PROF. ING. EDWARD TRIFONOV, PH.D.

Projekt: CHROMPLANT - Rostlinný chromatin, struktura a funkce s rozlišením na jednu bázi

Školitel: prof.RNDr.Jiří Fajkus, CSc.

Hostitelská instituceÚstav experimentální biologie, Přírodovědecká fakulta MU

Země původu: Izrael

Délka projektu: 15 měsíců

Panel: Life sciences

Abstrakt:

Současný rozvoj velkokapacitního sekvenování a sekvenčních analýz umožňují stále detailnější studium chromatinu. Konkrétně první počítačový program, který umožňuje na sekvencích DNA mapovat nukleozomy s rozlišením jedné báze, byl vyvinut v Genome Diversity Center, Haifa University. To otvírá jedinečnou možnost studovat trojrozměrnou strukturu a funkci chromatinu. Znalost přesných poloh nukleozomů na sekvenci skutečně umožňuje vypočítat délky linkerů mezi nimi, jejich vzájemnou orientaci, a tudíž lokální architekturu chromatinu. To je zvlášť důležité u chromatinu obsahujícího promotory, telomery, centromery, počátky replikace atd. Tento projekt je specificky zaměřen na studium rostlinného chromatinu. Nejprve bude kvůli počítačovému vytvoření matrice ohebnosti rostlinné DNA sestavena rozsáhlá databáze experimentálně zjištěných sekvencí nukleozomů v laboratoři Jiřího Fajkuse (Masarykova Univerzita), s nímž máme dlouholetou vědeckou spolupráci. Následně bude vyvinuta procedura mapování nukleozomů, podobná programu používanému v současnosti, která bude k dispozici přes veřejně dostupný server. Prostorová rekonstrukce zkoumaných chromatinových úseků na základě přesných nukleozomových map bude provedena původním programem vyvíjeným v Genome Diversity Center. Standardní architektonické prvky rostlinného chromatinu budou poprvé odhaleny s vysokým rozlišením srovnatelným s rentgenovou krystalografií. Sekvenčně determinovaná rekonstrukce prostorové struktury chromatinu bude však možná pro každý úsek přirozeného chromatinu, což nelze provést pomocí krystalografie. Znalost architektury chromatinu promotorů umožní zdůvodnit interakce promotorů s transkripčními faktory, zjistit jejich prostorové rozložení v okolí promotorů a detaily regulace genové exprese.

 

Dosavadní průběh projektu:

Jedním z hlavních cílů projektu je odvodit sekvenční vzory pro polohu nukleozomů (na základě ohebnosti DNA) pro různé genomy obecného významu, včetně rostlinných genomů. Během prvního roku projektu bylo dosaženo významného pokroku jak v dosažených výsledcích, tak i v technikách odvození sekvenčních vzorů u různých druhů na základě celogenomových analýz. Rekonstruovali jsme sekvenční vzory ohýbatelnosti pro 13 úplných genomů novým přístupem, který nebyl nikdy dříve použit v bioinformatických studiích – extenzí trinukleotidů o nejvyšší frekvenci (Shannonova metoda N‐gramů). Konsensus rekonstruovaných obrazů byl odvozen jako: CRAAAATTTTYG, a v binární formě: YRRRRRYYYYYR.

Tabulka 1 shrnuje výsledky studia během prvního roku projektu.

Poloha nukleozomů (sekvenční vzory odvozené různým způsobem z různých sekvencí) 

Pattern                                     technique/sequences                                       reference


CC GGRAA TTYCC GG             theoretical, bendability                                          [1]
C GGAAA TTTCC G                  reconstruction from partial signal                          [11]
                                               C.elegans, nucleosome database.
C AAAAA TTTTT G                   Shannon N-gram extension, AT-based,                   [5]
                                               13 genomes, incl. A.thaliana
C GAAAA TTTTT R                  Same, CG-based
T AAAAA TTTTT A                   Shannon extension, isochores L1, L2,                    [8]
                                               human, mouse, chicken genomes.
C AGAAA TTTCT G                   Same, isochores H1
Y RGGGR YCCCY R                 Same, isochores H2
Y RGGGG CCCCY R                Same, isochores H3
C GGGGG CCCCC G                Same, isochores H4
T AAAAA TTTTT A                   signal reconstruction, human L1                            [13]
C AGGGG CCCCT G                same, human H3

General consensus:
Y RRRRR YYYYY R

Výsledky uvedené výše jasně ukazují univerzálnost vzoru Y RRRRRYYYYY R, a potvrzují nám, že budoucí databáze nukleozomů A. thaliana vytvoří stejný vzor, jaký byl získán celogenomovými analýzami. Tyto údaje rovněž ukazují vůbec poprvé, že sekvenční obraz polohy nukleozomů je podstatně odlišný v různých izochorách.