Ewolucja genetycznych narzędzi kontroli rozwoju roślin

Transkrypt

1 Ewolucja genetycznych narzędzi kontroli rozwoju roślin Rafał Archacki Zakład Biologii Systemów

2 Drzewo życia pozycja roślin

3 Chlorophytes Charophytes Bryophytes Lycophytes Ferns Gymnosperms Angiosperms Ewolucja głównych grup roślin Green algae Plants Flowers Seeds 300 Vascular tissues Stomata Terrestrialization ? Hay, A. and Tsiantis, M. (2010). Development. 137: Prigge, M.J. and Bezanilla, M. (2010). Development. 137: American Society of Plant Biologists

4 Źródła danych molekularnych Rośliny modelowe o zsekwencjonowanych genomach Arabidopsis thaliana Brachypodium distachyon (modelowa roślina jednoliścienna) Populus trichocarpa Selaginella moellendorffii Physcomitrella patens (mszak) Chlamydomonas reinhardtii (jednokomórkowa zielenica) większość danych genetycznych pochodzi nadal z Arabidopsis

5 Ewolucja głównych grup roślin

6 Cykl rozwojowy okrytonasiennych na przykładzie Arabidopsis thaliana Diévart A, Clark. Development 2004;131:

7 Ogromne zróżnicowanie form wśród okrytonasiennych Liście Kwiaty

8 Ogromne zróżnicowanie form wśród okrytonasiennych Także wśród przedstawicieli jednej rodziny przykłady przedstawicieli różowatych

9 Genetyczna kontrola rozwoju organów roślinnych - liście Friedman et al. Evolution of plant development. American Journal of Botany 91(10):

10 Genetyczna kontrola rozwoju organów roślinnych - liście Rozwój liści Bar and Ori, 2014, Development Inicjacja pewne komórki merystemu przestają być komórkami macierzystymi i nabierają tożsamości komórek liściowych Morfogeneza liść rozwija się w konkretny, uwarunkowany genetycznie kształt i nabywa polarności Wzrost i różnicowanie liść powiększa swoje rozmiary (komórki dzielą się oraz zwiększają swoje rozmiary); komórki różnicują w konkretne typy

11 Genetyczna kontrola rozwoju organów roślinnych- liście Rozwój liści to skomplikowany proces obejmujący działanie hormonów roślinnych i czynników transkrypcyjnych Zmiany w każdej ze ścieżek regulatorowych będą miały wpływ na sposób rozwoju i ostateczny kształt oraz wielkość organu Kalve et al., Leaf development: a cellular perspective. Front. Plant Sci

12 Genetyczna kontrola rozwoju organów roślinnych - liście Rozwój liści rola genów KNOX WT Mutant knox (nadekspresja) Arabidopsis Pomidor Kalve et al., Leaf development: a cellular perspective. Front. Plant Sci KNOX należą do rodziny czynników transkrypcyjnych Homeobox Hay, Tsiantis. Development 137, (2010)

13 Zawartość i liczebność rodzin czynników transkrypcyjnych u eukariontów

14 Porównanie rodzin czynników transkrypcyjnych u eukariontów

15 Nowe funkcje nowych genów S. Rensing, Curr. Opin Plant Biol (2014)

16 Rodzina Homeobox Rodzina Homeobox w Arabidopsis zawiera klasy z różnymi kombinacjami domen białkowych, różnice wynikają też z fiologenezy domeny HB. Specyficzny układ domen (leucine zipper, PHD finger, STAR) wynika z ich mieszania charakterystycznego dla roślin, nie występuje w innych królestwach (Drosophila, C. elegans, drożdże) Białka ZF-HB mają specyficzny tylko dla roślin motyw koordynujący cynk. Geny kodujące czynniki KNOX i HD- BELL mają podobną strukturę

17 Genetyczna kontrola rozwoju organów roślinnych Działanie białek KNOX i BELL Hay, Tsiantis. Development 137, (2010)

18 Genetyczna kontrola rozwoju organów roślinnych Zróżnicowana budowa liści u przedstawicieli okrytonasiennych Co decyduje o tym zróżnicowaniu? 1. Istnienie ortologów zróżnicowanych funkcjach Hay, Tsiantis. Development 137, (2010)

19 Genetyczna kontrola rozwoju organów roślinnych Zróżnicowana budowa liści u przedstawicieli okrytonasiennych Co decyduje o tym zróżnicowaniu? 2. Utrwalone zmiany profilu i poziomu ekspresji genów regulatorowych Development 137, (2010) efekt zmian profilu ekspresji genów z rodziny KNOX na przebieg rozwoju liści

20 Genetyczna kontrola rozwoju organów roślinnych - kwiat

21 The Plant Journal, (2010), 61, Kwiat Arabidopsis

22 Koncentryczna budowa kwiatu Merystem kwiatowy różnicuje w cztery koncentryczne okółki (kręgi) komórek, które tworzą następnie cztery części kwiatu. Komórki w okółku 1 rozwijają się w działki kielicha, tworzące najniższy poziom. Łącznie działki tworzą tzw. kielich. Okółek 2 daje początek umieszczonym nad kielichem płatkom, tworzącym razem koronę kwiatu. Korona kwiatu jest jego najbardziej barwną częścią. Okółek 3 rozwija się w pręciki, męskie organy płciowe. Okółek 4 (najbardziej wewnętrzny) tworzy słupki, narządy płciowe żeńskie. Często zlewają się w pojedynczą strukturę.

23 Merystem kwiatostanowy i merystemy kwiatowe Arabidopsis The Arabidopsis Book 2010

24 Dlaczego komórki w wewnętrznym okółku zawsze budują słupek a nie inne organy kwiatowe? The Arabidopsis Book 2010

25 Model ABC rozwoju kwiatu Wyniki analizy genetycznej mutantów Arabidopsis i Petunii, sugerowały, że istnieje grupa genów kodujących czynniki transkrypcyjne (główne włączniki) niezbędne do włączania genów warunkujących rozwój działek kielicha, płatków korony, pręcików i słupków. Te główne włączniki należą do trzech klas: A, B i C. Geny ABC: Grupa A: Apetala1 (AP1) Apetala2 (AP2) Grupa B: Apetala3 (AP3) Pistilata (PI) Grupa C: Agamous (AG) Komórki, w których wyrażane są tylko geny klasy A tworzą działki kielicha. Komórki, w których wyrażane są zarówno geny klasy A jak i klasy B, tworzą płatki korony. Komórki, w których wyrażane są zarówno geny klasy B jak i klasy C, tworzą pręciki. Komórki, w których wyrażane są tylko geny klasy C tworzą słupki. Coen ES, Meyerowitz EM The war of the whorls: genetic interactions controlling flower development. Nature 353:

26 Model ABC rozwoju kwiatu

27 Efekty mutacji w genach ABC ap2 pi ai ag Struktury liściowate

28 Efekty mutacji w genach ABC Geny klasy A i C są w stosunku do siebie represorami. Przy braku ekspresji genów A, geny C są aktywne w całym kwiecie. Przy braku ekspresji C, A są aktywne w całym kwiecie.

29 Genetyczna kontrola rozwoju organów roślinnych Zróżnicowana budowa kwiatu u przedstawicieli okrytonasiennych Utrwalone zmiany profilu i poziomu ekspresji genów regulatorowych są przyczyną istotnych zmian jakościowych w rozwoju Friedman et al. Evolution of plant development. American Journal of Botany 91(10):

30 Zdecydowana większość elementów genetycznej kontroli rozwoju zwierząt i roślin jest odmienna - ewoluowały niezależnie ANIMALS Pattern formation in development PLANTS Embryo development Master regulatory genes contain homeobox (Hox genes) Dorsal-ventral specification controlled by TGF -related proteins (GURKEN), receptor tyrosine kinases, Ras activation, transcription factors of kappa B, Rel, basic HLH families Flower development Master regulato ry genes contain MADS box No relatives of GURKEN No receptor tyrosine kinases No Ras proteins No kappa B or Rel type TFs Weak similarity of the bhlh domain Cell-cell signaling Critical role of receptor tyrosine kinases Ras activation Critical role of serine/threonine kinases of the type not found in animals Meyerowitz, EM. Science (2002)

31 Embryo development Master regulatory genes contain homeobox (Hox genes) Cell-cell signaling Czy można wskazać elementy wspólne? Critical role of receptor tyrosine kinases, Critical role of serine/threonine Ras activation kinases of the type not found in ANIMALS animals PLANTS Pattern formation in development Chromatin Flower development Histones, histone modifying proteins, Swi/Snf-type ATPases, Trx proteins, Polycomb proteins, HP1-type proteins. Master regulatory genes contain MADS box Dorsal-ventral specification controlled by TGF-related proteins (GURKEN), receptor tyrosine kinases, Ras activation, transcription factors of kappa B, Rel, basic HLH families Enahncer of zeste (Polycomb-type maintains repression of the Hox genes (Ultrabithorax) No relatives of GURKEN No receptor tyrosine kinases No Ras proteins No genes kappa (AGAMOUS) B or Rel type TFs Weak similarity of the bhlh domain CURLY LEAF (Polycomb type) maintains repression of the MADS Cell-cell signaling Mechanizmy związane z regulacją struktury chromatyny funkcjonują też u jednokomórkowych protistów oraz u drożdży Critical role of receptor tyrosine kinases, Critical role of serine/threonine Ras activation kinases of the type not found in animals Były najprawdopodobniej obecne u ostatniego wspólnego przodka Chromatin roślin i zwierząt Histones, histone modifying proteins, Swi/Snf-type ATPases, Trx proteins, Polycomb proteins, HP1-type proteins. Meyerowitz, EM. Science (2002)

32 The chromatin Yin / Yang Heterochromatin Euchrochromatin

33 Modyfikacje struktury chromatyny 1. modyfikacje DNA metylacja DNA 2. modyfikacje potranslacyjne histonów np. acetylacja 3. wyspecjalizowane warianty histonów 4. ATP-zależna przebudowa chromatyny 5. Białka Polycomb i Thritorax

34 Antagonistyczne funkcje białek Thritorax i Polycomb Białka Thritorax utrzymują dany region chromatyny w stanie aktywnym transkrypcyjnie. Białka Polycomb (PcG) działają antagonistycznie - utrzymują dany region chromatyny w stanie nieaktywnym

35 Utrzymywanie wzorów ekspresji kluczowych genów regulatorowych w trakcie rozwoju antagonizm PcG-Trx

36 Mutacje homeotyczne w mutantach polycomb Sparmann and Lohuizen Nature Reviews Cancer 6,

37 Homologi podjednostek kompleksu Polycomb (PRC2) Developmental Cell 19, November 16, 2010

38 Zróżnicowanie kompleksów PcG - rośliny Drosophila PRC2 E(Z) (methylase) ESC SU(Z)12 NURF55 Arabidopsis PRC2 CURLY LEAF (CLF) MEDEA (MEA) FERTILIZATION INDEPENDENT ENDOSPERM (FIE) FERTILIZATION-INDEPENDENT SEED 2 (FIS2) EMBRYONIC FLOWER 2 (EMF2) MULTICOPY SUPPRESSOR OF IRA1 (MSI1,2,3,4,5) SWINGER (SWN) VERNALIZATION 2 (VRN2) The Plant Cell, 2010

39 U roślin występuje wiele kompleksów Polycomb typu PRC2 o wyspecjalizowanych funkcjach w rozwoju MEA + FIS2 complex Seed development Transition to flowering CLF/SWN + VRN2 complex CLF/SWN + EMF2 complex Floral organogenesis The Plant Cell, 2010

40 Procesy kontrolowane przez różne kompleksy Polycomb

41 Mutacje polycomb Arabidopsis Chanvivattana Y et al. Development 2004;131:

42 Geny kontrolowane przez roślinne białka Polycomb Są to m.in. geny homeotyczne kontrolujące rozwój kwiatów Nieprawidłowa aktywacja ekspresji genów homeotycznych w mutantach polycomb Chanvivattana Y et al. Development 2004;131: Uproszczony model regulacji rozwoju kwiatu (model ABC) Geny ABC (homeotyczne) Grupa A: Apetala1 (AP1) Apetala2 (AP2) Grupa B: Apetala3 (AP3) Pistilata (PI) Grupa C: Agamous (AG)

43 Czy opisany u zwierząt antagonizm PcG Trx w regulacji kluczowych genów rozwojowych występuje również u roślin? Roślinne białka Trx: ATX1, PKL, SYD, BRM TAK ten sam mechanizm został udowodniony kilka lat temu ( ) Wu M et al. PNAS 2012;109: m