ГОМЕОБОКС-СОДЕРЖАЩИЕ ГЕНЫ В ИЗУЧЕНИИ ПРОЦЕССА РАЗВИТИЯ СОСНЫ ОБЫКНОВЕННОЙ PlNUS SYLVESTRIS
|
Введение 4
1 Обзор литературы 7
1.1 Актуальность исследования 7
1.2 Гомеобокс-содержащие гены 8
1.3 Гомеобокс-содержащие гены растений 9
1.4 Классификация гомеобокс-содержащих генов растений ... 10
1.5 Изучение гомеобокс-содержащих генов растений 10
1.6 Биоинформатический анализ 12
1.6.1 Анализ данных РНК секвенирования 12
1.6.2 Данные РНК секвенирования 13
1.6.3 Сборка транскриптома de novo 13
1.6.4 Дифференциальная экспрессия генов 14
2 Материалы и методы 17
2.1 Предобработка данных и de novoсборка транскриптома P.sylvestris 17
2.2 Оценка полноты сборки транскриптома 19
2.3 Отбор гомеобокс-содержащих транскриптов 19
2.4 Анализ дифференциальной экспрессии генов и построение
тепловой карты 20
2.5 Аннотация дифференциально экспрессирующихся транскриптов 22
3 Результаты и обсуждение 23
3.1 Сборка транскриптома и оценка качества 23
3.2 Классификация гомеобокс-содержащих транскриптов 23
3.3 Дифференциальная экспрессия гомеобокс-содержащих генов
в различных тканях Pinus sylvestris 25
Список использованных источников 35
1 Обзор литературы 7
1.1 Актуальность исследования 7
1.2 Гомеобокс-содержащие гены 8
1.3 Гомеобокс-содержащие гены растений 9
1.4 Классификация гомеобокс-содержащих генов растений ... 10
1.5 Изучение гомеобокс-содержащих генов растений 10
1.6 Биоинформатический анализ 12
1.6.1 Анализ данных РНК секвенирования 12
1.6.2 Данные РНК секвенирования 13
1.6.3 Сборка транскриптома de novo 13
1.6.4 Дифференциальная экспрессия генов 14
2 Материалы и методы 17
2.1 Предобработка данных и de novoсборка транскриптома P.sylvestris 17
2.2 Оценка полноты сборки транскриптома 19
2.3 Отбор гомеобокс-содержащих транскриптов 19
2.4 Анализ дифференциальной экспрессии генов и построение
тепловой карты 20
2.5 Аннотация дифференциально экспрессирующихся транскриптов 22
3 Результаты и обсуждение 23
3.1 Сборка транскриптома и оценка качества 23
3.2 Классификация гомеобокс-содержащих транскриптов 23
3.3 Дифференциальная экспрессия гомеобокс-содержащих генов
в различных тканях Pinus sylvestris 25
Список использованных источников 35
Сосна обыкновенная Pinus sylvestrisшироко распространена по всей территории Российской Федерации и имеет важное экономическое и экологическое значение. P. sylvestrisотносится к группе голосеменных растений, семейство сосновые, рода сосна. На уровне геномики и транскриптомики данная группа изучена значительно меньше, чем группа покрытосеменных растений, поэтому изучение голосеменных представляет особый интерес.
Развитие P. sylvestris y других растений, принадлежащих семейству сосновых, изучается рядом ученых, однако на данный момент имеется сравнительно мало данных о генетических механизмах развития этого вида [1¬3]. Комплексный анализ профиля дифференциальной экспрессии гомеобокс- содержащих генов является важным инструментом для функционального анализа и определения роли данных генов в процессе развития и роста растения.
Актуальность работы связана с тем, что подобный анализ данных РНК-секвенирования P. sylvestrisранее не проводился.
Объектом настоящей работы являются взаимосвязи между уровнями экспрессии гомеобокс-содержащих транскриптов и особенностями морфологического развития у разных видов хвойных.
Предметом данного исследования являются нуклеотидные последовательности, полученные в результате ассемблирования транскриптома P. sylvestrisи обнаруженные в них гомеобокс-содержащие гены, их дифференциальная экспрессия в различных тканях.
Целью данной работы является определение функций гомеобокс- содержащих генов в различных тканях Pinus sylvestris.Иными словами, определить в каких процессах развития и дифференцировки тканей могут принимать участие гомеобокс-содержащие гены у сосны обыкновенной. Многие функции данных генов всё еще неизвестны (особенно у хвойных видов). Полученные данные помогут расширить и углубить понимание процессов развития и морфогенеза данного вида и семейства сосновых в целом. Для достижения поставленной цели был выполнен ряд задач, а именно:
1) Произведен отбор данных РНК-секвенирования различных тканей сосны обыкновенной;
2) Выполнены предобработка данных и оценка качества ридов;
3) Осуществлена de novoсборка транскриптома P. sylvestris;
4) Произведен отбор транскриптов, содержащих гомеобокс-содержащие гены;
5) Выполнен анализ дифференциальной экспрессии генов и их аннотация;
6) Определены функции гомеобокс-содержащих транскриптов.
Работа и связанные с ней исследования докладывалась на следующих конференциях:
1) 8thInternational Work-Conference on Bioinformatics and Biomedical En-gineering (IWBBIO), 2020 г, Гранада, устный доклад;
2) Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Проспект Свободный — 2020», 2020 г, Красноярск, устный доклад,
II место;
3) XI международная конференция «Dynamical Systems Applied to Biology and Natural Sciences» (DSABNS), 2020 г, Тренто, устный доклад;
4) Международная конференция летней школы по биоинформатике, 2020 г, Москва, Институт биоинформатики, устный доклад;
5) 7thInternational Work-Conference on Bioinformatics and Biomedical Engineering (IWBBIO), 2019 г, Гранада, устный доклад;
6) Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Проспект Свободный - 2019», 2019 г, Красноярск, устный доклад, III место;
7) X международная конференция «Dynamical Systems Applied to Biology and Natural Sciences» (DSABNS), 2019 г, Неаполь, устный доклад;
8) 56-я Международная научная студенческая конференция, 2018 г, Новосибирск, устный доклад.
Результаты работы и связанных с ней исследований опубликованы в следующих научных журналах и сборниках научных мероприятий:
• Гусева Т.А., Бирюков В.В. Гомеобокс-содержащие гены в изучении процесса развития сосны обыкновенной Pinus sylvestris// Проспект Свободный - 2020: материалы XVI Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. — 2020;
• Guseva T., Biriukov V., Sadovsky M. Role of Homeobox Genes in the Development of Pinus sylvestris// Lecture Notes in Computer Science, Springer Verlag. — 2020. — Vol. 12108 — Pp. 429-437;
• Guseva T., Sadovsky M., Biriukov V. Homeobox Genes: Investigating the Development of Pinus sylvestris (Scots pine) // 11thInternational Conference Dynaamical Systems Applied to Biology and Natural Sciences: Book of Abstracts. — 2020. — Vol. 11. — Pp. 113-115.
• Садовский М.Г., Гусева Т.А., Бирюков В.В. Определение тканеспецифичности в тотальном транскриптоме лиственницы сибирской с помощью условной энтропии // Проспект Свободный - 2019: материалы XV Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, посвященной Международному году Периодической таблицы химических элементов Д. И. Менделеева. — 2019. — Стр. 682-684;
• Sadovsky M., Guseva T., Biriukov V. Entropy Approach to Identify Tissue Specificity in Total Transcriptome // 10thInternational Conference Dy- naamical Systems Applied to Biology and Natural Sciences: Book of Ab¬stracts. — 2019. — Vol. 10. — Pp. 98-99;
• Sadovsky M., Guseva T., Biriukov V. Triplet Frequencies Implementation in Total Transcriptome Analysis// Lecture Notes in Computer Science, Sprin¬ger Verlag. — 2019. — Vol. 11465 — Pp. 370-378;
• Гусева Т.А. Исследование особенностей структуры тотального транскриптома лиственницы сибирской на основе статистических свойств контигов // Материалы 56-й Международной научной студенческой конференции (МНСК). — 2018. — Т. 56. — Стр. 10.
Развитие P. sylvestris y других растений, принадлежащих семейству сосновых, изучается рядом ученых, однако на данный момент имеется сравнительно мало данных о генетических механизмах развития этого вида [1¬3]. Комплексный анализ профиля дифференциальной экспрессии гомеобокс- содержащих генов является важным инструментом для функционального анализа и определения роли данных генов в процессе развития и роста растения.
Актуальность работы связана с тем, что подобный анализ данных РНК-секвенирования P. sylvestrisранее не проводился.
Объектом настоящей работы являются взаимосвязи между уровнями экспрессии гомеобокс-содержащих транскриптов и особенностями морфологического развития у разных видов хвойных.
Предметом данного исследования являются нуклеотидные последовательности, полученные в результате ассемблирования транскриптома P. sylvestrisи обнаруженные в них гомеобокс-содержащие гены, их дифференциальная экспрессия в различных тканях.
Целью данной работы является определение функций гомеобокс- содержащих генов в различных тканях Pinus sylvestris.Иными словами, определить в каких процессах развития и дифференцировки тканей могут принимать участие гомеобокс-содержащие гены у сосны обыкновенной. Многие функции данных генов всё еще неизвестны (особенно у хвойных видов). Полученные данные помогут расширить и углубить понимание процессов развития и морфогенеза данного вида и семейства сосновых в целом. Для достижения поставленной цели был выполнен ряд задач, а именно:
1) Произведен отбор данных РНК-секвенирования различных тканей сосны обыкновенной;
2) Выполнены предобработка данных и оценка качества ридов;
3) Осуществлена de novoсборка транскриптома P. sylvestris;
4) Произведен отбор транскриптов, содержащих гомеобокс-содержащие гены;
5) Выполнен анализ дифференциальной экспрессии генов и их аннотация;
6) Определены функции гомеобокс-содержащих транскриптов.
Работа и связанные с ней исследования докладывалась на следующих конференциях:
1) 8thInternational Work-Conference on Bioinformatics and Biomedical En-gineering (IWBBIO), 2020 г, Гранада, устный доклад;
2) Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Проспект Свободный — 2020», 2020 г, Красноярск, устный доклад,
II место;
3) XI международная конференция «Dynamical Systems Applied to Biology and Natural Sciences» (DSABNS), 2020 г, Тренто, устный доклад;
4) Международная конференция летней школы по биоинформатике, 2020 г, Москва, Институт биоинформатики, устный доклад;
5) 7thInternational Work-Conference on Bioinformatics and Biomedical Engineering (IWBBIO), 2019 г, Гранада, устный доклад;
6) Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Проспект Свободный - 2019», 2019 г, Красноярск, устный доклад, III место;
7) X международная конференция «Dynamical Systems Applied to Biology and Natural Sciences» (DSABNS), 2019 г, Неаполь, устный доклад;
8) 56-я Международная научная студенческая конференция, 2018 г, Новосибирск, устный доклад.
Результаты работы и связанных с ней исследований опубликованы в следующих научных журналах и сборниках научных мероприятий:
• Гусева Т.А., Бирюков В.В. Гомеобокс-содержащие гены в изучении процесса развития сосны обыкновенной Pinus sylvestris// Проспект Свободный - 2020: материалы XVI Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. — 2020;
• Guseva T., Biriukov V., Sadovsky M. Role of Homeobox Genes in the Development of Pinus sylvestris// Lecture Notes in Computer Science, Springer Verlag. — 2020. — Vol. 12108 — Pp. 429-437;
• Guseva T., Sadovsky M., Biriukov V. Homeobox Genes: Investigating the Development of Pinus sylvestris (Scots pine) // 11thInternational Conference Dynaamical Systems Applied to Biology and Natural Sciences: Book of Abstracts. — 2020. — Vol. 11. — Pp. 113-115.
• Садовский М.Г., Гусева Т.А., Бирюков В.В. Определение тканеспецифичности в тотальном транскриптоме лиственницы сибирской с помощью условной энтропии // Проспект Свободный - 2019: материалы XV Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, посвященной Международному году Периодической таблицы химических элементов Д. И. Менделеева. — 2019. — Стр. 682-684;
• Sadovsky M., Guseva T., Biriukov V. Entropy Approach to Identify Tissue Specificity in Total Transcriptome // 10thInternational Conference Dy- naamical Systems Applied to Biology and Natural Sciences: Book of Ab¬stracts. — 2019. — Vol. 10. — Pp. 98-99;
• Sadovsky M., Guseva T., Biriukov V. Triplet Frequencies Implementation in Total Transcriptome Analysis// Lecture Notes in Computer Science, Sprin¬ger Verlag. — 2019. — Vol. 11465 — Pp. 370-378;
• Гусева Т.А. Исследование особенностей структуры тотального транскриптома лиственницы сибирской на основе статистических свойств контигов // Материалы 56-й Международной научной студенческой конференции (МНСК). — 2018. — Т. 56. — Стр. 10.
В ходе данной работы были выполнены все задачи, и поставленная цель была полностью достигнута:
1. Произведен отбор данных РНК-секвенирования различных тканей сосны обыкновенной из базы NCBI;
2. Выполнена предобработка данных и оценка качества видов;
3. Собран de novoтранскриптом Pinus sylvestris,содержащий 775 502 транскрипта общая длина которого составила 553 398 248 со средним содержанием GC-контента 40.19 %. сборка TrinityСФУ по результатам анализа является более полной, чем сборка TrinityФинляндия
4. Отобрано и аннотировано 243 гомеобокс-содержащих транскрипта;
5. Определены дифференциально экспрессирующиеся гомеобокс-содержащие гены пяти различных тканей сосны обыкновенной и построена тепловая карта (рисунок 5);
6. Предположительно определены функции некоторых гомеобокс-содержащих генов:
• Гены HDG2, PDF2, ROC1, ROC2, ROC8класса HD-ZIP IV участвуют в развитии кутикулы растений, аккумуляции антоцианов и дифференцировки эпидермальных клеток тканей почки и эмбриона; ген ROC8также участвует в дифференцировке эпидермальных клеток хвои;
• Ген WOX3семейства WOX экспрессируется в почках и играет роль в развитии боковых органов сосны обыкновенной;
• Ген WOX4характерен для развития сосудистых тканей Pinus sylvest- ris, в том числе и флоэмы;
• Гены WOX8и WOX9участвуют в развитии эмбриона Pinus sylvest¬ris;
• Ген HAT2экспрессируется в почке и эмбрионе и участвует в процессах, связанных с реакцией на свет и сигнализацией ауксина;
• Ген BLH4участвует в формировании клеточных стенок хвои, почки и флоэмы;
• Во флоэме и почке имеет место взаимодействие классов генов KNOX и BEL и вероятно ген KNAT2участвует в развитии проводящей ткани, гены KN-1, KNAT1, KNAT3имеют аналогичные функции в тканях эмбриона, почки и флоэмы;
• Гены HOX5, HOX20, HOX21, HAT7принадлежат к классу генов HD-ZIP I учувствуют в реакциях организма на стресс и регуляции развития почек сосны обыкновенной;
• Гены ATHB-13, PDF2, ROC1, ROC2, ROC8класса HD-ZIP ТУ участвуют в развитии кутикулы растений, аккумуляции антоцианов и дифференцировки эпидермальных клеток тканей почки и эмбриона.
Подводя итог, можно сказать, что была получена более качественная сборка транскриптома сосны обыкновенной (775 502 транскрипта, N50 1 273 н.о., BUSCO C:85.9 %) по сравнению со сборкой, полученной финскими коллегами (TrinityФинляндия) и впервые описаны и предположительно определены функции гомеобокс-содержащих генов в пяти тканях P. sylvestris.
1. Произведен отбор данных РНК-секвенирования различных тканей сосны обыкновенной из базы NCBI;
2. Выполнена предобработка данных и оценка качества видов;
3. Собран de novoтранскриптом Pinus sylvestris,содержащий 775 502 транскрипта общая длина которого составила 553 398 248 со средним содержанием GC-контента 40.19 %. сборка TrinityСФУ по результатам анализа является более полной, чем сборка TrinityФинляндия
4. Отобрано и аннотировано 243 гомеобокс-содержащих транскрипта;
5. Определены дифференциально экспрессирующиеся гомеобокс-содержащие гены пяти различных тканей сосны обыкновенной и построена тепловая карта (рисунок 5);
6. Предположительно определены функции некоторых гомеобокс-содержащих генов:
• Гены HDG2, PDF2, ROC1, ROC2, ROC8класса HD-ZIP IV участвуют в развитии кутикулы растений, аккумуляции антоцианов и дифференцировки эпидермальных клеток тканей почки и эмбриона; ген ROC8также участвует в дифференцировке эпидермальных клеток хвои;
• Ген WOX3семейства WOX экспрессируется в почках и играет роль в развитии боковых органов сосны обыкновенной;
• Ген WOX4характерен для развития сосудистых тканей Pinus sylvest- ris, в том числе и флоэмы;
• Гены WOX8и WOX9участвуют в развитии эмбриона Pinus sylvest¬ris;
• Ген HAT2экспрессируется в почке и эмбрионе и участвует в процессах, связанных с реакцией на свет и сигнализацией ауксина;
• Ген BLH4участвует в формировании клеточных стенок хвои, почки и флоэмы;
• Во флоэме и почке имеет место взаимодействие классов генов KNOX и BEL и вероятно ген KNAT2участвует в развитии проводящей ткани, гены KN-1, KNAT1, KNAT3имеют аналогичные функции в тканях эмбриона, почки и флоэмы;
• Гены HOX5, HOX20, HOX21, HAT7принадлежат к классу генов HD-ZIP I учувствуют в реакциях организма на стресс и регуляции развития почек сосны обыкновенной;
• Гены ATHB-13, PDF2, ROC1, ROC2, ROC8класса HD-ZIP ТУ участвуют в развитии кутикулы растений, аккумуляции антоцианов и дифференцировки эпидермальных клеток тканей почки и эмбриона.
Подводя итог, можно сказать, что была получена более качественная сборка транскриптома сосны обыкновенной (775 502 транскрипта, N50 1 273 н.о., BUSCO C:85.9 %) по сравнению со сборкой, полученной финскими коллегами (TrinityФинляндия) и впервые описаны и предположительно определены функции гомеобокс-содержащих генов в пяти тканях P. sylvestris.



