Evoluce telomer a telomerázy u rostlin

Mgr. Petr Fajkus, Ph.D.

Doctoral thesis

Evolution of telomeres and telomerase in plants

Abstract:

Mezi rostliny, které nemají „typický“ rostlinný telomerový motiv (TTTAGGG)n patří z dvouděložných rostlin rod Cestrum a blízce příbuzné rody Vestia a Sessea (Solanaceae) a z jednoděložných rod Allium (Asparagales). Fylogeneze v rámci Asparagales je spojena se dvěma změnami v telomerové sekvenci DNA – nejprve z obvyklého rostlinného typu (TTTAGGG)n na typ typický pro obratlovce (TTAGGG)n. Druhá změna nastala s divergencí rodu Allium (Amaryllidaceae), což vedlo k dosud neznámé telomerové sekvenci udržované pomocí neznámého mechanismu. Pro charakterizaci neobvyklých telomer u rostlin z rodu Cestrum a Allium byla použit kombinace bioinformatického zpracování transkriptomických a genomických dat se standardními přístupy používanými v biologii telomer, jako jsou testy citlivosti k BAL31 nukleáze, analýza terminálních restrikčních fragmentů (TRF), či tzv. Telomere repeat amplification protocol (TRAP) a fluorescenční in situ hybridizace (FISH). Pomocí těchto metod se podařilo charakterizovat neobvyklou telomerovou sekvenci (TTTTTTAGGG)n u Cestrum elegans a (CTCGGTTATGGG)n u rodu Allium, a také prokázat mechanismus jejich udržování pomocí telomerázy. Objasnění neobvyklých telomer otevřelo možnost studovat molekulární principy a důsledky těchto evolučních změn telomer. Souběžně s charakterizací neobvyklých telomer byl studován gen kódující telomerázovou reverzní transkriptázu (TERT). Gen TERT je u většiny eukaryot přednostně udržován v jedné kopii, u allotetraploidní rostliny Nicotiana tabacum byla již dřívepopsána existence tří paralogů TERT . Přítomnost, původ a funkční stav variant TERT byly zkoumány experimentálně u dalších polyploidních druhů rodu Nicotiana různého vývojových stáří a původu, a také v dostupných genomových datech jiných diploidních a polyploidních druhů. Kombinace experimentálních a in silico analýz kopií genů TERT v polyploidech Nicotiana odhalila různé vzory udržování nebo ztráty rodičovských variant TERT. Analýza mikrosyntenie TERT lokusu u reprezentativních rostlinných genomů ukázala, že gen TERT se vyskytuje v relativně stabilním lokusu, který je zachován od divergence dvouděložných a později byl translokován u několika rostlinných skupin.

Abstract:

Among species lacking the 'typical' plant telomere motif (TTTAGGG)n, there are eudicot genus Cestrum and closely related genera Vestia and Sessea (family Solanaceae), and monocot genus Allium from Asparagales. Phylogenetic divergence in Asparagales plants is associated with two switches in telomere sequences, first from plant type (TTTAGGG)n to vertebrate type (TTAGGG)n. The second switch occurred with the divergence of the genus Allium (Amaryllidaceae) resulting in uncharacterised telomeres maintained by an unknown mechanism. To characterise the unknown Cestrum or Allium telomeres, a combination of bioinformatic processing of transcriptomic and genomic data was applied together with standard approaches in telomere biology such as BAL31 nuclease sensitivity tests, terminal restriction fragment analysis, the telomere repeat amplification protocol (TRAP), and fluorescence in situ hybridization (FISH). Using these methods, the unusual telomeric sequence (TTTTTTAGGG)n in Cestrum elegans and (CTCGGTTATGGG)n in Allium species was characterized and synthesis of these repeats by telomerase was demonstrated. Our findings in species with unusual telomeres open up possibility of studying the molecular principles and consequences of these telomere evolutionary changes. In parallel to characterisation of unusual telomeres, the gene coding for the telomerase reverse transcriptase (TERT) was studied. TERT gene is preferentially maintained as a single copy in most Eukaryotes, however; the existence of three TERT paralogs in the allotetraploid plant Nicotiana tabacum has been described previously. The presence, origin and functional status of TERT variants in other polyploid Nicotiana species of diverse evolutionary ages and parental genome donors was examined experimentally, as well as in genomic data from other diploid and polyploid plant species. A combination of experimental and in silico analyses of TERT gene copies in Nicotiana polyploids revealed various patterns of retention or loss of parental TERT variants and divergence of their function. When sampling representative plant genomes, the synteny analyses showed that the TERT gene occurs in a relatively stable locus that is conserved since the divergence of eudicots, and that the gene was translocated later in several plant groups.

Keywords

Telomery, Telomeráza, Allium, Evoluce, TERT, TR, Syntenie, Chromozom, NGS, Genomová duplikace, Telomeres, Telomerase, Evolution, Synteny, Chromosome, Genome duplication

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 15. 7. 2019

Thesis defence

• Date of defence: 19. 9. 2019
• Supervisor: Mgr. Eva Sýkorová, CSc.
• Reader: doc. RNDr. David Honys, Ph.D., prof. RNDr. Ĺubomír Tomáška, DrSc.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Biochemistry (4-years) / Genomics and Proteomics