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Specie Dimensione Genoma (Mb) N. Geni approx Refer. Arabidopsis thaliana 125 25.500 (2000) Caenorhabditis elegans 97 19.000 (1998) Drosophila melanogaster.

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1 Specie Dimensione Genoma (Mb) N. Geni approx Refer. Arabidopsis thaliana (2000) Caenorhabditis elegans (1998) Drosophila melanogaster (2000) Homo sapiens / (2001) S. Cerevisiae 12, (1996) Escherichia coli 4, (1987) M.tubercolosis 4, (1998) Archaeoglobus fulgidus 2, (1997) Methanococcus jannaschii 1, (1996)

2 densità genica match ESTs densità trasposoni

3 The Arabidopsis genome I II III IV V 60% genoma duplicato 60% genoma in forma 2X e non 3X Segmenti duplicati in orientamento diretto o invertito Centromeri in nero

4 Dimensione DNA 1dominio TM 35.7% 32.8% 30.9% 36.7% 33.0% Proteoma Con signal peptide Pathway secrez. 17.5% 15.7% 15.7% 16.5% 16.4% Cloroplasto 9.2% 7.2% 8.1% 7.8% 8.1% Mitocondrio 1.7% 1.2% 1.2% 1.5% 1.1% Cromosomi N. geni Dimens.media geni Geni con EST 60.8% 56.9% 59.8% 61.4% 61.4% Esoni/gene Taglia Esoni 247bp Taglia Introni 168bp

5 Caratteristiche dei 3 genomi di Arabidopsis nucleo/citoplasma plastidio mitocondrio Taglia125Mb 154Kb 367Kb n.genoma/cellula Duplicaz.genica 60% 17% 10% n.geni x prot ordine genico variabile conservato variabile Densità(Kb/gene) Lung.genica media Trasposoni 14% 0% 4%

6 2000: The genome has ben sequenced, The papers published, The champagne polished off, Now WHAT??? 1996: Consorzio Internazionale (AGI:Arabidopsis Genome Initiative) x il sequenziamento di Arabidopsis Functional GenOMICS

7 Arabidopsis Functional GenOMICS Transcriptomics: analisi dei profili despressione, regolazione trascrizionale ORFeomics: analisi di cDNA, regolazione post-trascrizionale Proteomics: analisi dei profili proteici, 2° messaggeri, regolazione post- traduzionale Metabolomics: analisi dei metaboliti secondari

8 Transcription Cellular biogenesis Ionic homeostasis Cell death, ageing Cell rescue Cell growth, division DNA synth. Protein destination Protein synthesis Energy Intracellular transport Signal transduction Transport facilitation Metabolism Unclassified 30% Functional Genomics

9 S.cerevisiae A..thaliana C.elegans Drosophila H.sapiens Processi cellulari Metabolismo Replicaz.DNA/Modif. Trascrizione/Traduzione Segnali intracellulari Comunicazione cell-cell Folding proteine Degradazione Trasporto Proteine multifunzion. Citoschel./struttur. Difesà e Immunità Funzioni miscellanee Categorie geniche x funzione Numero di geni

10 Cellular biogenesis Ionic homeostasis Cell death, ageing Cell rescue Cell growth, division DNA synth. Protein destination Energy Intracellular transport Signal transduction Transport facilitation Metabolism Unclassified 30% not yet clear-cut Transcription Solo 8/23% TFs hanno geni correlati in yeast-human Evoluzione indipendente dei TFs? In Arabidopsis 2-3X TFs rispetto a Drosophila, C. elegans Protein synthesis 48/60&% dei geni coinvolti nella sintesi proteica sono conservati rispetto agli altri genomi eucariotici, sottolineando funzioni geniche altamente conservate %proteine A.t. di una classe con BlastP+

11 Multinational Arabidopsis Steering Committee MASC Programma di 10 anni, iniziato nel 2001 Gli obiettivi:. Determinare la funzione di ogni gene di Arabidopsis. Ottenere una comprensione chiara e dettagliata dei processi molecolari che regolano lo sviluppo di Arabidopsis le conoscenze ottenute su questo organismo modello serviranno come riferimento per lo studio di altre piante

12 Il programma presenta obiettivi a corto-medio e lungo termine Di quelli short-term molti sono già stati realizzati: Le annotazioni sul genoma sono incredibilmente aumentate attraverso luso di informazioni sulle sequenze espresse Un ampio repertorio di mutanti sequenziati è stato creato ed è largamente utilizzato per la determinazione della funzione genica Collezioni largamente rappresentative di sonde gene-specifiche sono state create e sono utilizzate per analisi despressione Sequenze full-size di cDNA sono state definite per più del 60% di tutti i geni di Arabidopsis Metodi per studi di metabolomica sono stati stabiliti Le banche dati sono state largamente ampliate

13 Dei geni annotati, sono rappresentati da un full-size cDNA, e per ( ~80% ) è stata studiata lespressione. Le risorse per studi di genomica funzionale sono aumentate: le database per mutanti inserzionali attualmente coprono inserzioni per geni ( ~85% dei geni) che probabilmente corrispondono ad alleli KO per il 70% dei geni.

14 MASC 2004: update sulle funzioni geniche Categorie: Per geni che codificano una proteina attività della proteina/funzione molecolare Struttura terziaria Dati di modificazioni post-traduzionali Profilo di espressione proteico a livello cellulare/tissutale Localizzazione subcellulare Dati di interazione proteina/proteina Fenotipi di KO o alleli loss of function Processi biologici

15 Per geni che NON codificano una proteina attività dellRNA/prodotto genico Profilo di espressione genico a livello cellulare/tissutale Struttura dellRNA/prodotto genico Localizzazione subcellulare dellRNA/ prodotto genico Fenotipi di KO o alleli perdita di funzione (loss of function) Dati di interazione Il Gold Standard della caratterizzazione funzionale di un gene è raggiunto quando si hanno infos su tutti questi punti………….

16 Geni Identificati da dati Affy Geni identificati da MPSS o SAGE Geni con ESTs Geni con cDNA Full-length Espressione Dati despressione disponibili per circa l80% di tutti i geni

17 ORFs Geni con cloni ORFs già noti Geni con cloni ORFs identificati

18 Funzione Fenotipo mutante Interazione genetica Assay diretto Interazione fisica Funzione dedotta da:………. Community Input di classe 3,2, & 1

19 Geni di cui: No omologie di sequenza No espressione dellORF No isolamento cDNA Solo predizione We dont know anything about it

20 Il ruolo di Arabidopsis nel portare innovazione nella biologia vegetale applicata, non va sottovalutato Diversi geni di Arabidopsis, infatti, sono stati caratterizzati funzionalmente e ne è stata poi dimostrata conservazione funzionale in piante da raccolto mediante espressione eterologa Testare geni di Arabidopsis in piante da raccolto…….. Gigantea (GI): coinvolto nel controllo del flowering mediante il fotoperiodo e nel controllo del ciclo circadiano. La fioritura precoce è un problema per il radish: espressione dellantisenso di GI di Arabidopsis riduce i livelli di GI endogeno, causando un ritardo di fioritura.

21 · C-repeat/dehidration response element Binding Factor (CBF1): Fattore di trascrizione di Arabidopsis che conferisce tolleranza al freddo e allo stress ossidativo. Il pomodoro è una pianta molto sensibile al freddo, viene resa resistente a questo stress mediante espressione eterologa di CBF1.

22 è Lo studio genetico del fotoperiodo nella pianta modello Arabidopsis fornisce una conoscenza fondamentale anche per le possibili applicazioni su piante da raccolto La luce del giorno è un importante input ambientale per segnalare le condizioni favorevoli per la fioritura: in Arabidopsis la fioritura è indotta da SD in riso la fioritura è indotta da LD La chiave di volta di ciò è l attivit à del FT CONSTANS Il valore adattativo del controllo del tempo di fioritura rivela un tratto importante da un punto di vista agronomico La possibilit à di modificare il tempo di fioritura è la caratteristica pi ù importante che regola la distribuzione geografica delle piante da raccolto Transfer di conoscenze da Arabidopsis a piante da raccolto……..

23 Zea mays Il genoma di mais è molto diverso da quello del suo antenato teosinte, e quindi è un interessante modello di evoluzione. 3 linee di ricerca indipendenti cercano di far luce sulle basi molecolari di questa spettacolare trasformazione: Ê determinando la struttura del genoma di mais Ë chiarendo il ruolo dei trasposoni nellevoluzione di questo genoma Ì investigando sulle basi molecolari delle differenze morfologiche fra mais e teosinte

24 Finanziata nel 98 Identificazione dei geni di mais usando due approcci complementari: ESTs Sequencing le FS delle inserzioni del trasposone Mutator GOALS: Obiettivo finale: Sequencing di segmenti di DNA genomico da inserzioni Mu Se il mais ha geni probabilità 95% di sequenza ogni gene 1X< Maize Genetics and Genomics Database

25 Oryza sativa Pianta modello per i cereali Di alto interesse agronomico IRGSP: International Rice Genome Sequencing Project Consorzio di laboratori di: Asia, Europa, Nord e Sud America Genoma completamente sequenziato nel 2002 Comparazione strutturale e funzionale con il genoma di mais

26 The Golden Rice Project Negli anni 90 finanziato dalla Fondazione Rockefeller (Rockefeller Biotechnology Program) un progetto per ingegnerizzare il pathway della provitamina-A nell endosperma di riso. Il progetto fu giudicato a bassa probabilità di successo ma meritevole in quanto potenzialmente di grande utilità Il progetto è stato svolto e realizzato COMPLETAMENTE in strutture Accademiche: I. Potrykus, Inst. of Plant Sciences, Swiss Fed.Inst.of Technology, ETH- Zurich,Switz. P. Beyer, University of Freiburg, Germany This rice could save a million kids a year


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