Laboratoř molekulární cytogenetiky
Zabýváme se studiem struktury a funkce jaderných genomů hmyzu a jiných členovců se zaměřením na klíčové otázky biologie pohlavních chromosomů, jejich evoluce a jejich role v determinaci pohlaví a speciaci. Pro výzkum chromosomů používáme pokročilé metody molekulární cytogenetiky spolu se standardními cytogenetickými technikami. Tyto metody zahrnují zejména různé modifikace fluorescenční in situ hybridizace (FISH) jako např. FISH s telomerickými a rDNA sondami, genomovou in situ hybridizaci (GISH), komparativní genomovou hybridizaci (CGH), mapovaní genů pomocí sond z bakteriálních umělých chromosomů (BAC; tzv. BAC-FISH) a barvení chromosomů pomocí chromosomálně-specifických sond připravených laserovou mikrodisekcí. Pro studium obsahu pohlavních chromosomů, pohlavně-vázaných genů a repetitivních DNA sekvencí a genů podílejících se na determinaci pohlaví využíváme též metody molekulární genetiky a genomiky včetně sekvenování nové generace.
Řešené výzkumné projekty
Chromosomální a molekulární mechanismy determinace pohlaví motýlů
Motýli (Lepidoptera) mají sy
stémy pohlavních chromosomů s heterogametickými samicemi (WZ /ZZ, Z/ZZ), ale skutečný mechanismus determinace pohlaví je prakticky neznámý. Teprve nedávno byl objeven primární faktor určující pohlaví u bource morušového, Bombyx mori. Jeho chromosom W kóduje Fem piRNA, která řídí vývoj samic potlačením exprese Z-vázaného genu Masculinizer, jenž v nepřítomnosti W vede k vývoji samců. Avšak výsledky u martináčů Samia cynthia spp. zpochybňují roli chromosomu W v determinaci samičího pohlaví a podporují rozhodující úlohu počtu chromosomů Z. Naše současné výsledky naopak naznačují, že dráha Fem piRNA /Masc by mohla být zachována u zavíječů čeledi Pyralidae. Proto studujeme molekulární mechanismy determinace pohlaví u druhů se stabilním systémem WZ/ZZ a druhů s postradatelným nebo chybějícím chromosomem W. V rámci tohoto studia identifikujeme ortology genů dráhy determinace pohlaví a analyzujeme jejich expresi a funkci pomocí sekvencí transkriptomů a dostupných metod molekulární genetiky. Naším cílem je přispět k pochopení evoluce determinace pohlaví u motýlů.
[PI: F. Marec]
Molekulární diferenciace a evoluční historie pohlavních chromosomů motýlů
Pohlavní chromosomy a jejich diferenciace patří k nejzajímavějším otázkám evoluční genetiky. Většina poznatků o evoluci pohlavních chromosomů u živočichů byla získána u organismů s heterogametickým samčím pohlavím (tj. se systémem pohlavních chromosomů XY) jako jsou např. mouch
y a savci. Mnohem méně poznatků je u organismů s heterogametickým samčím pohlavím, čili majících systém pohlavních chromosomů WZ nebo jeho modifikace. To se týká zejména motýlů (Lepidoptera), největší skupiny živočichů s heterogametickými samicemi. V naší laboratoři se zabýváme studiem základních charakteristik genomů motýlů, mapováním syntenie konzervovaných genů a molekulární diferenciací pohlavních chromosomů s cílem odhalit evoluční historii motýlích karyotypů a přispět tak k poznání obecných mechanismů evoluce pohlavních chromosomů.
[PI: F. Marec]
Vývoj obecných strategií pro konstrukci genetických sexing kmenů u škodlivých druhů motýlů
Během posledních 25 let byla úspěšně zavedena technika sterilního hmyzu (SIT) proti několika hlavním škůdcům z řádu Lepidoptera. Programy využívající SIT k regulaci populací motýlích škůdců jsou založeny na vypouštění zářením sterilizovaného hmyzu obou pohlaví. Vypouštění pouze samců by mohlo významně snížit náklady a zvýšit efektivitu SIT. Avšak dosud není u žádného motýlího škůdce k dispozici vhodný genetický systém pro produkci potomků pouze samčího pohlaví. Zabýváme se
vývojem obecné strategie pro konstrukci sexing kmenů u motýlů dvěma způsoby: (1) vložením podmíněného letálního genu do pohlavního chromozomu W, specifického pro samice, pomocí editace genomu tak, aby byla eliminována samičí embrya a (2) identifikací genů podílejících se na determinaci pohlaví s cílem nalézt nové možnosti genetické separace pohlaví. Našim hlavním modelovým druhem je obaleč jablečný, Cydia pomonella, jenž je celosvětově významným škůdcem jádrového ovoce a ořechů v oblastech mírného pásma. Tento výzkum je součástí mezinárodního projektu koordinovaného IAEA (Vídeň, Rakousko).
[PI: F. Marec]
Identifikace a analýza repetic v genomu a pohlavních chromosomech motýlů
Repetitivní DNA je nedílnou složkou každého eukaryotního genomu. Tandemové repetice se nacházejí např. v telomerách a centromerách chromosomů a jsou tak důležité pro udržování jejich integrity a funkce. Jsou to také nejrychleji se vyvíjející sekvence v genomu. Mobilní elementy neboli sobecká DNA ovlivňují podobu genomu mnoha mechanismy, které mohou vést např. ke změně exprese genů nebo k chromosomálním aberacím. Repetice se často vyskytují v kompaktní formě chromatinu, tzv. heterochromatinu, který je u motýlů poměrně vzácný. Největším heterochromatinovým blokem motýlů je tak obvykle pohlavní chromosom W, který se nachází výhradně u samic, a je o něm známo, že nese málo genů, ale mnoho repetitivní DNA. V tomto projektu se zabýváme repeticemi, které se podílejí na degeneraci chromosomu W u různých skupin motýlů, např. bělásků (Pieridae), píďalek (Geometridae) a můr (Noctuidae). Cílem je zjistit, jaká je mezidruhová i vnitrodruhová variabilita ve složení a umístění repetic na chromosomu W i jinde v genomu a jakými konkrétními mechanismy dochází k šíření repetic a divergenci chromosomů W a Z. K tomu používáme porovnávání samčích a samičích genomů pomocí bioinformatických nástrojů, např. RepeatExplorer a Tandem Repeats Finder. Vybrané repetice pak mapujeme pomocí fluorescenční in situ hybridizace (FISH), abychom zjistili jejich přesné umístění na chromosomech.
Obrázek: Analýza repetitivní DNA u motýlů. a) Identifikace pohlavního chromosomu W pomocí komparativní genomová hybridizace u Tischeria ekebladella (Tischeriidae). b) Mapování mikrosatelitu u Lomaspilis marginata (Geometridae) pomocí FISH. c) Mapování W-obohacené satelitní sekvence u Pieris napi (Pieridae). d) Variabilita v počtu a obsahu heterochromatinových bloků u L. marginata detekovaná pomocí FISH a barvení DAPI. Na obrázcích b, c a d jsou chromosomy podbarveny DAPI (modrá), hybridizační signály sond jsou červené. Měřítko = 10 um.
[PI: M. Zrzavá]
