In silico analysis of mitochondrial proteins

Le rôle important joué par la mitochondrie dans la cellule eucaryote est admis depuis longtemps. Cependant, la composition exacte des mitochondries, ainsi que les processus biologiques qui sy déroulent restent encore largement inconnus. Deux facteurs principaux permettent dexpliquer pourquoi létude des mitochondries progresse si lentement : le manque defficacité des méthodes didentification des protéines mitochondriales et le manque de précision dans lannotation de ces protéines. En conséquence, nous avons développé un nouvel outil informatique, YimLoc, qui permet de prédire avec succès les protéines mitochondriales à partir des séquences génomiques. Cet outil intègre plusieurs indicateurs existants, et sa performance est supérieure à celle des indicateurs considérés individuellement. Nous avons analysé environ 60 génomes fongiques avec YimLoc afin de lever la controverse concernant la localisation de la bêta-oxydation dans ces organismes. Contrairement à ce qui était généralement admis, nos résultats montrent que la plupart des groupes de Fungi possèdent une bêta-oxydation mitochondriale. Ce travail met également en évidence la diversité des processus de bêta-oxydation chez les champignons, en corrélation avec leur utilisation des acides gras comme source dénergie et de carbone. De plus, nous avons étudié le composant clef de la voie de bêta-oxydation mitochondriale, lacyl-CoA déshydrogénase (ACAD), dans 250 espèces, couvrant les 3 domaines de la vie, en combinant la prédiction de la localisation subcellulaire avec la classification en sous-familles et linférence phylogénétique. Notre étude suggère que les gènes ACAD font partie dune ancienne famille qui a adopté des stratégies évolutionnaires innovatrices afin de générer un large ensemble denzymes susceptibles dutiliser la plupart des acides gras et des acides aminés. Finalement, afin de permettre la prédiction de protéines mitochondriales à partir de données autres que les séquences génomiques, nous avons développé le logiciel TESTLoc qui utilise comme données des Expressed Sequence Tags (ESTs). La performance de TESTLoc est significativement supérieure à celle de tout autre outil de prédiction connu. En plus de fournir deux nouveaux outils de prédiction de la localisation subcellulaire utilisant différents types de données, nos travaux démontrent comment lassociation de la prédiction de la localisation subcellulaire à dautres méthodes danalyse in silico permet daméliorer la connaissance des protéines mitochondriales. De plus, ces travaux proposent des hypothèses claires et faciles à vérifier par des expériences, ce qui présente un grand potentiel pour faire progresser nos connaissances des métabolismes mitochondriaux.

Comparative mitochondrial genomics toward understanding genetics and evolution of arbuscular mycorrhizal fungi

Les champignons mycorhiziens arbusculaires (CMA) sont très répandus dans le sol où ils forment des associations symbiotiques avec la majorité des plantes appelées mycorhizes arbusculaires. Le développement des CMA dépend fortement de la plante hôte, de telle sorte qu'ils ne peuvent vivre à l'état saprotrophique, par conséquent ils sont considérés comme des biotrophes obligatoires. Les CMA forment une lignée évolutive basale des champignons et ils appartiennent au phylum Glomeromycota. Leurs mycélia sont formés d’un réseau d’hyphes cénocytiques dans lesquelles les noyaux et les organites cellulaires peuvent se déplacer librement d’un compartiment à l’autre. Les CMA permettent à la plante hôte de bénéficier d'une meilleure nutrition minérale, grâce au réseau d'hyphes extraradiculaires, qui s'étend au-delà de la zone du sol explorée par les racines. Ces hyphes possèdent une grande capacité d'absorption d’éléments nutritifs qui vont être transportés par ceux-ci jusqu’aux racines. De ce fait, les CMA améliorent la croissance des plantes tout en les protégeant des stresses biotiques et abiotiques. Malgré l’importance des CMA, leurs génétique et évolution demeurent peu connues. Leurs études sont ardues à cause de leur mode de vie qui empêche leur culture en absence des plantes hôtes. En plus leur diversité génétique intra-isolat des génomes nucléaires, complique d’avantage ces études, en particulier le développement des marqueurs moléculaires pour des études biologiques, écologiques ainsi que les fonctions des CMA. C’est pour ces raisons que les génomes mitochondriaux offrent des opportunités et alternatives intéressantes pour étudier les CMA. En effet, les génomes mitochondriaux (mt) publiés à date, ne montrent pas de polymorphismes génétique intra-isolats. Cependant, des exceptions peuvent exister. Pour aller de l’avant avec la génomique mitochondriale, nous avons besoin de générer beaucoup de données de séquençages de l’ADN mitochondrial (ADNmt) afin d’étudier les méchanismes évolutifs, la génétique des population, l’écologie des communautés et la fonction des CMA. Dans ce contexte, l’objectif de mon projet de doctorat consiste à: 1) étudier l’évolution des génomes mt en utilisant l’approche de la génomique comparative au niveau des espèces proches, des isolats ainsi que des espèces phylogénétiquement éloignées chez les CMA; 2) étudier l’hérédité génétique des génomes mt au sein des isolats de l’espèce modèle Rhizophagus irregularis par le biais des anastomoses ; 3) étudier l’organisation des ADNmt et les gènes mt pour le développement des marqueurs moléculaires pour des études phylogénétiques. Nous avons utilisé l’approche dite ‘whole genome shotgun’ en pyroséquençage 454 et Illumina HiSeq pour séquencer plusieurs taxons de CMA sélectionnés selon leur importance et leur disponibilité. Les assemblages de novo, le séquençage conventionnel Sanger, l’annotation et la génomique comparative ont été réalisés pour caractériser des ADNmt complets. Nous avons découvert plusieurs mécanismes évolutifs intéressant chez l’espèce Gigaspora rosea dans laquelle le génome mt est complètement remanié en comparaison avec Rhizophagus irregularis isolat DAOM 197198. En plus nous avons mis en évidence que deux gènes cox1 et rns sont fragmentés en deux morceaux. Nous avons démontré que les ARN transcrits les deux fragments de cox1 se relient entre eux par épissage en trans ‘Trans-splicing’ à l’aide de l’ARN du gene nad5 I3 qui met ensemble les deux ARN cox1.1 et cox1.2 en formant un ARN complet et fonctionnel. Nous avons aussi trouvé une organisation de l’ADNmt très particulière chez l’espèce Rhizophagus sp. Isolat DAOM 213198 dont le génome mt est constitué par deux chromosomes circulaires. En plus nous avons trouvé une quantité considérable des séquences apparentées aux plasmides ‘plasmid-related sequences’ chez les Glomeraceae par rapport aux Gigasporaceae, contribuant ainsi à une évolution rapide des ADNmt chez les Glomeromycota. Nous avons aussi séquencé plusieurs isolats de l’espèces R. irregularis et Rhizophagus sp. pour décortiquer leur position phylogénéque et inférer des relations évolutives entre celles-ci. La comparaison génomique mt nous montré l’existence de plusieurs éléments mobiles comme : des cadres de lecture ‘open reading frames (mORFs)’, des séquences courtes inversées ‘short inverted repeats (SIRs)’, et des séquences apparentées aux plasimdes ‘plasmid-related sequences (dpo)’ qui impactent l’ordre des gènes mt et permettent le remaniement chromosomiques des ADNmt. Tous ces divers mécanismes évolutifs observés au niveau des isolats, nous permettent de développer des marqueurs moléculaires spécifiques à chaque isolat ou espèce de CMA. Les données générées dans mon projet de doctorat ont permis d’avancer les connaissances fondamentales des génomes mitochondriaux non seulement chez les Glomeromycètes, mais aussi de chez le règne des Fungi et les eucaryotes en général. Les trousses moléculaires développées dans ce projet peuvent servir à des études de la génétique des populations, des échanges génétiques et l’écologie des CMA ce qui va contribuer à la compréhension du rôle primorial des CMA en agriculture et environnement.

Discrete wavelet transform de-noising in eukaryotic gene splicing

This paper compares the most common digital signal processing methods of exon prediction in eukaryotes, and also proposes a technique for noise suppression in exon prediction. The specimen used here which has relevance in medical research, has been taken from the public genomic database - GenBank.Here exon prediction has been done using the digital signal processing methods viz. binary method, EIIP (electron-ion interaction psuedopotential) method and filter methods. Under filter method two filter designs, and two approaches using these two designs have been tried. The discrete wavelet transform has been used for de-noising of the exon plots.Results of exon prediction based on the methods mentioned above, which give values closest to the ones found in the NCBI database are given here. The exon plot de-noised using discrete wavelet transform is also given.Alterations to the proven methods as done by the authors, improves performance of exon prediction algorithms. Also it has been proven that the discrete wavelet transform is an effective tool for de-noising which can be used with exon prediction algorithms

OCR A2 Unit F215 Biology : control, genomes and environment.

Guía de revisión para alumnos de educación secundaria de segundo ciclo que estén preparando el examen OCR (Oxford Cambridge and RSA Examinations) en el nivel A2 del área de biología. Está dividido en tres secciones: una introducción con orientación y consejos sobre el examen; una guía de contenidos con un resumen de los temas y conceptos básicos necesarios para superar la prueba organizados en cuatro módulos (control celular y variabilidad, biotecnología y tecnologías genéticas, ecosistemas y sostenibilidad, respuesta al entorno); y un apartado con ejemplos de preguntas de exámenes y dos juegos de respuestas comentadas por un examinador.

Simple sequence repeats reveal uneven distribution of genetic diversity in chloroplast genomes of Brassica oleracea L. and (n=9) wild relatives

Diversity in the chloroplast genome of 171 accessions representing the Brassica 'C' (n = 9) genome, including domesticated and wild B. oleracea and nine inter-fertile related wild species, was investigated using six chloroplast SSR (microsatellite) markers. The lack of diversity detected among 105 cultivated and wild accessions of B. oleracea contrasted starkly with that found within its wild relatives. The vast majority of B. oleracea accessions shared a single haplotype, whereas as many as six haplotypes were detected in two wild species, B. villosa Biv. and B. cretica Lam.. The SSRs proved to be highly polymorphic across haplotypes, with calculated genetic diversity values (H) of 0.23-0.87. In total, 23 different haplotypes were detected in C genome species, with an additional five haplotypes detected in B. rapa L. (A genome n = 10) and another in B. nigra L. (B genome, n = 8). The low chloroplast diversity of B. oleracea is not suggestive of multiple domestication events. The predominant B. oleracea haplotype was also common in B. incana Ten. and present in low frequencies in B. villosa, B. macrocarpa Guss, B. rupestris Raf. and B. cretica. The chloroplast SSRs reveal a wealth of diversity within wild Brassica species that will facilitate further evolutionary and phylogeographic studies of this important crop genus.

Eukaryotic expression: developments for structural proteomics

The production of sufficient quantities of protein is an essential prelude to a structure determination, but for many viral and human proteins this cannot be achieved using prokaryotic expression systems. Groups in the Structural Proteomics In Europe ( SPINE) consortium have developed and implemented high- throughput ( HTP) methodologies for cloning, expression screening and protein production in eukaryotic systems. Studies focused on three systems: yeast ( Pichia pastoris and Saccharomyces cerevisiae), baculovirusinfected insect cells and transient expression in mammalian cells. Suitable vectors for HTP cloning are described and results from their use in expression screening and protein-production pipelines are reported. Strategies for coexpression, selenomethionine labelling ( in all three eukaryotic systems) and control of glycosylation ( for secreted proteins in mammalian cells) are assessed.

Predicting functional gene links from phylogenetic-statistical analyses of whole genomes

An important element of the developing field of proteomics is to understand protein-protein interactions and other functional links amongst genes. Across-species correlation methods for detecting functional links work on the premise that functionally linked proteins will tend to show a common pattern of presence and absence across a range of genomes. We describe a maximum likelihood statistical model for predicting functional gene linkages. The method detects independent instances of the correlated gain or loss of pairs of proteins on phylogenetic trees, reducing the high rates of false positives observed in conventional across-species methods that do not explicitly incorporate a phylogeny. We show, in a dataset of 10,551 protein pairs, that the phylogenetic method improves by up to 35% on across-species analyses at identifying known functionally linked proteins. The method shows that protein pairs with at least two to three correlated events of gain or loss are almost certainly functionally linked. Contingent evolution, in which one gene's presence or absence depends upon the presence of another, can also be detected phylogenetically, and may identify genes whose functional significance depends upon its interaction with other genes. Incorporating phylogenetic information improves the prediction of functional linkages. The improvement derives from having a lower rate of false positives and from detecting trends that across-species analyses miss. Phylogenetic methods can easily be incorporated into the screening of large-scale bioinformatics datasets to identify sets of protein links and to characterise gene networks.

Phylogeny of Pelargonium (Geraniaceae) based on DNA sequences from three genomes

Phylogenetic hypotheses for the largely South African genus Pelargonium L'Hér. (Geraniaceae) were derived based on DNA sequence data from nuclear, chloroplast and mitochondrial encoded regions. The datasets were unequally represented and comprised cpDNA trnL-F sequences for 152 taxa, nrDNA ITS sequences for 55 taxa, and mtDNA nad1 b/c exons for 51 taxa. Phylogenetic hypotheses derived from the separate three datasets were overall congruent. A single hypothesis synthesising the information in the three datasets was constructed following a total evidence approach and implementing dataset specific stepmatrices in order to correct for substitution biases. Pelargonium was found to consist of five main clades, some with contrasting evolutionary patterns with respect to biogeographic distributions, dispersal capacity, pollination biology and karyological diversification. The five main clades are structured in two (subgeneric) clades that correlate with chromosome size. One of these clades includes a "winter rainfall clade" containing more than 70% of all currently described Pelargonium species, and all restricted to the South African Cape winter rainfall region. Apart from (woody) shrubs and small herbaceous rosette subshrubs, this clade comprises a large "xerophytic" clade including geophytes, stem and leaf succulents, harbouring in total almost half of the genus. This clade is considered to be the result of in situ proliferation, possibly in response to late-Miocene and Pliocene aridification events. Nested within it is a radiation comprising c. 80 species from the geophytic Pelargonium section Hoarea, all characterised by the possession of (a series of) tunicate tubers.

The timing of eukaryotic evolution: Does a relaxed molecular clock reconcile proteins and fossils?

The use of nucleotide and amino acid sequences allows improved understanding of the timing of evolutionary events of life on earth. Molecular estimates of divergence times are, however, controversial and are generally much more ancient than suggested by the fossil record. The limited number of genes and species explored and pervasive variations in evolutionary rates are the most likely sources of such discrepancies. Here we compared concatenated amino acid sequences of 129 proteins from 36 eukaryotes to determine the divergence times of several major clades, including animals, fungi, plants, and various protists. Due to significant variations in their evolutionary rates, and to handle the uncertainty of the fossil record, we used a Bayesian relaxed molecular clock simultaneously calibrated by six paleontological constraints. We show that, according to 95% credibility intervals, the eukaryotic kingdoms diversified 950-1,259 million years ago (Mya), animals diverged from choanoflagellates 761-957 Mya, and the debated age of the split between protostomes and deuterostomes occurred 642-761 Mya. The divergence times appeared to be robust with respect to prior assumptions and paleontological calibrations. Interestingly, these relaxed clock time estimates are much more recent than those obtained under the assumption of a global molecular clock, yet bilaterian diversification appears to be approximate to100 million years more ancient than the Cambrian boundary.

Chromosomal mapping of ANTP class homeobox genes in amphioxus: piecing together ancestral genomes

Homeobox genes encode DNA-binding proteins, many of which are implicated in the control of embryonic development. Evolutionarily, most homeobox genes fall into two related clades: the ANTP and the PRD classes. Some genes in ANTP class, notably Hox, ParaHox, and NK genes, have an intriguing arrangement into physical clusters. To investigate the evolutionary history of these gene clusters, we examined homeobox gene chromosomal locations in the cephalochordate amphioxus, Branchiostoma floridae. We deduce that 22 amphioxus ANTP class homeobox genes localize in just three chromosomes. One contains the Hox cluster plus AmphiEn, AmphiMnx, and AmphiDll. The ParaHox cluster resides in another chromosome, whereas a third chromosome contains the NK type homeobox genes, including AmphiMsx and ArnphiTlx. By comparative analysis we infer that clustering of ANTP class homeobox genes evolved just once, during a series of extensive cis-duplication events of genes early in animal evolution. A trans-duplication event occurred later to yield the Hox and ParaHox gene clusters on different chromosomes. The results obtained have implications for understanding the origin of homeobox gene clustering, the diversification of the ANTP class of homeobox genes, and the evolution of animal genomes.