Variability in ribosomal DNA genic and spacer regions in Verticillium dahliae isolates from different hosts

Using PCR-based assays with specific primers for amplification of the ribosomal DNA intergenic spacer region (IGS) and a portion of the mitochondrial DNA small subunit ribosomal RNA gene (mtDNA SSU rRNA), the genetic variability among Verticillium dahliae isolates from olive (Olea europaea) and other host species from Argentina and Brazil was estimated. The derived UPGMA-generated phenograms based upon the restriction fingerprinting data of rDNA IGS products revealed genetic differences, correlating with the host of origin. Isolates infecting olive genetically distinct from those from cocoa (Theobroma cacao) and sunflower (Helianthus annuus). Digestion of mitochondrial DNA SSU rRNA PCR products revealed less variability, distinguishing only one isolate from sunflower. Ribosomal DNA ITS restriction patterns were identical for all isolates of V. dahliae, irrespective of host of origin. These preliminary results may have relevance for Verticillium wilt control practices, possibly reflecting a different evolutionary origin, or reproductive isolation of the pathogen in olive, distinct from populations of other hosts.

Représentation et recherche de motifs cycliques et structuraux d’ARN connus dans les structures secondaires

L'acide désoxyribonucléique (ADN) et l'acide ribonucléique (ARN) sont des polymères de nucléotides essentiels à la cellule. À l'inverse de l'ADN qui sert principalement à stocker l'information génétique, les ARN sont impliqués dans plusieurs processus métaboliques. Par exemple, ils transmettent l’information génétique codée dans l’ADN. Ils sont essentiels pour la maturation des autres ARN, la régulation de l’expression génétique, la prévention de la dégradation des chromosomes et le ciblage des protéines dans la cellule. La polyvalence fonctionnelle de l'ARN résulte de sa plus grande diversité structurale. Notre laboratoire a développé MC-Fold, un algorithme pour prédire la structure des ARN qu'on représente avec des graphes d'interactions inter-nucléotidiques. Les sommets de ces graphes représentent les nucléotides et les arêtes leurs interactions. Notre laboratoire a aussi observé qu'un petit ensemble de cycles d'interactions à lui seul définit la structure de n'importe quel motif d'ARN. La formation de ces cycles dépend de la séquence de nucléotides et MC-Fold détermine les cycles les plus probables étant donnée cette séquence. Mon projet de maîtrise a été, dans un premier temps, de définir une base de données des motifs structuraux et fonctionnels d'ARN, bdMotifs, en terme de ces cycles. Par la suite, j’ai implanté un algorithme, MC-Motifs, qui recherche ces motifs dans des graphes d'interactions et, entre autres, ceux générés par MC-Fold. Finalement, j’ai validé mon algorithme sur des ARN dont la structure est connue, tels que les ARN ribosomaux (ARNr) 5S, 16S et 23S, et l'ARN utilisé pour prédire la structure des riborégulateurs. Le mémoire est divisé en cinq chapitres. Le premier chapitre présente la structure chimique, les fonctions cellulaires de l'ARN et le repliement structural du polymère. Dans le deuxième chapitre, je décris la base de données bdMotifs. Dans le troisième chapitre, l’algorithme de recherche MC-Motifs est introduit. Le quatrième chapitre présente les résultats de la validation et des prédictions. Finalement, le dernier chapitre porte sur la discussion des résultats suivis d’une conclusion sur le travail.

RNA recurrent motifs : identification and characterization

La détermination de la structure tertiaire du ribosome fut une étape importante dans la compréhension du mécanisme de la synthèse des protéines. Par contre, l’élucidation de la structure du ribosome comme tel ne permet pas une compréhension de sa fonction. Pour mieux comprendre la nature des relations entre la structure et la fonction du ribosome, sa structure doit être étudiée de manière systématique. Au cours des dernières années, nous avons entrepris une démarche systématique afin d’identifier et de caractériser de nouveaux motifs structuraux qui existent dans la structure du ribosome et d’autres molécules contenant de l’ARN. L’analyse de plusieurs exemples d’empaquetage de deux hélices d’ARN dans la structure du ribosome nous a permis d’identifier un nouveau motif structural, nommé « G-ribo ». Dans ce motif, l’interaction d’une guanosine dans une hélice avec le ribose d’un nucléotide d’une autre hélice donne naissance à un réseau d’interactions complexes entre les nucléotides voisins. Le motif G-ribo est retrouvé à 8 endroits dans la structure du ribosome. La structure du G-ribo possède certaines particularités qui lui permettent de favoriser la formation d’un certain type de pseudo-nœuds dans le ribosome. L’analyse systématique de la structure du ribosome et de la ARNase P a permis d’identifier un autre motif structural, nommé « DTJ » ou « Double-Twist Joint motif ». Ce motif est formé de trois courtes hélices qui s’empilent l’une sur l’autre. Dans la zone de contact entre chaque paire d’hélices, deux paires de bases consécutives sont surenroulées par rapport à deux paires de bases consécutives retrouvées dans l’ARN de forme A. Un nucléotide d’une paire de bases est toujours connecté directement à un nucléotide de la paire de bases surenroulée, tandis que les nucléotides opposés sont connectés par un ou plusieurs nucléotides non appariés. L’introduction d’un surenroulement entre deux paires de bases consécutives brise l’empilement entre les nucléotides et déstabilise l’hélice d’ARN. Dans le motif DTJ, les nucléotides non appariés qui lient les deux paires de bases surenroulées interagissent avec une des trois hélices qui forment le motif, offrant ainsi une stratégie élégante de stabilisation de l’arrangement. Pour déterminer les contraintes de séquences imposées sur la structure tertiaire d’un motif récurrent dans le ribosome, nous avons développé une nouvelle approche expérimentale. Nous avons introduit des librairies combinatoires de certains nucléotides retrouvés dans des motifs particuliers du ribosome. Suite à l’analyse des séquences alternatives sélectionnées in vivo pour différents représentants d’un motif, nous avons été en mesure d’identifier les contraintes responsables de l’intégrité d’un motif et celles responsables d’interactions avec les éléments qui forment le contexte structural du motif. Les résultats présentés dans cette thèse élargissent considérablement notre compréhension des principes de formation de la structure d’ARN et apportent une nouvelle façon d’identifier et de caractériser de nouveaux motifs structuraux d’ARN.

Structural rules for the formation of backbone-backbone interactions between closely packed RNA double helices

Les interactions entre les squelettes sucre-phosphate de nucléotides jouent un rôle important dans la stabilisation des structures tertiaires de larges molécules d’ARN. Elles sont régies par des règles particulières qui gouverne leur formation mais qui jusque là demeure quasiment inconnues. Un élément structural d’ARN pour lequel les interactions sucre-phosphate sont importantes est le motif d’empaquetage de deux doubles hélices d’ARN le long du sillon mineur. Ce motif se trouve à divers endroits dans la structure du ribosome. Il consiste en deux doubles hélices interagissant de manière à ce que le squelette sucre-phosphate de l’une se niche dans le sillon mineur de l’autre et vice versa. La surface de contact entre les deux hélices est majoritairement formée par les riboses et implique au total douze nucléotides. La présente thèse a pour but d’analyser la structure interne de ce motif et sa dépendance de stabilité résultant de l’association optimale ou non des hélices, selon leurs séquences nucléotidiques. Il est démontré dans cette thèse qu’un positionnement approprié des riboses leur permet de former des contacts inter-hélices, par l’entremise d’un choix particulier de l’identité des pairs de bases impliquées. Pour différentes pairs de bases participant à ce contact inter-hélices, l’identité optimale peut être du type Watson-Crick, GC/CG, or certaines pairs de bases non Watson-Crick. Le choix adéquat de paires de bases fournit une interaction inter-hélice stable. Dans quelques cas du motif, l’identité de certaines paires de bases ne correspond pas à la structure la plus stable, ce qui pourrait refléter le fait que ces motifs devraient avoir une liberté de formation et de déformation lors du fonctionnement du ribosome.

Comparative Cytogenetics and Molecular Phylogeography in the Group Astyanax altiparanae - Astyanax aff. bimaculatus (Teleostei, Characidae)

The genus Astyanax comprises small characin fish of the neotropical region. The so-called `yellow-tailed characins` compose one of the most widely distributed Astyanax groups. A. altiparanae and A. aff. bimaculatus, are evolutionarily closely related and commonly found in several Brazilian hydrographic basins. In the present work, chromosomal data of specimens of A. altiparanae and A. aff. bimaculatus from 4 hydrographic basins in the states of Sao Paulo (Upper Tiete, Paranapanema, Ribeira de Iguape) and Rio de Janeiro (Guapimirim) are shown. All the populations showed 50 chromosomes, with different karyotypic formula. Although only a single Ag-NOR bearing chromosome pair was observed, all populations possess multiple cistrons of 18S rDNA. FISH with the 5S rDNA probe showed single signals at the interstitial position of one metacentric chromosome pair. C-bands are distributed in the terminal and interstitial regions of several chromosomes. However, the As-51 satDNA are frugally located in a few chromosomes of fishes from Upper Tiete, Paranapanema and Guapimirim Rivers, being absent in individuals of A. aff. bimaculatus from Ribeira de Iguape River basin. Beside these 4 populations, molecular phylogeography studies were also performed in individuals from Middle and Lower Tiete River basin and from 2 additional collection sites in the Paranapanema and Ribeira de Iguape River basins. The phylogeographic analysis using 2 mtDNA regions (totalizing 1.314 bp of ND2 and ATPase6/8 genes) of 8 populations of the group of `yellow-tailed characins` from 3 major hydrographic basins showed structuring of populations, suggesting a correlation between chromosomal (nuclear) and molecular (mitochondrial) data. Copyright (C) 2011 S. Karger AG, Basel

Comparative chromosomal analyses in species of the genus Pimelodella (Siluriformes, Heptapteridae): occurrence of structural and numerical polymorphisms

Cytogenetic analyses were carried out in five species of Pimelodella from the main sub-basins of Upper Parana River and Paraiba do Sul River. The diploid number ranged from 2n = 46 to 2n = 58 chromosomes, and all populations differed in the karyotype constitution. The presence of supernumerary chromosomes as well as the occurrence of a XX/XY sex chromosome system and heterochromatin polymorphisms were detected. The 18S rDNA FISH confirmed the presence of single NORs and revealed additional sites on supernumerary chromosomes. The number and location of 5S rDNA sites were variable. Aspects related to the karyotypic evolution within the genus are discussed.

The R2 mobile element of Rhynchosciara americana: Molecular, cytological and dynamic aspects

Ribosomal RNA genes are encoded by large units clustered (18S, 5S, and 28S) in the nucleolar organizer region in several organisms. Sometimes additional insertions are present in the coding region for the 28S rDNA. These insertions are specific non-long terminal repeat retrotransposons that have very restricted integration targets within the genome. The retrotransposon present in the genome of Rhynchosciara americana, RaR2, was isolated by the screening of a genomic library. Sequence analysis showed the presence of conserved regions, such as a reverse transcriptase domain and a zinc finger motif in the amino terminal region. The insertion site was highly conserved in R. americana and a phylogenetic analysis showed that this element belongs to the R2 clade. The chromosomal localization confirmed that the RaR2 mobile element was inserted into a specific site in the rDNA gene. The expression level of RaR2 in salivary glands during larval development was determined by quantitative RT-PCR, and the increase of relative expression in the 3P of the fourth instar larval could be related to intense gene activity characteristic of this stage. 5`-Truncated elements were identified in different DNA samples. Additionally, in three other Rhynchosciara species, the R2 element was present as a full-length element.

Insights into the mechanism of progressive RNA degradation by the archaeal exosome

Initially identified in yeast, the exosome has emerged as a central component of the RNA maturation and degradation machinery both in Archaea and eukaryotes. Here we describe a series of high-resolution structures of the RNase PH ring from the Pyrococcus abyssi exosome, one of them containing three 10-mer RNA strands within the exosome catalytic chamber, and report additional nucleotide interactions involving positions N5 and N7. Residues from all three Rrp41-Rrp42 heterodimers interact with a single RNA molecule, providing evidence for the functional relevance of exosome ring-like assembly in RNA processivity. Furthermore, an ADP-bound structure showed a rearrangement of nucleotide interactions at site N1, suggesting a rationale for the elimination of nucleoside diphosphate after catalysis. In combination with RNA degradation assays performed with mutants of key amino acid residues, the structural data presented here provide support for a model of exosome-mediated RNA degradation that integrates the events involving catalytic cleavage, product elimination, and RNA translocation. Finally, comparisons between the archaeal and human exosome structures provide a possible explanation for the eukaryotic exosome inability to catalyze phosphate-dependent RNA degradation.

Structure, Dynamics, and RNA Interaction Analysis of the Human SBDS Protein

Shwachman-Bodian-Diamond syndrome is an autosomal recessive genetic syndrome with pleiotropic phenotypes, including pancreatic deficiencies, bone marrow dysfunctions with increased risk of myelodysplasia or leukemia, and skeletal abnormalities. This syndrome has been associated with mutations in the SBDS gene, which encodes a conserved protein showing orthologs in Archaea and eukaryotes. The Shwachman-Bodian-Diamond syndrome pleiotropic phenotypes may be an indication of different cell type requirements for a fully functional SBDS protein. RNA-binding activity has been predicted for archaeal and yeast SBDS orthologs, with the latter also being implicated in ribosome biogenesis. However, full-length SBDS orthologs function in a species-specific manner, indicating that the knowledge obtained from model systems may be of limited use in understanding major unresolved issues regarding SBDS function, namely, the effect of mutations in human SBDS on its biochemical function and the specificity of RNA interaction. We determined the solution structure and backbone dynamics of the human SBDS protein and describe its RNA binding site using NMR spectroscopy. Similarly to the crystal structures of Archaea, the overall structure of human SBDS comprises three well-folded domains. However, significant conformational exchange was observed in NMR dynamics experiments for the flexible linker between the N-terminal domain and the central domain, and these experiments also reflect the relative motions of the domains. RNA titrations monitored by heteronuclear correlation experiments and chemical shift mapping analysis identified a classic RNA binding site at the N-terminal FYSH (fungal, Yhr087wp, Shwachman) domain that concentrates most of the mutations described for the human SBDS. (C) 2010 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Dynamics of 5S rDNA in the tilapia (Oreochromis niloticus) genome: repeat units, inverted sequences, pseudogenes and chromosome loci

In higher eukaryotes, the 5S ribosomal DNA (5S rDNA) is organized in tandem arrays with repeat units composed of a coding region and a non-transcribed spacer sequence (NTS). These tandem arrays can be found on either one or more chromosome pairs. 5S rDNA copies from the tilapia fish. Oreochromis niloticus, were cloned and the nucleotide sequences of the coding region and of the non-transcribed spacer were deter-mined. Moreover, the genomic organization of the 5S rDNA tandem repeats was investigated by fluorescence in situ hybridization (FISH) and Southern blot hybridization. Two 5S rDNA classes, one consisting of 1.4-kb repeats and another one with 0.5-kb repeats were identified and designated 5S rDNA type I and type II, respectively, An inverted 5S rRNA gene and a 5S rRNA putative pseudogene were also identified inside the tandem repeats of 5S rDNA type I. FISH permitted the visualization of the 5S rRNA genes at three chromosome loci, one of them consisting of arrays of the 5S rDNA type I, and the two others corresponding to arrays of the 5S rDNA type II. The two classes of the 5S rDNA. The presence of pseudogenes, and the inverted genes observed in the O. niloticus genome might be a consequence of the intense dynamics of the evolution of these tandem repeat elements. Copyright (C) 2002 S. Karger AG, Basel.

Conservation of the 5S-bearing chromosome pair and co-localization with major rDNA clusters in five species of Astyanax (Pisces, Characidae)

Major and 5S ribosomal genes have been localized in chromosomes from five fish species, genus Aslyanax, using in situ hybridization (FISH) with 28S and 5S rDNA probes. In situ signals for the major rDNA co-localized with the 5S rDNA clusters in the pericentromeric region of one marker chromosome in all five species analyzed. The conserved localization of these two rDNA clusters in the five related Astyanax species was considered as indicative of a close relationship among them. The use of these molecular markers for elucidating evolutionary relationships among closely related taxa is discussed. Copyright (C) 2002 S. Karger AG, Basel.

Chromosome Mapping of H1 Histone and 5S rRNA Gene Clusters in Three Species of Astyanax (Teleostei, Characiformes)

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Evolutionary dynamics of rRNA gene clusters in cichlid fish

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Restriction fragment analysis of the ribosomal DNA of Paratelmatobius and Scythrophrys species (Anura, Leptodactylidae)

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Nucleotide sequence, genomic organization and chromosome localization of 5S rDNA in two species of Curimatidae (Teleostei, Characiformes)

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)