Proyecto 1000 Genomas Vegetales

Proyecto 1000 Genomas Vegetales
Agencia fundadora
  • Alberta innova el futuro tecnológico
  • Instituto de Investigación Agrícola de Alberta (AARI)
  • Genoma Alberta
  • Universidad de Alberta
  • BGI
  • Banco Nacional de Genes de China (CNGB)
  • Musea Ventures (Fundación de la Familia Somekh)
Duración2008 – 2019
Sitio webwww.onekp.com

La Iniciativa 1000 Transcriptomas de Plantas (1KP) fue un esfuerzo de investigación internacional para establecer el catálogo más detallado de variación genética en plantas. Fue anunciado en 2008 y dirigido por Gane Ka-Shu Wong y Michael Deyholos de la Universidad de Alberta . El proyecto secuenció con éxito los transcriptomas (genes expresados) de 1.000 especies de plantas diferentes hasta 2014; [1] [2] sus productos finales finales se publicaron en 2019. [3] [4] [5]

1KP fue uno de los proyectos de secuenciación a gran escala (que involucran a muchos organismos) diseñados para aprovechar la mayor disponibilidad de tecnologías de secuenciación de ADN de alto rendimiento ("próxima generación") . El similar Proyecto 1000 Genomas , por ejemplo, obtuvo secuencias genómicas de alta cobertura de 1000 personas individuales entre 2008 y 2015, para comprender mejor la variación genética humana . [6] [7] Este proyecto proporciona una plantilla para otros proyectos genómicos a escala planetaria, incluido el Proyecto 10KP que secuencia los genomas completos de 10.000 plantas, [8] y el Proyecto BioGenoma de la Tierra , cuyo objetivo es secuenciar, catalogar y caracterizar los genomas de toda la biodiversidad eucariota de la Tierra . [9]

Objetivos

En 2002 , el número de especies de plantas verdes clasificadas se estimaba en unas 370.000; sin embargo, es probable que haya muchos miles más aún sin clasificar. [10] A pesar de este número, muy pocas de estas especies tienen información detallada sobre la secuencia de ADN hasta la fecha; 125.426 especies en GenBank , al 11 de abril de 2012 , [11] pero la mayoría (>95%) tiene una secuencia de ADN para solo uno o dos genes. "...casi ninguna de las aproximadamente medio millón de especies de plantas conocidas por la humanidad ha sido tocada por la genómica en ningún nivel". [1] El Proyecto 1000 Genomas de Plantas tenía como objetivo producir un aumento de aproximadamente 100 veces en el número de especies de plantas con una amplia secuencia genómica disponible.

Relaciones evolutivas

Ha habido esfuerzos para determinar las relaciones evolutivas entre las especies de plantas conocidas, [12] [13] pero las filogenias (o árboles filogenéticos) se crearon únicamente utilizando datos morfológicos, estructuras celulares, enzimas individuales o solo en unas pocas secuencias (como el ARNr ) . puede ser propenso a errores; [14] Las características morfológicas son especialmente vulnerables cuando dos especies se ven físicamente similares aunque no estén estrechamente relacionadas (como resultado de una evolución convergente , por ejemplo) ni homología , o cuando dos especies estrechamente relacionadas se ven muy diferentes porque, por ejemplo, son capaces de a cambiar muy bien en respuesta a su entorno. Estas situaciones son muy comunes en el reino vegetal. Un método alternativo para construir relaciones evolutivas es mediante cambios en la secuencia de ADN de muchos genes entre las diferentes especies, que a menudo es más resistente a los problemas de especies de apariencia similar. [14] Con la cantidad de secuencia genómica producida por este proyecto, muchas relaciones evolutivas predichas podrían probarse mejor mediante la alineación de secuencias para mejorar su certeza. Con 383.679 filogenias de familias de genes nucleares y 2.306 distribuciones de edad de genes con gráficos Ks utilizados en el análisis final y compartidos en GigaDB junto con el artículo final. [15]

Aplicaciones de la biotecnología

La lista de genomas de plantas secuenciados en el proyecto no fue aleatoria; en lugar de ello, se centraron en las plantas que producen sustancias químicas valiosas u otros productos ( metabolitos secundarios en muchos casos) con la esperanza de que la caracterización de los genes implicados permita utilizar o modificar los procesos biosintéticos subyacentes. [1] Por ejemplo, se sabe que hay muchas plantas que producen aceites (como las de oliva) y algunos de los aceites de ciertas plantas tienen un gran parecido químico con productos derivados del petróleo como la palma aceitera y especies productoras de hidrocarburos . [16] Si estos mecanismos vegetales pudieran usarse para producir cantidades masivas de petróleo industrialmente útil, o modificarse para que lo hagan, entonces serían de gran valor. En este caso, conocer la secuencia de los genes de la planta implicados en la ruta metabólica que produce el aceite es un gran primer paso para permitir dicha utilización. Un ejemplo reciente de cómo funciona la ingeniería de vías bioquímicas naturales es el arroz dorado , que ha implicado modificar genéticamente su vía, de modo que se produzca un precursor de la vitamina A en grandes cantidades, lo que convierte al arroz de color marrón en una solución potencial para la deficiencia de vitamina A. [17] Este es un concepto popular de diseñar plantas para que hagan "trabajo" [18] y su potencial aumentaría dramáticamente como resultado de la información genética sobre estas 1000 especies de plantas. Las vías biosintéticas también podrían usarse para la producción en masa de compuestos medicinales utilizando plantas en lugar de reacciones químicas orgánicas manuales como la mayoría se crean actualmente.

Uno de los resultados más inesperados del proyecto fue el descubrimiento de múltiples canales iónicos novedosos sensibles a la luz utilizados ampliamente para el control optogenético de neuronas descubiertos mediante la secuenciación y caracterización fisiológica de opsinas de más de 100 especies de algas por parte del proyecto. [19] La caracterización de estas nuevas secuencias de canalrodopsina proporciona recursos a los ingenieros de proteínas que normalmente no tendrían interés ni capacidad para generar datos de secuencias de estas numerosas especies de plantas. [20] Varias empresas de biotecnología están desarrollando estas proteínas canalrodopsina con fines médicos, y muchos de estos candidatos a terapia optogenética se encuentran en ensayos clínicos para restaurar la visión en casos de ceguera retiniana . Los primeros resultados publicados de estos tratamientos para la retinitis pigmentosa se publicarán en julio de 2021. [21]

Enfoque del proyecto

La secuenciación se realizó inicialmente en la plataforma de secuenciación de ADN de próxima generación Illumina Genome Analyzer GAII en el Instituto de Genómica de Beijing (BGI Shenzhen, China), pero luego las muestras se procesaron en la plataforma más rápida Illumina HiSeq 2000 . Comenzando con las 28 máquinas de secuenciación de ADN de próxima generación Illumina Genome Analyzer , estas finalmente se actualizaron a 100 secuenciadores HiSeq 2000 en el Instituto de Genómica de Beijing . La capacidad inicial de 3 Gb/ejecución (3 mil millones de pares de bases por experimento) de cada una de estas máquinas permitió una secuenciación rápida y precisa de las muestras de plantas. [22]

Selección de especies

La selección de especies de plantas a secuenciar se compiló a través de una colaboración internacional de diversas agencias de financiación y grupos de investigadores que expresaron su interés en determinadas plantas. [1] Hubo un enfoque en aquellas especies de plantas que se sabe que tienen capacidad biosintética útil para facilitar los objetivos biotecnológicos del proyecto, y en la selección de otras especies para llenar vacíos y explicar algunas relaciones evolutivas desconocidas de la filogenia vegetal actual. Además de la capacidad biosintética de compuestos industriales, se asignó una alta prioridad a las especies de plantas de las que se sabe o se sospecha que producen sustancias químicas médicamente activas (como las amapolas que producen opiáceos ) para comprender mejor el proceso de síntesis, explorar el potencial de producción comercial y descubrir nuevas opciones farmacéuticas. Se seleccionaron un gran número de especies de plantas con propiedades medicinales de la medicina tradicional china (MTC). [1] La lista completa de especies seleccionadas se puede ver públicamente en el sitio web, [23] y los detalles metodológicos y de acceso a los datos se han publicado en detalle. [5] [24]

Transcriptoma versus secuenciación del genoma

En lugar de secuenciar el genoma completo (toda la secuencia de ADN) de las distintas especies de plantas, el proyecto secuenció sólo aquellas regiones del genoma que producen un producto proteico ( genes codificantes ); el transcriptoma . [1] Este enfoque se justifica por el enfoque en las vías bioquímicas donde solo se requieren los genes que producen las proteínas involucradas para comprender el mecanismo sintético, y porque estos miles de secuencias representarían detalles de secuencia adecuados para construir relaciones evolutivas muy sólidas a través de la comparación de secuencias. La cantidad de genes codificantes en las especies de plantas puede variar considerablemente, pero todos tienen decenas de miles o más, lo que hace que el transcriptoma sea una gran colección de información. Sin embargo, la secuencia no codificante constituye la mayor parte (>90%) del contenido del genoma. [25] Aunque este enfoque es conceptualmente similar a las etiquetas de secuencia expresada (EST), es fundamentalmente diferente en que la secuencia completa de cada gen se adquirirá con una alta cobertura en lugar de solo una pequeña porción de la secuencia del gen con una EST. [26] Para distinguir los dos, el método que no es EST se conoce como "secuenciación del transcriptoma de escopeta". [26]

Secuenciación de escopeta de transcriptoma

El ARNm ( ARN mensajero ) se recoge de una muestra, se convierte en ADNc mediante una enzima transcriptasa inversa y luego se fragmenta para poder secuenciarlo. [1] [22] Además de la secuenciación de escopeta del transcriptoma , esta técnica se ha denominado RNA-seq y secuenciación de escopeta del transcriptoma completo (WTSS). [26] Una vez que se secuencian los fragmentos de ADNc, se ensamblarán de novo (sin alinearse con una secuencia del genoma de referencia ) nuevamente en la secuencia genética completa combinando todos los fragmentos de ese gen durante la fase de análisis de datos. Para este proyecto se produjo un nuevo ensamblador de transcriptoma de novo diseñado específicamente para RNA-Seq, [27] SOAPdenovo-Trans forma parte del conjunto SOAP de herramientas de ensamblaje del genoma del BGI .

Muestreo de tejido vegetal

Las muestras procedían de todo el mundo, y algunas especies particularmente raras procedían de jardines botánicos como el Jardín Botánico Fairy Lake (Shenzhen, China). [ cita necesaria ] El tipo de tejido recolectado se determinó según la ubicación esperada de la actividad biosintética; por ejemplo, si se sabe que existe un proceso o una sustancia química interesante principalmente en las hojas, se utilizó una muestra de hoja. Se adaptaron y probaron varios protocolos de secuenciación de ARN para diferentes tipos de tejidos [24] y se compartieron abiertamente a través de la plataforma protocols.io. [28]

Limitaciones potenciales

Dado que solo se secuenció el transcriptoma, el proyecto no reveló información sobre la secuencia reguladora de genes , los ARN no codificantes , los elementos repetitivos del ADN u otras características genómicas que no formen parte de la secuencia codificante. Según los pocos genomas de plantas completos recopilados hasta ahora, estas regiones no codificantes constituirán de hecho la mayor parte del genoma, [25] [29] y el ADN no codificante puede ser en realidad el principal impulsor de las diferencias de rasgos observadas entre especies. [30]

Dado que el ARNm fue el material de partida, la cantidad de representación de secuencia de un gen determinado se basa en el nivel de expresión (cuántas moléculas de ARNm produce). Esto significa que los genes altamente expresados ​​obtienen una mejor cobertura porque hay más secuencias con las que trabajar. [30] El resultado, entonces, es que es posible que el proyecto no haya detectado de manera confiable algunos genes importantes si se expresan en un nivel bajo pero aún tienen funciones bioquímicas importantes.

Se sabe que muchas especies de plantas (especialmente las manipuladas agrícolamente) [29] han sufrido grandes cambios en todo el genoma mediante la duplicación de todo el genoma. Los genomas del arroz y del trigo, por ejemplo, pueden tener de 4 a 6 copias de genomas completos [29] ( trigo ), mientras que los animales normalmente sólo tienen 2 ( diploidía ). Estos genes duplicados pueden plantear un problema para el ensamblaje de novo de fragmentos de secuencia, porque las secuencias repetidas confunden a los programas de computadora cuando intentan juntar los fragmentos, y puede ser difícil rastrearlos a lo largo de la evolución.

Comparación con el Proyecto 1000 Genomas

Similitudes

Así como el Instituto de Genómica de Beijing en Shenzhen, China, es uno de los principales centros de genómica involucrados en el Proyecto 1000 Genomas , el instituto es el sitio de secuenciación del Proyecto 1000 Genomas de Plantas. [31] Ambos proyectos son esfuerzos a gran escala para obtener información detallada sobre la secuencia de ADN para mejorar nuestra comprensión de los organismos, y ambos proyectos utilizarán secuenciación de próxima generación para facilitar una finalización oportuna.

Diferencias

Los objetivos de los dos proyectos son significativamente diferentes. Mientras que el Proyecto 1000 Genomas se centra en la variación genética en una sola especie, el Proyecto 1000 Genomas de Plantas analiza las relaciones evolutivas y los genes de 1000 especies de plantas diferentes.

Si bien se estimó que el Proyecto 1000 Genomas costó hasta 50 millones de dólares, [6] el Proyecto 1000 Genomas Vegetales no fue tan costoso; la diferencia de costo proviene de la secuencia objetivo en los genomas. [1] Dado que el Proyecto 1000 Genomas de Plantas solo secuenció el transcriptoma, mientras que el proyecto humano secuenció tanto genoma como se consideró factible, [6] se necesita una cantidad mucho menor de esfuerzo de secuenciación en este enfoque más específico. Si bien esto significa que hubo menos producción de secuencia general en relación con el Proyecto 1000 Genomas , las porciones no codificantes de los genomas excluidas en el Proyecto 1000 Genomas de Plantas no fueron tan importantes para sus objetivos como lo son para el proyecto humano. Entonces, el enfoque más centrado del Proyecto 1000 Genomas Vegetales minimizó los costos y al mismo tiempo logró sus objetivos.

Fondos

El proyecto fue financiado por Alberta Innovates - Technology Futures (fusión de iCORE [1]), Genome Alberta, la Universidad de Alberta, el Beijing Genomics Institute (BGI) y Musea Ventures (una empresa de inversión privada con sede en EE. UU.). [32] Hasta la fecha, el proyecto recibió 1,5 millones de dólares canadienses del gobierno de Alberta y otros 0,5 millones de dólares de Musea Ventures. [32] En enero de 2010, BGI anunció que contribuiría con 100 millones de dólares a proyectos de secuenciación a gran escala de plantas y animales (incluido el Proyecto 1.000 Genomas de Plantas, y luego el Proyecto de 10.000 Genomas de Plantas [8] ). [31]

Proyectos relacionados

Ver también

Referencias

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enlaces externos

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