Úloha repetitivních sekvencí v evoluci pohlavních chromozomů rostlin

Bc. Tomáš Čermák, Ph.D.

Master's thesis

The role of repetitive DNA sequences in the evolution of plant sex chromosomes

Anotácia:

Repetitívne sekvencie sú významonou súčasťou genómov väčšiny živých organizmov. Dôležitú úlohu hrajú v evolúcii pohlavných chromozómov, ktoré sa štruktúrou a vývojovými procesmi často výrazne líšia od autozómov. Obzvlášť významne môžu ovplyvnňovať vývoj chromozómu Y, kde absencia rekombinácie umožňuje repetitívnym elememtom hromadiť sa. Cieľom tejto práce bolo izolovať a charakterizovať repetitívne sekvencie z modelového dvojdomého rastlinného druhu Silene latifolia so zameraním na repetície sústredené na pohlavných chromozómoch a hľadanie vzťahu medzi dynamikou a lokalizáciou týchto repetícií a evolučnými procesmi formujúcicmi pohlavné chromozómy. PCR amplifikáciou rôznych druhov repetícií a následným vyhľadávaním v plazmidovej genómovej knižnici boli izolované hlavné typy repetitívnych sekvencií S. latifolia a získané základné údaje o ich zastúpení v genóme tohto dvojdomého druhu. Počítačovou analýzou získaných sekvencií boli vybraní reprezentatívni zástupcovia každej skupiny repetícií, ktorých lokalizácia na mitotických chromozómoch bola zistená pomocou fluorescenčnej in situ hybridizácie. Bola izolovaná jedna tandemová repetícia a dva mobilné elementy so zaujímavou distribúciou na chromozóme Y. Minisatelit TN24 s monomérom o dĺžke 43 bp prítomný na všetkých chromozómoch v okolí centroméry, sa na chromozóme Y nachádza v strednej časti ramena p, čo môže poukazovať na existenciu inverzie. Druhá forma tohto minisatelitu s monomérom obsahujúcim deléciu s dĺžkou 8 bp poskytuje silný špecifický signál len na ramene q chromozómu Y. Fluorescenčnou in situ hybridizáciou s všetkými možnými variantami mono-, di- a trinukleotidových mikrosatelitov bola potvrdená akumulácia väčšiny mikrosatelitov na chromozóme Y. Po prvý krát tiež bola dokázaná akumulácia jedného druhu copia retrotranspozónu na chromozóme Y, čo podporuje teórie o expanzii genómu spôsobenej retrotranspozónmi a naznačuje, že nahromadenie retrotranspozónov môže byť jedným z prvých krokov v evolúcii chromozómu Y po zastavení rekombinácie. Jeden z izolovaných gypsy retrotranspozónov je naopak častý na autozómoch a chromozóme X, ale takmer vôbec neprítomný na chromozóme Y. Pravdepodobne ide o element šíriaci sa rekombináciou alebo aktívny len v samičom genóme. Tiež je možné, že u S. latifolia existujú bariéry, ktorými sa chromozóm Y bráni prieniku parazitických elementov.

Abstract:

Repetitive sequences are an important part of genomes in the most of living organisms. They play an important role in the evolution of sex chromosomes, whose structure and patterns of evolution are often quite different from autosomes. In particular, they could have a significant influence on the development of the Y chromosome, where the absence of recombination allows their accumulation. The aim of this work was to isolate and characterize repetitive sequences from model dioecious plant species Silene latifolia with a view to repeats accumulated on sex chromosomes and to look for relationship between the dynamics and localization of these repetitive sequences and the evolutionary forces that drive the evolution of sex chromosomes. PCR amplification of different types of repetitive elements and subsequent screening of the plasmid genomic library was used to isolate the main types of S. latifolia repetitive sequences and to gain the basic data about their distribution in the genome of this dioecious species. Representatives of each group of repetitive elements were chosen by computer analysis of obtained sequences and localized to mitotic chromosomes by fluorescence in situ hybridization. One tandem repeat and two mobile elements showing an interesting distribution on the Y chromosome were isolated. The minisatellite TN24 with an 43 bp lenght monomer had centromeric localization on all chromosomes except of Y, where it was localized in the middle part of the p arm. This could be pointing out that a large inversion on the Y chromosome could occur. The second form of this minisatellite with monomer containing 8 bp deletion gave a strong specific signal only on the q arm of the Y chromosome. The accumulation of most types of microsatellites on the Y chromosome was revealed by fluorescence in situ hybridization with all possible variants of mono-, di-, and trinucleotide microsatellites. For the first time, also the accumulation of one type of copia retrotransposon on the Y chromosome was showed, what gives a support to theories of retrotransposon drived genome expansion and implies that the accumulation of retrotransposons could be one of the first steps in the Y chromosome evolution after the cessation of recombination. On the other hand, one of isolated gypsy retrotransposons is very common on autosomes and the X chromosome, but almost absent from the Y chromosome. This element probably spreads by recombination or its activity is restricted to the female genome. It is also possible that there exist some barrieres in S. latifolia used by Y chromosome to protect it from invasion of some types of parasitic elements.

Kľúčové slová

repetitívne sekvencie, pohlavné chromozómy, Silene latifolia, degenerácia chromozómu Y, repetitive sequences, sex chromosomes, Y chromosome degeneration

Jazyk práce: Czech

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 23. 5. 2007

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 11. 6. 2007
• Vedúci: doc. RNDr. Eduard Kejnovský, CSc.

Masaryk University

Faculty of Science

Master programme / odbor:
Biology / Molecular Biology and Genetics