiden Hypothesen sind jedoch beide plausibel und warten auf die biochemische Charakterisierung des Ace1-Metaboliten.

HGT eines pilzlichen Sekundärstoffwechsel-Genclusters

Obwohl die Genomik-Ära Beweise für einen weit verbreiteten horizontalen Gentransfer zwischen Prokaryonten [32, 33] und von Prokaryonten zu Eukaryonten [17, 34–37] gefunden hat oder und umgekehrt [38, 39] sind relativ wenige Fälle von horizontalem Gentransfer von einem Eukaryoten zum anderen dokumentiert [40–42]. Unter den Pilzen ist die Übertragung eines Virulenzgens von am besten dokumentiert S. nodorum zu Pyrenophora tritici-repens, die erst vor etwa 70 Jahren auftrat [16]. In diesem Fall war das übertragene DNA-Fragment etwa 11 kb groß, enthielt jedoch nur ein Gen. In dieser Studie haben wir gezeigt, dass Teil B des ACE1 Cluster (30 kb groß, enthält 5-6 Gene) wurde wahrscheinlich horizontal von einem nahen Vorfahren von . übertragen M. grisea (ein Sordariomycet) in einen Vorfahren von A. clavatus (ein Eurotiomyet). Der Mechanismus, durch den HGT aufgetreten sein könnte, bleibt eine Frage der Spekulation, könnte aber möglicherweise eine Hyphenfusion zwischen Arten oder eine Endozytose beinhaltet haben. Unsere Schlussfolgerung von HGT ist nur gültig, wenn die Sordariomyceten- und Eurotiomyceten-Kladen monophyletisch sind, wie in Abbildung 1 gezeigt, aber ihre Monophylie wird durch mehrere molekulare und systematische Analysen gestützt [27, 43–47].

Nach unserem Wissen, unserer Studie und der jüngsten Arbeit von Patron et al [18] sind die ersten berichteten Fälle von HGT von Gruppen verknüpfter Gene, die an demselben Stoffwechselweg zwischen eukaryotischen Arten beteiligt sind. In beiden Fällen zeigen diese sekundären Metaboliten-Cluster eine punktförmige (sporadische) Verteilung unter anderen Arten, wobei ein Ahnencluster anscheinend von mehr Arten verloren gegangen ist, als sie beibehalten haben. Dieses Muster des häufigen Verlustes von Genen und ihres gelegentlichen Wiedererwerbs durch HGT ähnelt dem Muster der Evolution von Genen des „entbehrlichen Weges“ in Ascomycetenhefen [48]. Hall und Dietrich [48] stellten fest, dass Gene, deren Produkte in entbehrlichen Signalwegen funktionieren, eine der wenigen Kategorien von Genen in S. cerevisiae die physikalisch in Genclustern organisiert sind. Sie fanden heraus, dass der Weg der Biotinsynthese bei einem Hefevorfahren verloren ging und dann im S. cerevisiae Abstammung durch eine Kombination von HGT aus Bakterien und Genduplikation mit Neofunktionalisierung. Eine mögliche Erklärung für dieses seltsame Evolutionsmuster könnte sein, dass ein Zwischenprodukt des Stoffwechselwegs toxisch ist [48], obwohl es dafür keine direkten experimentellen Beweise gibt. Wenn ein Stoffwechselweg unter bestimmten Umständen einen selektiven Vorteil verleihen kann, aber auch die Produktion eines toxischen Zwischenprodukts beinhaltet, kann unter einigen Bedingungen eine starke Selektion zugunsten des Stoffwechselwegs und unter anderen eine starke Selektion dagegen erfolgen. Die Folgen einer solchen Situation könnten die Bildung physikalischer Gencluster (um die Wahrscheinlichkeit einer Codierung nur eines Teils des Signalwegs oder einer starken Unterdrückung der durch Chromatin-Remodelling vermittelten Transkription zu verringern) und gelegentliche Selektion zur Wiedererlangung der Funktion durch HGT. Die weitere Untersuchung dieser Hypothese erfordert die Entdeckung weiterer Beispiele für ähnliche Gengruppen und eine detaillierte Charakterisierung der beteiligten biochemischen Stoffwechselwege.


Abschluss

Die vorliegende Analyse hat gezeigt, dass Tryptophan-Gene im Metagenom der Sargassosee ziemlich häufig vorkommen. Alle trp Gene, die gefunden wurden, haben genügend Ähnlichkeit mit COGs, um erkannt zu werden. Dies scheint darauf hinzudeuten, aber nicht zu beweisen, dass alle von einem gemeinsamen Vorfahren stammen. Möglicherweise existieren jedoch zusätzliche Gene für die Tryptophan-Biosynthese, die wir mit den verwendeten Sonden nicht nachweisen konnten. In diesem Zusammenhang wurde berichtet [26], dass einigen Organismen tatsächlich eine erkennbare trpF in ihren Genomen, können aber ohne externes Tryptophan wachsen. Ein Gen, dessen Sequenz nicht homolog zu bekannt ist trpFs aber dessen Produkt diese Reaktion katalysiert, wurde tatsächlich in Streptomyces coelicolor A3 und Mycobacterium tuberculosis HR37Rv [26]. Dies trpF Gen ist ein Beispiel für retikuläre Evolution, da es Reaktionen sowohl im Histidin- als auch im Tryptophan-Weg katalysieren kann [27, 28]. Eine BLAST-Suche mit der Aminosäuresequenz des trpF-Gen aus Streptomyces coelicolor A3-Gen (SCO2050) gegen die Sargassosee-Metagenomdaten zeigten mehr als 500 Treffer, die als . identifiziert werden können hisA Proteine. Somit kann nur eine funktionelle Analyse dieser Umweltsequenzen beweisen, ob sie an beiden Pfaden teilnehmen können oder nicht. Die Tatsache, dass eine Gruppe von Marine trpB_1 Sequenzen sind einander ähnlich, aber ziemlich weit vom Dur entfernt trpB_1 group unterstützt die Idee, dass es sein könnte trp Gene, die von den derzeit bekannten Sequenzen nicht als solche erkannt werden.

Während trp Operone, sowohl vollständige als auch gespaltene, existieren in marinen Bakterien, viele trp Gene werden in diesem Rahmen nicht mehr gefunden. Im Gegensatz zu den meisten terrestrischen Bakterien wird die Operonstruktur nicht für die trp Gene in einigen marinen Ursprungs. In vielen Fällen gibt es Minioperons von 2 Genen (Tabelle 5) und auch ein noch häufigeres Auftreten einzelner trp Gene. Es ist natürlich eine offene Frage, ob das, was wir beobachten, das Ergebnis des Aufbrechens einer ursprünglichen Operonstruktur ist oder dass die trp Operons sind derzeit aus diesen nicht verknüpften Genen entstanden. Da die Meeresumwelt sehr anspruchsvoll und selektiv ist, ist es sicher, dass Organismen, denen eine Operonstruktur für die trp Gene haben einen evolutionären Vorteil in der Organisation der trp Gene, die sie besitzen. Es sollte erwähnt werden, dass in Escherichia coli und Salmonellen, sind etwa 50 % der Gene, die Polypeptide kodieren, die an der Aminosäuresynthese beteiligt sind, getrennt, obwohl ihre trp Gene sind es nicht. Auf der Grundlage unserer Ergebnisse, in denen Roman trp Genordnungen gefunden wurden, ist es wahrscheinlich, dass weitere Studien der trp Gene und ihre Regulation und Organisation werden viele Überraschungen in der Zukunft bereiten.


Eugene V. Koonin
vol. 39, 2005

Abstrakt

AbstractOrthologe und Paraloge sind zwei grundlegend unterschiedliche Arten von homologen Genen, die sich jeweils durch vertikale Abstammung von einem einzelnen Vorfahren-Gen und durch Duplikation entwickelt haben. Orthologie und Paralogie sind Schlüsselkonzepte der evolutionären Genomik. A . Weiterlesen

Abbildung 1: Die zeitliche Dynamik der Verwendung der Begriffe „ortholog“ und „paralog“. Die PubMed-Datenbank wurde mit der Suchmaschine Entrez mit folgenden Abfragen durchsucht: „ortholog or orthologs or or.

Abbildung 2: Ein hypothetischer phylogenetischer Baum, der orthologe und paraloge Beziehungen zwischen drei Vorfahrengenen und ihren Nachkommen in drei Arten veranschaulicht. LCA, letzter gemeinsamer Vorfahre (der.

Abbildung 3: Ein hypothetischer phylogenetischer Baum, der die Entstehung von Pseudoorthologen durch linienspezifischen Genverlust veranschaulicht.

Abbildung 4: Auswirkung des horizontalen Gentransfers auf Orthologie und Paralogie. (a) Ein hypothetisches evolutionäres Szenario mit HGT, das zur Xenologie führt. (b) Ein hypothetisches evolutionäres Szenario mit HGT an der Spitze.

Abbildung 5:Orthologie und genomspezifische Best Hits. (A) Ein evolutionäres Schema, das den Zusammenhang zwischen Orthologie und symmetrischen besten Treffern (SymBets) veranschaulicht. X und Y repräsentieren zwei paraloge Gene.

Abbildung 6: Abdeckung ausgewählter Genome mit Clustern orthologer Proteingruppen (C/KOGs). (a) Prokaryontische Genome. (b) Eukaryontische Genome. Die Daten stammen aus (88). Gefülltes Volumen, Gene in C/KOGs.

Abbildung 7: Verteilung der Anzahl von Paralogen in COGs für ausgewählte prokaryontische Genome. Die Daten wurden aus der aktuellen COG-Version (88) extrahiert. Der Plot ist im doppeltlogarithmischen Maßstab dargestellt.

Abbildung 8: Xenologe Verdrängung in situ des ruvB-Gens in den Mykoplasmen. (A) Organisation des Holliday-Junction-Resolvasom-Operons und der umgebenden Gene in Bakterien. COG0632, Ferienkreuzung.

Abbildung 9: Horizontaler Gentransfer, der zu Pseudoparalogie führt. Rot dargestellt sind die beiden pseudoparalogen Peroxiredoxine aus Aquifex aeolicus, blau die drei Pseudoparaloge aus den Thermoplasmen, a.

Abbildung 10: Umordnungen von Genstruktur und Orthologie. (a) Domänenarchitekturen von bakteriellen und archaealen DnaG-ähnlichen Primasen. (b) Unabhängige Spaltung des DNA-Polymerase-I-Gens in mehreren Bakterien.


Hintergrund

Mit der Ankunft der Bos Stier Genom-Assembly, Rindermilch- und Laktationsdaten können erstmals mit anderen Säugetiergenomen verknüpft werden, was uns zusätzliche Einblicke in die molekulare Evolution von Milch und Laktation ermöglicht. Säugetiere sind warmblütige Wirbeltiere, die ihre Jungen mit Milch ernähren, die von Brustdrüsen produziert wird. Sie traten erstmals vor etwa 166 Millionen Jahren auf, ihre Entwicklung lässt sich jedoch 310 Millionen Jahre zurückverfolgen, als Synapsiden erstmals aus Amnioten verzweigten [1]. Zwei Unterklassen von Säugetieren entwickelten sich, die Prototherianer und Therianer. Prototherien sind Monotremen, Säugetiere, die Eier legen, sind unter anderem das Schnabeltier und die Enchidnas. Theria sind Säugetiere, die lebende Junge gebären. Sie werden in die Infraklassen Metatheria oder Beuteltiere - zu denen Kängurus und Opossums gehören - und die häufigeren Eutheria oder Plazenta-Säugetiere - zu denen beispielsweise Menschen, Hunde, Mäuse, Ratten und Rinder gehören - unterteilt. Abbildung 1 zeigt den phylogenetischen Stammbaum der Säugetiere mit ungefähren Divergenzzeiten [2, 3]. Von den aufgeführten Säugetierarten liegen für das Schnabeltier (Ornithorhynchus anatinus), ein Prototherianer, das Opossum (Monodelphis domestica), ein Metatherier und eine Reihe von Plazenta-Säugetieren, einschließlich des Menschen (Homo sapiens), Ratte (Rattus norvegicus), Maus (Muskulatur), Hund (Canis Familiaris), und jetzt Rinder (Bos Stier).

Der vereinfachte phylogenetische Baum veranschaulicht die Beziehungen repräsentativer vorhandener Säugetierarten. Schätzungen in Millionen von Jahren (MYA) des Ursprungs jedes Hauptzweigs wurden von Bininda-Emonds abgeleitet et al. [2]. Die beiden frühesten Spaltungen etablierten Monotreme (166,2 MYA) und Beuteltiere und Plazenta (147,7 MYA). Ungefähr 50 Millionen Jahre vergehen, bevor noch vorhandene Gruppen entstanden sind, und dann entstanden die vier Plazenta-Überordnungen (kursive Großbuchstaben) innerhalb von 2,4 Millionen Jahren.

Es wird angenommen, dass die Fortpflanzungsstrategie, die Entwicklungsanforderungen der Jungen und die Umgebung des Mutter-Kind-Paares die Variation der Milchzusammensetzung zwischen den Arten fördern. Schnabeltier- und Opossum-Neugeborene haben ein embryonales Aussehen und sind für das Wachstum und den immunologischen Schutz während der Fetalperiode bei plazentaren Säugetieren auf Milch angewiesen [4, 5]. In contrast, placental mammals have relatively longer gestation and shorter lactation periods. These reproductive strategies directly impact milk composition as the immature monotreme and marsupial young have different needs with regard to growth, development, and adaptive immunity. Other aspects of the reproductive strategy, such as the length of the lactation period and the maternal nutritional strategy, can also impact milk composition. For example, mammals that fast or feed little during lactation produce milks low in sugar but high in fat to minimize energy and water demands while sustaining nutrient transfer to the young [6]. The data in Table 1 illustrate that even the gross macronutrient composition of milk can be highly variable among species.

Because bovine milk is a major human food and agro-economical product, comparison of bovine milk with the milk of other species in the context of the bovine genome sequence is important not only to improve our understanding of mammary evolution but also of bovine milk production and human nutrition. The importance of bovine milk consumption to humans is underscored by the domestication of cattle and the convergent evolution of lactase persistency in diverse human populations [7]. The availability of the bovine genome sequence provides unique opportunities to investigate milk and lactation. Lactation has been studied more extensively in Bos Stier than in other species, resulting in extensive milk proteome data, milk production quantitative trait loci (QTL), and over 100,000 mammary-related bovine expressed sequence tags (ESTs).

In the present study, we identified the bovine lactation genome in silico and examined its content and organization. Utilizing the genomes of the seven mammals listed above and in Table 1, we investigated gene loss and duplication, phylogeny, sequence conservation, and evolution of milk and mammary genes. Given the conspicuous absence of some known abundant proteins, such as beta-lactoglobulin and whey acidic protein, in the milk of some species [8], we hypothesized that variation in milk composition resides in part in variation in the milk protein genome. We show that gene duplication and genomic rearrangement contribute to changes in the milk protein gene complement of Bos Stier and other species. Although the casein proteins are highly divergent across mammalian milks [9, 10], we report that milk and mammary genes are more highly conserved, on average, than other genes in the bovine genome. Our findings illustrate the importance of lactation for the survival of mammalian species and suggest that we must look more deeply, perhaps into the non-coding regions of the genome that regulate milk protein gene expression, to understand the species-specificity of milk composition. Among mammals, we find milk proteins that are most divergent have nutritional and immunological functions, whereas the least divergent milk protein genes have functions that are important for the formation and secretion of mammalian milk. High conservation of milk fat globule membrane protein genes among the mammalian genomes suggests that the secretory process for milk production was firmly established more than 160 million years ago.


Dinoflagellate Genome Structure Unlike Any Other Known

Amanda Heidt
May 10, 2021

ABOVE: Species of dinoflagellate
© KAUST

A n international team of researchers has generated the most robust genome to date of the dinoflagellate Symbiodinium microadriaticum, a species involved in a life-supporting symbiosis with corals. While the updated genome confirms some of what has been suggested by previous work, an unusual relationship between DNA transcription and the shape and organization of their chromosomes reveals that dinoflagellates harbor some of the strangest genomes in the eukaryotic world, according to findings published April 29 in Naturgenetik.

Rather than the flexible, X-shaped chromosomes familiar to humans, dinoflagellates organize their genetic material in orderly blocks along rigid, rod-shaped chromosomes. Genes within blocks are consistently transcribed in one direction and rarely interact with others outside their immediate vicinity. This odd arrangement, the authors found, influences the three-dimensional structure of the entire chromosome.

“This is definitely a breakthrough within the field. We’ve been generating assemblies for these microalgae for a few years now . . . but the quality of those genomes has made them very difficult to work with,” says Raúl González-Pech, a computational biologist and postdoc at the University of South Florida who was not involved in the work. “This genome assembly is particularly good because it has incorporated new sequencing technologies to get a higher resolution, which will allow us to go deeper into analyses of different aspects of [dinoflagellate] biology and evolution.”

We normally think of genomes as something very static, but dinoflagellates have shown me that they are incredibly plastic.

Dinoflagellates are best known for their relationship to corals. In exchange for a safe home, the single-cell microalgae provide the coral with photosynthetic nutrients. When corals bleach, it’s because they’re expelling their symbionts in response to stress. But dinoflagellates as a group are diverse, with some nonsymbiotic species causing prolific red tides, while others are common parasites of crustaceans.

At least some of this diversity is tied to their strange genetic makeup. Their genomes, for one, are massive. S. microadriaticum’s genome is relatively small among dinoflaggelates, but it’s still one-third the size of the human genome. And rather than regulate gene expression only through transcription, dinoflagellates also engage in rampant gene and chromosome duplication, making genome assembly a nightmarish effort for geneticists—putting the puzzle together is more difficult when many of the pieces look identical.

Until very recently, it was also thought that dinoflagellates lacked the histones that condense and package DNA and are present in all other eukaryotes. While recent studies have found that they do in fact have histones, they likely don’t serve the same purpose. Ordinarily, histones work like spools, allowing DNA to wind and unwind to become more or less accessible to transcriptional machinery as needed. In contrast, dinoflagellate chromosomes seem to be perpetually condensed into a crystalline structure, leaving unanswered questions about how their DNA is organized and how it can be accessed for transcription.

“They don’t fit with everything else we know about eukaryotes—how they structure their chromosomes, how they structure their genomes, how they regulate transcription,” Manuel Aranda, a functional geneticist at King Abdullah University of Science and Technology in Saudi Arabia and an author of the new study.

The same day that Aranda’s paper was published, another study, led by a team of researchers from Stanford University, reported a similar analysis of the genome of the closely related dinoflagellate Breviolum minutum. Both teams relied on sequencing approaches that generate longer reads and used an analysis called Hi-C to assemble and study their genomes. Hi-C infers how often any two sequences interact with one another. In theory, the closer two loci are on a chromosome, the more likely they should be to interact, while sequences that are further away, or on different chromosomes altogether, might never interact at all. Based on these interaction frequency maps, researchers can piece together the genome and make educated guesses as to the shape and three-dimensional structure of the chromosomes.

Aranda’s Hi-C analysis concluded that S. microadriaticum has roughly 94 rigid, rod-shaped chromosomes that include more than 600 million base pairs. Gene density increased near the telomeres at the chromosomes’ tips, and some chromosomes were enriched for genes related to specific functions or pathways. This finding lends support to a longstanding idea that dinoflagellates may organize their genes like bacterial operons, clusters of related genes that are under the control of the same regulatory machinery and therefore expressed together.

The team also identified an unusual pattern within each chromosome of “alternating unidirectional blocks” of genes, the authors write in the paper. Two blocks sitting next to each other on a chromosome make up what the researchers called a domain, and genes within a domain frequently interact with one another and rarely with those in other domains. At the ends of each domain, the researchers surmised, are some sort of physical boundaries that acted as bookends, although it’s not clear what creates these boundaries. While the orientation of genes on a chromosome is usually random, in the case of the dinoflagellate, one block in the domain was consistently transcribed in one direction while the other block was transcribed in the opposite direction.

What drove the evolution of this unique pattern remains unknown, although it isn’t an entirely novel finding, says Senjie Lin, a phytoplankton ecologist at the University of Connecticut who studies dinoflagellate genomics but was not involved in the current work. Previous research using microscopy to visualize dinoflagellate chromosomes noted that these blocks often appeared as dark, evenly spaced bars. “What’s good about this paper is now you see it from the sequence perspective, whereas previously it was more the structural perspective,” Lin tells Der Wissenschaftler. The team studying the B. minutum genome noted same organizational pattern, referring to paired blocks as dinoflagellate topologically associating domains, or dinoTADs.

Something that is new, Lin and González-Pech agree, is the correlational link between gene transcription and chromosomal structure and folding found in Aranda’s study. As the two blocks in each domain untwisted during transcription, the DNA outside the boundaries remained fixed. This caused a buildup of twisting at those boundaries. Imagine pulling apart strands of yarn or embroidery thread from the middle, while holding the ends in place the sides will twist tighter as the center is unwound. Consequently, Aranda says, “you end up with these two opposing twirls within the domain that create the structure, which then creates the domain boundaries.”

When the team treated dinoflagellates with an inhibitor to block transcription, the boundaries between domains disappeared, suggesting that for dinoflagellates, transcription and chromosomal structure are intimately linked. Whatever is happening at those boundaries “must be something really important in organizing the chromosome,” Lin says, and “may be important in regulating gene expression.

The mystery of the domain boundaries is just one of many new questions researchers would like to answer using these new, high-quality genomes.

Lin previously sequenced the genome of Fugacium kawagutii, another coral symbiont that is closely related to Symbiodinium. Despite the ecological similarities between the two, when Lin used Hi-C to analyze the genome, he found only 30 chromosomes—far less than S. microadriaticum’s 94—and the chromosomes of F. kawagutii were much longer on average. The handful of dinoflagellates that have been sequenced show that massive restructuring is likely the rule, rather than the exception, says González-Pech, and as more genomes are analyzed, comparative genomics will become a valuable tool for understanding why.

“We normally think of genomes as something very static, but dinoflagellates have shown me that they are incredibly plastic, that they really represent the boundaries of that plasticity in eukaryotes,” González-Pech tells Der Wissenschaftler. “We’re already pushing boundaries here inside the family, so now we can start going for larger, more-complex dinoflagellate genomes. I think that’s coming up.”

A. Nand et al., “Genetic and spatial organization of the unusual chromosomes of the dinoflagellate Symbiodinium microadriaticum,” Nat Genet, 53:618–29, 2021.


Jeffrey Lawrence

Our research is directed toward elucidating the evolution of bacterial genomes, including their size, composition, variability and organization. Mit anderen Worten, why do genomes have the genes that they do? An understanding of the evolutionary process that leads to differences in genomes will shed light on how species themselves differentiate. We take computations, theoretical and experimental approaches to understanding how genomes evolve.

Spezies. Bacterial speciation - the process by which lineages become genetically and ecologically distinct from one another - is quite different from its eukaryotic counterpart. The differences arise from both the manner by which bacteria adapt (by gene acquisition, rather than gene modification) and the constraints on their gene exchange. Our work has supported a "fragmented" model of speciation, whereby lineages become genetically isolated on a gene-by-gene basis over a period of tens of millions of years.

Ecological adaptation. Which are the first genes to become genetically isolated in nascent species? Among the earliest diverging genes in the Salmonellen chromosome are those that encode the O-antigen biosynthetic machinery. We have been investigating the role of protozoan predation in driving this diversification. Here, different antigens allow the newly-diverging Salmonellen to escape protozoan predators in different environments.

Genomische Architektur. The fate of a newly-arrived gene is the function of two factors. Its likelhood of retention increases as it provides an increasingly beneficial function. However, its insertion may also be detrimental in interfering with genome-wide patterns fo information required to successfully manipulate the massive DNA polymer duing growth and reproduction. We study the embdedd information - here termed architecture - which differs between organisms and controls the flow of genes between taxa.

Dr. Lawrence is seeking graduate students in the 2020 or 2021 incoming classes, from either the MCDB or EE graduate programs, with interests in computation biology and genome evolution.


Schau das Video: An Introduction to the Human Genome. HMX Genetics (Kann 2022).


Bemerkungen:

  1. Charybdis

    Ich denke, dass Sie einen Fehler begehen.

  2. Turn

    Ich glaube, dass Sie einen Fehler machen. Ich kann es beweisen. Senden Sie mir eine E -Mail an PM.

  3. Elne

    Woher bekomme ich meinen Adel?

  4. Tamirat

    Die Leute sagen in solchen Fällen - Ahal wäre Onkel, der sich ansieht.



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