VM Genetik der Pflanzen 1_Gene und Genome_WS 2024 PDF

Vertiefungsmodul Genetik der Pflanzen Wintersemester 2024/2025 Daniel Schubert Epigenetik der Pflanzen  Literaturhinweise Introduction to Genetic Analysis Griffiths, Wessler, Carroll, Doebely (Herausgeber) W.H. Freeman / Palgrave Ma...

Vertiefungsmodul Genetik der Pflanzen Wintersemester 2024/2025 Daniel Schubert Epigenetik der Pflanzen  Literaturhinweise Introduction to Genetic Analysis Griffiths, Wessler, Carroll, Doebely (Herausgeber) W.H. Freeman / Palgrave Macmillan Essential Genes B. Lewin, Pearson Prentice Hall Molecular Biology of the Gene Watson, Baker, Bell, Gann, Levine, Losick; Pearson/Cummings/ColdSpring Harbor Press Molekularbiologie – Das molekulare Grundwissen der Biologie Watson, Baker, Bell, Gann (Herausgeber), Pearson Studium Molecular Biology. Das Original mit Übersetzungshilfen David P. Clark (Herausgeber), Spektrum Akademischer Verlag Molekularbiologie der Zelle Alberts, Johnson, Lewis, Raff, Roberts, Walter; Wiley-VCH Verlag GmbH  Literaturhinweise - Webseiten www.transgen.de www.pflanzenforschung.de https://www.mpg.de/11773204/forschung-gesellschaft  Gene und Genome Die räumliche Organisation von Genomen (zur Wiederholung …) 1. Welche Kompartimente enthalten DNA? 2. Woraus besteht ein Genom – vom Molekül zur strukturellen Organisation? 3. Wie unterscheiden sich prokaryontische und eukaryontische Genome? Abb. modifiziert aus: Informationsserie "Biotechnologie/Gentechnik", Fonds der Chemischen Industrie Vorkommen von DNA in verschiedenen Zelltypen Struktur und Organisation des Erbmaterials Abb. modifiziert aus: "Introduction to Genetic Analysis", Griffiths et al. Adenin Cytosin Grundbausteine der DNA: die vier Nukleobasen (Basen) Thymin Guanin BM Genetik & Zellbiologie – VL3 – Daniel Schubert - F6  5-Methyl-Cytosin – die 5. Base BM Genetik & Zellbiologie – VL3 – Daniel Schubert - F7 CH3 5-Methylcytosin Etwa 4 % aller humanen Cytosine sind methyliert  Gene und Genome BM Genetik & Zellbiologie – VL3 – Daniel Schubert - F8 Die räumliche Organisation von Genomen (zur Wiederholung …) 1. Welche Kompartimente enthalten DNA? 2. Woraus besteht ein Genom – vom Molekül zur strukturellen Organisation (1D  3D)? 3. Wie unterscheiden sich prokaryontische und eukaryontische Genome?  Gene und Genome BM Genetik & Zellbiologie – VL3 – Daniel Schubert - F9 Woraus besteht ein Genom? Was ist ein Allel?  Gene und Genome BM Genetik & Zellbiologie – VL3 – Daniel Schubert - F10 - Intergenische Bereiche (Enhancer, nicht kodierende Bereiche) - Telomere - Repetitive Elemente - Nukleolus organisierende Region (NOR) - Centromer Was ist ein Allel?  Struktur und Organisation des Erbmaterials DNA ist in der Zelle immer mit Proteinen assoziiert. Diese Nucleoproteinkomplexe heissen Chromosomen. Das Kerngenom der Eukaryonten besteht i.d.R. aus mehreren linearen Chromosomen. Die plastidären und mitochondrialen Genome sind zirkulär. Prokaryonten haben meist ein zirkuläres Chromosom. Die Verpackung der DNA in Chromosomen dient vielfältigen Zwecken: Verdichtung der DNA zu kompakten Einheiten Schutz der DNA vor Schädigung korrekte Verteilung der DNA bei der Zellteilung an die Tochterzellen Mechanismen zur (In)Aktivierung der DNA; Regulation der Genaktivität  Struktur und Organisation des Erbmaterials BM Genetik & Zellbiologie – VL3 – Daniel Schubert - F12 das haploide Genom des Menschen umfasst ca. 3 x 10 9 bp (Basenpaare) in der Doppelhelix ist ein Basenpaar ca. 0,324 nm "lang" die DNA des Menschen ist ca. 1 m lang (bzw. 2 x 1 m in einer diploiden Zelle) Der Durchmesser einer typischen menschlichen Zelle ist 10 - 15 µm, der des Zellkerns 5 – 6 µm. die DNA muss in Zellen extrem stark verdichtet werden! = 6 µm  Der Kern der Nucleosomen ist ein Histon-Oktamer Der Kern der Nucleosomen besteht aus einem Proteinoktamer, das aus vier verschiedenen Histonen (H2A, H2B, H4, H4) zusammengesetzt ist Die N-Termini der Histonproteine ragen aus dem Nucleosom heraus, sie spielen bei der epigenetischen Regulation eine wichtige Rolle.  Verdichtung der DNA/Nucleosomen-Kette durch Histon H1 Die Nucleosomen-Kette aus Histonkern und DNA bildet den 10 nm-Faden, durch Anlagerung eines weiteren Histons, Histon H1, wird die Verdichtung zur 30 nm-Faser bewirkt: 10 nm H1 Abb. modifiziert aus: "Molecular Biology of the Gene", Watson et al. 30 nm  Die 30 nm Fasern (Solenoide) sind an einer Matrix verknüpft Im Elektronenmikroskop erkennt man eine Matrix (Scaffold), an der einzelne Schlaufen der 30 nm- Fasern angeheftet sind die biochemische Natur des Scaffolds ist noch nicht im Detail bekannt Abb. modifiziert aus: "Molecular Biology of the Gene", Watson et al. Abb. modifiziert aus: "Introduction to Genetic Analysis", Griffiths et al. Verdichtung des Chromatins und chromosomale Territorien H1 Detection of chromosomes by fluorescent in situ hybridisation (FISH). (chicken; Gallus Gallus domesticus) Überblick über die Verdichtung Chromosomale Territorien im Zellkern  Organisation der DNA im Zellkern - Assoziation mit dem Nukleolus - Assoziation mit der Kernmembran und Kernporen - Assoziation mit nukleären “Speckles/Bodies”, “Transcription Factories” etc.  Heterochromatin und Euchromatin Euchromatin: mit Feulgen-Reagenz schwach färbbare Bereiche = aufgelockerte DNA; enthält die meisten aktiven Gene Heterochromatin: intensiv färbbare Chromosomenabschnitte = stärker kondensierte DNA; wenige aktive Gene Eine distinkte chromosomale Region ist NOR: Nucleolus Organizing Region Abb. modifiziert aus: "Introduction to Genetic Analysis", Griffiths et al. Chromosom 2 der Tomate  Gene und Genome Die Größe von Genomen  Wieviel DNA braucht ein Organismus? Genomgrößen und Zahl der Gene: Genomgröße (bp) Gene Gendichte (Plasmid) 3 x 103 2 1 pro 1,5 kb (Virus) 0,1 x 106 60 1 pro 1,7 kb Escherichia coli 4,7 x 106 3200 1 pro 1,5 kb Hefe 12 x 106 6300 1 pro 1,9 kb Caenorhabditis elegans 97 x 106 19.100 1 pro 5,1 kb Arabidopsis thaliana 125 x 106 ~26.000 1 pro 4,8 kb Drosophila melanogaster 180 x 106 ~13.600 1 pro 14 kb Ratte 2.750 x 106 ~21.000 1 pro 100 kb Mensch 2.900 x 106 ~21.000 1 pro 100 kb einige Lilien 100.000 x 106 ~26.000 1 pro 3.900 kb  Wieviel DNA braucht ein Organismus? Genomgrößen einiger Organismen:  Wieviel DNA braucht ein Organismus? Genomgrößen einiger Organismen: C-Wert Paradox: Bei höheren Eukaryonten gibt es keine Korrelation zwischen der Komplexität des Organismus, der Zahl seiner Gene und der Größe seines Genoms!  Große Genome enthalten viel "repetitive DNA" Die proteinkodierenden Gene aller Organismen liegen als einzelne oder wenige Kopien vor („single copy Gene“ und Genfamilien). Einige Genfamilien, für deren Produkte regelmäßig ein hoher Bedarf besteht, kommen als mittelrepetitive Sequenzen vor (>100 Kopien); z.B. Histongene, rRNA-Gene. Zusätzlich kommen zwischen den Genen DNA-Sequenzen in mittlerer bis sehr hoher Kopienzahl vor (bis >hunderttausend Kopien), die nicht für Proteine kodieren („hochrepetitive DNA") – insbesondere im Heterochromatin. Repetitive DNA hat häufig überhaupt keine oder zumindest keine essentielle Funktion für den Organismus; neuere Ergebnisse zeigen aber, dass große Abschnitte dieser DNA auch transkribiert werden  Gene und Genome Eine kurze Einführung in die Genomforschung (Genomik)  Genomik Der Begriff „Genomik“ beschreibt die Untersuchung des gesamten Genoms eines Organismus, in erster Linie anhand der DNA Sequenz. Genomweite Analysen beinhalten auch die Untersuchung aller Transkripte (Transcriptomics), Proteine (Proteomics), ihre Interaktionen (Interaktom) und ihrer Funktionen (Funktionelle Genomik). Hochdurchsatztechnologien sind für genomweite Analysen essentiell: - Analyse der Genomsequenz – Next Generation Sequencing (NGS). - Genomweite Analyse der Transkriptabundanz von Genen (Microarrays, RNA- Seq). - Genomweite Analyse von Protein-DNA Interaktion (ChIP-Seq). 40 Jahre DNA-Sequenzierung (1977-2017) Green, Rubin, Olson: The future of DNA sequencing. Nature 550, 179-181 (2017). Genomprojekte, die weltweit durchgeführt werden, können z.B. auf der Website des National Center for Biotechnology Information (NCBI) verfolgt werden: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/sites/genome Zunahme der generierten Sequenzen Welche Sequenzierungstechnologien kennen Sie? Informationen aus der Genomforschung? Informationen aus der Genomforschung Die detaillierte Größe und Struktur des Genoms, zum Beispiel der Verteilung der Gene auf den Chromosomen. Einblick in die Entwicklungsgeschichte von Genomen, zum Beispiel die Entdeckung früherer Genomduplikationen. Vergleich der Genome verwandter Spezies: Regionen mit Kolinearität (Syntänie) und Entdeckung von spezies-spezifischen Genen. Analyse des Informationsgehalts eines Genoms, zum Beispiel Informationen über Art und Anzahl der proteinkodierenden Gene. Informationen über die genetische Variabilität innerhalb einer Spezies. Entwicklung molekularer Marker für die Kartierung von Genen und Merkmalen. „Genome“ von bestimmten Zelltypen, besonders von verschiedenen Krebsarten – Cancer Genomes Epigenomik: u.a. DNA Methylierung und Histon Modifikationen  Sequenzierte Pflanzen- und Algengenome https://jgi.doe.gov/data-and-tools/data-systems/phytozome/ Derzeit ist zumindest die Rohfassung der genomischen Sequenz von >100 Pflanzenspezies verfügbar, die meisten sind Nutzpflanzen. Das erste sequenzierte Pflanzengenom war das von Arabidopsis thaliana im Jahr 2000. Arabidopsis thaliana – Modellpflanze der Genetik und Genomforschung Erste komplett sequenziertes Pflanzengenom Genomgröße ca. 125.000.000 Bp ca. 27.000 Gene Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) Blüte Frucht mit Samen Blütenblatt Stempel Pollen Staubblatt Kelchblatt © info.nthrys.org Stängelblatt Internodium Rosette Wurzel © delta-intkey.com Vorteile der Modellpflanze Arabidosis thaliana für den Experimentator Vorteile der Modellpflanze Arabidosis thaliana für den Experimentator Kleines Genom mit wenig repetitiven Sequenzen Genomische Sequenz bekannt Große Sammlungen von Mutanten incl. Knockout-Mutanten (T-DNA- Insertionsmutanten) Hohe natürliche Variabilität bei Ökotypen (Akzessionen) Einfach genetisch transformierbar Hohe Anzahl von Nachkommen Kurze Generationszeit Geringer Platzbedarf Kultur von Arabidopsis The Arabidopsis Genome Initiative, Nature, 408, 796-815 (2000)  Ein Blick in die Geschichte des Arabidopsisgenoms Mb, Megabasen Genomstruktur: Duplizierte und daher miteinander verwandte (sequenzähnliche) chromosomale Abschnitte auf den fünf Chromosomen von Arabidopsis sind durch farblich markierte Balken verbunden und bieten Aufschluß über die Evolution des Genoms. Genomanalyse von Arabidopsis thaliana: statistische Daten Genomgröße ca. 125 Mbp, Anzahl Gene ca. 27.000 (1 Gen/4.5 kbp) Durchschnittliche Gengröße: 1900 bp; 79% der Gene haben mindestens ein Intron Ca. 60% der Gene gehören einer Genfamilie an und ca. 60% des Genoms besteht aus duplizierten Regionen 14% des Genoms besteht aus repetitiven Sequenzen, überwiegend Transposons Unterschiede der Gensequenz zwischen Akzessionen (Ökotypen) ca. 1 Single Nucleotide Polymorphism (SNP) / 3.3 kbp ca. 1 Insertion oder Deletion (InDel) / 6 kbp 70% der Gene hat eine aus der Sequenz abgeleitete mögliche Funktion, d.h. >7000 Gene haben keine bekannte mögliche Funktion Ca. 8000 Gene haben keine verwandten Sequenzen in Nicht-Pflanzenspezies, sind also pflanzenspezifisch Einige Genfamilien fehlen in Pflanzen, z.B. Tyrosinkinasen und Steroidhormon- rezeptoren Große Genfamilien sind der der Regulation der Transkription, der Regulation des Proteinabbaus und der Zellwandsynthese zuzuordnen  Arabidopsis Ökotypen (Akzessionen) unterscheiden sich im Phänotyp und im Genotyp (DNA-Sequenz) >1000 Ökotypen von Arabidopsis wurden beschrieben. Genetische Unterschiede wurden aufgrund ihrer geographischen Isolation fixiert. Ökotypen sind also eine Quelle genetischer Variabilität. http://www.arabidopsis.org/images/geo_distribution.png  Arabidopsis Ökotypen (Akzessionen) unterscheiden sich im Phänotyp und im Genotyp (DNA-Sequenz) >1000 Ökotypen von Arabidopsis wurden beschrieben. Genetische Unterschiede wurden aufgrund ihrer geographischen Isolation fixiert. Ökotypen sind also eine Quelle genetischer Variabilität. http://www.arabidopsis.org/images/geo_distribution.png  Vergleiche verschiedener Genome: homologe, orthologe, paraloge, homöologe Gene Orthologe Gene: homologe Gene, die durch Speziation hervorgegangen sind (aber einen gemeinsamen Ursprung haben) Paraloge Gene: homologe Gene, die durch Duplikation im Genom entstanden sind Homöologe Gene: homologe Gene, die durch Polyploidisierung entstanden sind (auf den unterschiedlichen Genomen)  Auto- vs. Allopolyloidisierung  Gene und Genome Die Genome von Nutzpflanzen Genomanalyse der monokotylen Pflanze Reis (Oryza sativa L.) Genomanalyse von Reis (Oryza sativa L.): statistische Daten Genomgröße ca. 389 Mbp Große Abschnitte des Genoms wurden dupliziert ca. 35% des Genoms besteht aus Transposon-DNA Geschätzte Genzahl ca. 37.500; Gendichte 1 Gen / 9.9 kb ca. 2900 Gene haben kein Arabidopsis-Homolog und gelten daher als spezifisch für monokotyle Pflanzen 0.4% des Genoms enthält Organellen-DNA von einem Gentransfer aus jüngerer Zeit ca. alle 200 bp ist ein SNP zu finden Es gibt einen hohen Grad Syntänie mit anderen monokotylen Pflanzen, aber nicht mit dikotylen Pflanzen  Viele Nutzpflanzen sind allo- oder autopolyploid Allopolyploide Pflanzen enthalten zwei Chromosomensätze (AABB) aus verschiedenen, nah verwandten Arten (AA und BB), die miteinander gekreuzt wurden. Beispiele sind Raps, Tabak und Weizen. Bei autopolyploiden Pflanzen (AAAA) wurde der arteigene Chromosomensatz verdoppelt. Autopolyploidie kann durch Colchicin (Inhibitor der Kernspindel bei der Mitose) induziert werden, dies verursacht meist ein Vergrößerung des Zellvolumens. Homologe Chromosomen polyploider Pflanzen können in der Meiose korrekt miteinander paaren. Bei homöologen Chromosomen sind die Sequenzunterschiede für eine Paarung zu groß.  Di- und polyploide Brassica-Spezies Diploide Ausgangsarten: AA – 2n=2x=20 – Brassica rapa – Chinakohl BB – 2n=2x=16 – Brassica nigra – Schwarzer Senf CC – 2n=2x=18 – Brassica oleracea – versch. Kohl- arten (z.B. Blumenkohl, Kohlrabi, Rotkohl, Rosenkohl, usw.) Daraus entstandene allopolyploide Arten: AABB – 2n=4x=36 – Brassica juncea – Indischer Senf AACC – 2n=4x=38 – Brassica napus – Raps BBCC – 2n=4x=34 – Brassica carinata – Äthiopischer Senf Das Dreieck von U Genomgöße von Brassica napus: 1200 Mbp, ca. 80.000 Gene. Sequenzähnlichkeit mit Arabidopsis: ca. 80-85% in der kodierenden Region.  Züchtungsgeschichte des Weizens (Triticum aestivum) Diploide Ausgangsarten vor ca. 11.000 Jahren (AA und BB; 2 n = 14) Sterile Nachkommen AB (vegetative Fortpflanzung) Entstehung des Emmer durch spontane Verdopplung der Chromosomen (AA BB) Hybridisierung des Emmer (AA BB) mit T. tauschii (DD) zum hexaploiden modernen Weizen (AA BB DD; 6 x 7 = 42 Chromosomen) Weizen gehört neben Mais und Reis zu den wichtigsten Nutzpflanzen. Das Genom ist ca. 17 GBp groß (sechsmal so groß wie das des Menschen) und enthält sehr viel repetitive DNA. Die Zuordnung der Sequenzen zum A, B und D Genom ist wegen der Sequenzähnlichkeit schwierig. Eine erste Fassung der Genomsequenz wurde 2014 in Science publiziert. Eine Website des BMBF informiert über aktuelle Ergebnisse der Pflanzenforschung http://www.pflanzenforschung.de/de/startseite/ Weitere Fragen der Genomforschung Die vergleichende Analyse von Pflanzengenomen wird dabei helfen, eine Reihe wichtiger Fragen der Pflanzenevolution zu beantworten, z.B. hinsichtlich der funktionellen Änderungen und Anpassungen während der Evolution. Welche Änderungen geschahen als Pflanzen multizelluläre Organismen wurden? Welche Änderungen begleiteten den Wechsel von Pflanzen aus dem wässrigen Milieu aufs Land? Wurden existierende genetische Programme angepasst, um Blüten und Vaskulargewebe zu bilden? Oder wurden neue Programme entwickelt? Was war die Rolle der häufig aufgetretenen wiederholten Genomduplikation in verschiedenen Arten? Hat dies die massive Zunahme neuer Formen und Funktionen erst ermöglicht? Welche Änderungen erfolgten bei der Domestikation von Nutzpflanzen? Kann der vorhandene Genpool besser kombiniert werden für bessere Eigenschaften von Nutzpflanzen? …