Modifikace dědičné informace rostlin II

Podobné dokumenty
Modifikace dědičné informace rostlin

Rich Jorgensen a kolegové vložili gen produkující pigment do petunií (použili silný promotor)

Klonování DNA a fyzikální mapování genomu

Modifikace dědičné informace rostlin I. modifikace

Terapeutické klonování, náhrada tkání a orgánů

Inovace studia molekulární a buněčné biologie

Nové genové techniky, potraviny a monitoring

Rostlinné biotechnologie

Mendelova genetika v příkladech. Transgenoze rostlin. Ing. Petra VESELÁ, Ústav lesnické botaniky, dendrologie a geobiocenologie LDF MENDELU Brno

Molekulární biotechnologie č.12. Využití poznatků molekulární biotechnologie. Transgenní rostliny.

REKOMBINACE Přestavby DNA

Na rozdíl od genomiky se funkční genomika zaměřuje na dynamické procesy, jako je transkripce, translace, interakce protein - protein.

Nové přístupy v modifikaci funkce genů: CRISPR/Cas9 systém

Bakteriální transpozony

MIKROBIOLOGIE V BIOTECHNOLOGII

GENETICKY MODIFIKOVANÉ

Inovace studia molekulární a buněčné biologie reg. č. CZ.1.07/2.2.00/

Determinanty lokalizace nukleosomů

Inovace studia molekulární a buněčné biologie reg. č. CZ.1.07/2.2.00/

2. Z následujících tvrzení, týkajících se prokaryotické buňky, vyberte správné:

Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a Státním rozpočtem ČR InoBio CZ.1.07/2.2.00/

MIKROBIOLOGIE V BIOTECHNOLOGII

Inovace studia molekulární a buněčné biologie

Biotechnologie a genové inženýrství rostlin (BAGIR)

Transgenoze a reverzní genetika. Metody transformace rostlinných buněk Rekombinace

Exprese genetické informace

Editace genomů. Genome editing, or genome editing with engineered nucleases (GEEN)

Univerzita Karlova v Praze Přírodovědecká fakulta

RNA interference (RNAi)

Inovace studia molekulární a buněčné biologie

Použití transgenoze při šlechtění rostlinje třeba se obávat?

Inovace studia molekulární a buněčné biologie

SYNTETICKÉ OLIGONUKLEOTIDY

Inovace studia molekulární a buněčné biologie

Inovace studia molekulární a buněčné biologie

Editace genomů. Genome editing, or genome editing with engineered nucleases (GEEN)

Příprava vektoru IZOLACE PLASMIDU ALKALICKÁ LYZE, KOLONKOVÁ IZOLACE DNA GELOVÁ ELEKTROFORÉZA RESTRIKČNÍ ŠTĚPENÍ. E. coli. lyze buňky.

AUG STOP AAAA S S. eukaryontní gen v genomové DNA. promotor exon 1 exon 2 exon 3 exon 4. kódující oblast. introny

Chromosomy a karyotyp člověka

Transpozony - mobilní genetické elementy

Molekulární základy dědičnosti. Ústřední dogma molekulární biologie Struktura DNA a RNA

Základy molekulární biologie KBC/MBIOZ

Chromatin. Struktura a modifikace chromatinu. Chromatinové domény

Exprese genetického kódu Centrální dogma molekulární biologie DNA RNA proteinu transkripce DNA mrna translace proteosyntéza

ZÁKLADY BAKTERIÁLNÍ GENETIKY

ve srovnání s eukaryoty (životnost v řádu hodin) u prokaryot kratší (životnost v řádu minut) na životnost / stabilitu molekuly mají vliv

Crossing-over. over. synaptonemální komplex

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti. Vztah struktury a funkce nukleových kyselin. Replikace, transkripce

MUTAGENEZE in vitro. postupy kterými se mění primární struktura DNA, především za účelem fenotypové změny

Rekombinantní protilátky, bakteriofágy, aptamery a peptidové scaffoldy pro analytické a terapeutické účely Luděk Eyer

7. Regulace genové exprese, diferenciace buněk a epigenetika

P1 AA BB CC DD ee ff gg hh x P2 aa bb cc dd EE FF GG HH Aa Bb Cc Dd Ee Ff Gg Hh

RNA molekuly. Analýza genové exprese pomocí cytometrických (a jiných) metod. Analýza exprese a funkce microrna. Úrovně regulace genové exprese

Výuka genetiky na PřF OU K. MALACHOVÁ

Inovace studia molekulární a buněčné biologie reg. č. CZ.1.07/2.2.00/

Epigenetické mechanismy u rostlin

Molekulární biotechnologie č.8. Produkce heterologního proteinu v eukaryontních buňkách

Molekulární biotechnologie č.9. Cílená mutageneze a proteinové inženýrství

STUDIE GENOMON VÝSKYT GENETICKY MODIFIKOVANÝCH POTRAVIN V TRŽNÍ SÍTI V ČR V ROCE M. Mendlová, V. Ostrý, J. Ruprich

Využití DNA markerů ve studiu fylogeneze rostlin

Metody molekulární biologie

BAKTERIÁLNÍ GENETIKA. Lekce 12 kurzu GENETIKA Doc. RNDr. Jindřich Bříza, CSc.

Úloha protein-nekódujících transkriptů ve virulenci patogenních bakterií

Nové metody molekulární biologie

EPIGENETIKA reverzibilních změn funkce genů, Epigenetické faktory ovlivňují fenotyp bez změny genotypu. Epigenetická

Svět RNA a bílkovin. RNA svět, 1. polovina. RNA svět. Doporučená literatura. Struktura RNA. Transkripce. Regulace transkripce.

Nové směry v rostlinných biotechnologiích

Sylabus témat ke zkoušce z lékařské biologie a genetiky. Struktura, reprodukce a rekombinace virů (DNA viry, RNA viry), význam v medicíně

Zdrojem je mrna. mrna. zpětná transkriptáza. jednořetězcová DNA. DNA polymeráza. cdna

Molekulárn. rní. biologie Struktura DNA a RNA

Globální pohled na průběh replikace dsdna

Crossing-over. Synaptonemální komplex. Crossing-over a výměna genetického materiálu. Párování homologních chromosomů

Petr Müller Masarykův onkologický ústav. Genová terapie

Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a učitelství biologie CZ.1.07/2.2.00/

Okruhy otázek ke zkoušce

NUKLEOVÉ KYSELINY. Základ života

Základy molekulární a buněčné biologie. Přípravný kurz Komb.forma studia oboru Všeobecná sestra

Využití rekombinantní DNA při studiu mikroorganismů

REPLIKACE A REPARACE DNA

Genetika - maturitní otázka z biologie (2)

Příprava rekombinantních molekul pro diagnostické účely

Struktura, vlastnosti a funkce nukleových kyselin, DNA v jádře, chromatin.

Mutace jako změna genetické informace a zdroj genetické variability

Klonování gen a genové inženýrství

Genetika zvířat - MENDELU

Obsah. Vědní obor genetika 1 Osobní genom 1 Úvodem 2 Tři velké milníky genetiky 2

RESTRIKCE A MODIFIKACE FÁGOVÉ DNA

GENETICKY MODIFIKOVANÉ ORGANISMY. Prof. Jaroslav DROBNÍK Přírodovědecká fakulta Karlovy Univerzity Sdružení BIOTRIN

Výuka genetiky na Přírodovědecké fakultě UK v Praze

Genetika bakterií. KBI/MIKP Mgr. Zbyněk Houdek

19.b - Metabolismus nukleových kyselin a proteosyntéza

Kontrola genové exprese

Objevy, které umožnily cíleně manipulovat s DNA

Přenos genetické informace: Centrální dogma. Odstranění intronů sestřihem RNA

MECHANIZMY EPIGENETICKÝCH PROCESŮ

-zakladatelem je Johan Gregor Mendel ( ), který se narodil v Hynčicích na Moravě

Amplifikační metody umožňují detekovat. k dispozici minimálně kopií DNA,

Základy molekulární biologie KBC/MBIOZ

Základy molekulární biologie KBC/MBIOZ

Transgeneze u ptáků: očekávání vs. realita

Transkript:

Modifikace dědičné informace rostlin II Lukáš Fischer, KFR PřF UK Obsah přednášky Jak zlepšit vlastnosti rostlin Principy přípravy GMR Příprava genových konstruktů Genový přenos do jaderného a plastidového genomu Selekce a odvození transgenních rostlin Umlčování exprese transgenů a rostlinných genů Analýzy transgenních rostlin Pokročilé metody šlechtění (NBT)

Umlčování exprese transgenů: nechtěné x cílené, kosuprese - integrace transgenu do jaderného genomu nezajistí jeho stabilní expresi (zatímco do plastidového genomu zpravidla ano!) - transgen může být umlčen a/nebo může indukovat umlčení homologních sekvencí v rostlinném genomu Společný mechanismus RNA interference - umlčování exprese genů prostřednictvím malých RNA homologních k promotoru či transkribované sekvenci genu Antisense RNA - využití ve výzkumu od 80. let 20.stol. i praxi Funkční genomika vliv inaktivace genu na fenotyp rostliny hledání funkce proteinu 1994: rajčata Flavr Savr s prodlouženou trvanlivostí blokování tvorby enzymu degradujícího BS (polygalakturonáza)

Kosuprese u Petůnie Cíl: zvýšení exprese genu pro enzym syntézy pigmentu Výsledek: ztráta pigmentace v částech květu antisense RNA Napoli et al. 1990 Plant Cell 2:279 289 Úroveň umlčování exprese transgenů TGS: Transcriptional Gene Silencing Gen není přepisován - metylace DNA promotoru (+ modifikace histonů) - tvorba heterochromatinu (zamezení přístupu TF) PTGS: PostTranscriptional Gene Silencing Gen je přepisován - transkript není překládán do proteinu - transkript je zpravidla degradován či blok translace - sekvenčně specifické prostřednictvím malých RNA

Příčiny samovolného (nechtěného) umlčování exprese transgenů Míra exprese, regulační elementy - indukce vzniku patrně při vysoké expresi zvýšený výskyt aberantních mrna přepis RDR6 (RNA dependentní RNA polymerázou) do dsrna - nepřítomnost intronů Poziční efekt a charakter vnášené sekvence - TGS - poloha na chromozómu, charakter sousedních sek. (vzdálenost od heterochromatinu, MARs a SARs, srna, pol IV, ) - špatná délka, špatné fázování s ohledem na pozici nukleozómů, nepřítomnost intronů (?), Cílená indukce umlčování (PTGS) navození tvorby dsrna: 1) gen v antisense orientaci (za promotor vložen opačně) 2) vnesení vlásenkového konstruktu (např. antisense-intron-sense) 3) vnesení genu bez terminátoru (dsrna díky aktivitě RdRP) 4) amirna umělé mirna (složitá terciární vlásenková struktura RNA) dsrna, štěpení DCL, tvorba sirna, sekvenčně spec. degradace mrna + intermolekulární párování intramolekulární párování RdRP syntéza komplement. vlákna k transkriptu Lze takto indukovat TGS?

Cílená indukce umlčování (TGS) navození tvorby sirna proti promotoru: 2) vnesení vlásenkového konstruktu ze sekvence promotoru (( 4) amirna mirna cílící na sekvenci promotoru)) - dsrna, štěpení DCL, tvorba sirna, sekvenčně spec. metylace promotoru intramolekulární párování Epimutageneze - TGS (změny na úrovni chromatinu) potenciálně dědičné změny i bez přítomnosti primárního induktoru! = řadí se mezi NBT malé RNA mohou vznikat: - z transgenu - z virového vektoru - přicházejí z podnože není GM - vznikající srna mohou ovlivňovat genovou expresi i u herbivorů (hmyzu, hlístů) = epimutageneze škůdce ve volné přírodě

Obsah přednášky Jak zlepšit vlastnosti rostlin Principy přípravy GMR Příprava genových konstruktů Genový přenos do jaderného a plastidového genomu Selekce a odvození transgenních rostlin Umlčování exprese transgenů a rostlinných genů Analýzy geneticky upravených rostlin analýzy změněné genetické informace (přítomnosti transgenů) analýzy místa inzerce transgenů (hodnocení rizika) Pokročilé metody šlechtění (NBT) Kontrola plodin jsou povolené (= bezpečné )? Je GM? Obsahuje cizorodou DNA? - obsahuje (jen) povolené inzerce? - jak zjistit nepovolené inzerce? - vzorkování, izolace DNA, PCR či hybridizace na chipech - detekce známých regulačních sekvencí, T-DNA LB (RB) - detekce běžných transgenů (selekčních genů apod.) - detekce transgenů někde ve světě povolených Co když jsou vnesené sekvence původem z téhož druhu?

Analýzy inserce transgenu počet kopií Southernova hybridizace (qrt-pcr) místo inserce: TAIL-PCR (specifické a deg. primery, 2-3 cykly PCR) ipcr (restrikce, ligace - cirkularizace, PCR spec. primery) adaptorová PCR (restrikce, lig.adaptorů, PCR adapt. prim.) nested primery degenerovaný primer H3 H3 Analýzy místa inzerce - hodnocení rizika ovlivnění rostlinných genů JAK? - přímá mutace CDS - změny v regulačních sekvencích rostlinných genů - problematické hodnocení (CRE, enhancery) - změny vyvolané regulačními sekvencemi v inzerci - změny v uspořádání chromatinu (důsledkem inzerce) - ovlivnění prostřednictvím srna nově vzniklé ORFs? Jsou nebezpečné? - identifikace - srovnání (blast) s databázemi toxinů a alergenů - in silico analýzy štěpitelnosti v trávicím traktu apod.

Stimulace přesné integrace transgenu homologní rekombinací: - expresí rekombinačních enzymů (i bakteriálních) - represe či mutageneze genů účastnících se ilegitimní rekombinace, inhibice jejich produktů - cíleným vytvořením DSB expresí místně specifické endonukleázy (viz příště) Reparace DSB Místně specifická inzerce transgenu (= GM) Místně specifická mutageneze HOMOLOGNÍ REKOMBINACE - integrace transgenu s homologními koncovými sekvencemi (homologní rekombinací) - integrace nehomologní rekombinací v místě DSB Stimulace přesné integrace transgenu nehomologní rekombinací - použitím místně specifických rekombinačních systémů prokaryot a nižších eukaryot (rekombináza/rozpoznávané cílové místo) integrace do místa dřívější integrace úseku DNA s cílovým místem: Cre/lox bakteriofága P1 Flp/frt Saccharomyces cerevisiae R/RS Zygosaccharomyces rouxii Cre/loxP - cílená integrace ( ) do místa předchozí inzerce - další využití - specifické vystřižení selekčního markeru ( )

Obsah přednášky Jak zlepšit vlastnosti rostlin Principy přípravy GMR Příprava genových konstruktů Genový přenos do jaderného a plastidového genomu Selekce a odvození transgenních rostlin Umlčování exprese transgenů a rostlinných genů Analýzy geneticky upravených rostlin analýzy změněné genetické informace (přítomnosti transgenů) analýzy místa inzerce transgenů (hodnocení rizika) Pokročilé metody šlechtění (NBT) New breeding techniques Místně specifické nukleázy (SDN) Zinc finger TALEN CRISPR/CAS9 Oligonukleotidy zprostředkovaná mutageneze Reverzní křížení Genome editing Cisgenoze & Intragenoze Metylace DNA řízená srna (epimutageneze) Roubování na GM podnož Agro-infiltrace, Infekce rekombinantním virem

Klasické šlechtění x GM x genome editing - limitované využití pro změny vlastností proč? - výsledek neodlišitelný od klasické mutageneze (po odkřížení editovacího transgenu / odléčení rekombinantního viru) - složitější selekce editovaných jedinců jak? Místně specifické nukleázy (SDN) nuclease (DNA binding domain) - indukce DSB (dvouvláknový zlom) Další využití DSB? Místně specifická mutageneze - samovolná reparace, NHEJ (non-homologous end joining) - často s lokální delecí různého rozsahu (rozsáhlejší 2 DSB) -řízená mutageneze (DNA templátem)

Oligonukleotidy zprostředkovaná mutageneze Oligonucleotide directed mutagenesis syn.: oligonucleotide-mediated gene modification, targeted gene correction, targeted gene repair, RNA-templated DNA repair, mutace navozené oligonukleotidy komplementárními k cílovému místu (s kýženou změnou) mutace bodové, krátké delece, krátké inzerce ne zcela jasný mechanismus (reparační procesy) templát: DNA oligonukleotidy s modifikovanými konci DNA/RNA duplexy RNA, Oligonukleotidy zprostředkovaná mutageneze vnesení elektroporací, PEG transfekcí, balisticky doprovázeno mutacemi v necílových sekvencích nízká účinnost (problémy se selekcí jaké nově získané znaky se dají snadno selektovat?) detekce špatného párování opravnými mechanismy a oprava dle původní sekvence (řešení: DNA s modifikovanými nukleotidy: 2'-Fluoro-Uridine, 5-Methyl-deoxyCytidine, 2,6-Diaminopurine nebo Iso-deoxyGuanosine) využití zatím jen okrajové, ale BASF 2009: CLEARFIELD Production System

Cílené vytvoření dvouvláknového zlomu DNA (DSB) 1. generace ZFN, TALEN zlom v konkrétním místě genomu (vhodné znát kompletní genomovou sekvenci x chybné cíle) štěpení chimerickými (fúzními) proteiny nukleázová doména: restriktáza Fok I DNA vazebná doména: - Zn-finger transkripční faktory (ZnF nucleases = ZFN) - transcription activator-like effektory (TAL effector nucleases = TALEN) - původem z baktérií Xanthomonas Zn-finger domény možnost designovat na míru sekvenčně specifické rozpoznání DNA: 3(-4) nt/finger - vyznačené konzervované amk - černá kolečka amk interagující s DNA - místně specifické štěpení - využití k cílené modifikaci DNA (integraci transgenu)

CRISPR/Cas9 - bakterie a archea obrana proti invazním DNA (virům a plasmidům) adaptivní imunita - crrna guide - rozpoznání cílového místa cca 20 nt (přesnost?) - účinná indukce štěpení Cas9 (dvouvláknový zlom) Zn-finger nukleázy v kombinaci s virovými vektory - indukce DSB v určité sekvenci nepřesná reparace (inaktivace) - regenerace ne GM rostlin (a potenciálně i bez in vitro kultivace)

Reverse breeding generativní pomnožení elitních hybridů s využitím GM mezistupně crossing-over při meióze F1 uniformní - pokud jsou rodiče plně homozygotní (= dihaploidní) F2 nekonečně kombinací (Mendel studoval geny na různých chromozómech!) Jak získat velké množství identických elitních F2 hybridů? - vegetativní pomnožení (in vitro) - získání dihaploidních rodičů, jejichž křížením bude vznikat (uniformně) Reverse breeding získání dihaploidních rodičů s rodičovskými kombinacemi genů na chromozómech! Chan, Trends in Biotech (2010) 28:605-610 Blokování crossing-overu inaktivace esenciálních genů (např. DMC1, Spo11) např. transformací RNAi konstruktem Tvorba haploidů a posléze dihaploidů Výběr dihaploidů s danými kombinacemi chromozómů (a bez transgenů)