The aim of this study was to characterize strains used in the cross-protection scheme in South Africa by establishing Polymerase Chain Reaction (PCR) systems aimed at differentiating the strains by targeting the conserved p23 gene and the variable 5' half of the Citrus tristeza virus (CTV) genome. Two cross-protecting sources GFMS 12 and GFMS 35; and eight single aphid sub-isolates were tested and classified into strain types or genotypes. An oligonucleotide microarray system was developed to differentiate T30 and T36 strains of CTV. The establishment and development of such tests will enable the South African Citrus Industry to better select mild strains for cross-protection and determine which strains are present in citrus growing areas so as to better understand the dynamics of the disease. The first aim was to characterise the p23 gene of possible mild-strain cross-protection isolates in South Africa (RSA) and compare them to known isolates worldwide. Isolates were amplified with bi-directional RT-PCR, sequenced and phylogenetic analysis performed. The predicted amino acid sequences were compared for areas of possible variability for further strain differentiation. A bi-directional PCR developed by Sambade et al. (2003) was established that targets differences in amino acid positions 78-80 of the p23 gene and allows discrimination of isolates into mild, atypical and severe groups. The group designations of RSA isolates 390-3 and 390-5 were atypical; 390-4, 389-4 and 389-3 were mild; GFMS 35 had mild and atypical isolates; GFMS12, 12-7 and 12-9 had mild and severe isolates and; 12-5 was severe. The three main clusters on the phylogenetic tree confirmed the group designations of these isolates. Isolates in the atypical group were more diverse than ones in the mild or severe groups. There were 53 polymorphic sites within the amino acid sequences of p23 gene of the RSA and reference isolates, of which 4 distinct regions showed variability. The amino acid region 78-80 was confirmed as being very useful in grouping these isolates as mild, severe or atypical. The PCR system was robust, reproducible and has potential in the RSA Citrus industry as a screening tool in selecting mild strains for cross-protection and in detecting mixed strains in isolates. The secondary aim was to establish the 23 primer pair PCR system developed by Hilf et al. (2000) to differentiate isolates as T36, T30, VT or T3 genotypes. Each isolate was tested with RT-PCR using 23 individually optimised genotype specific primer sets (Hilf et al., 2000). The most common genotype detected was T30 and the least common was T3. The GFMS 35, T30 plant and 389-3 isolates had a homogenous T30 genotype profile and isolate 12-5 had a VT genotype profile. The 389-4, 390-3 and 390-4 isolates had a predominantly T30 genotype profile and isolates 12-7 had a predominantly VT genotype profile. Isolate GFMS 12 had a mixed genotype profile indicative of a mixed infection while isolates 390-5 and 12-9 appeared to have mixed genotypes of VT, T30 and T36. Isolates 390-3 390-4 and 390-5 had no amplification within regions 4-7 and appear to be highly variable isolates or possible recombinants. The T3 genotype specific markers were found in region 2 of a few isolates and could be a cross-reacting primer set to the T3o genotype. It is useful for homogenous strains in determining the genotypes, molecular marker information, possible variability or recombination and for approving isolates for mild strain cross-protection. Potential drawbacks of the system include non-amplification of regions; cross-reacting primers; difficulty in optimising; and secondary structures. It was difficult to objectively draw conclusions if an isolated had mixed genotypes since mixed genotype amplifications were not consistently found in all regions targeted. The third aim was to develop an oligonucleotide (oligo) microarray system to differentiate mild T30 and severe T36 strains. The 5' half of the CTV genome was Cy3 5'-end labelled and amplified. Oligos were designed to be T36-strain specific with a Tm above 60 °C and if possible a GC content above 65 %; and differed in amount and position of mismatches to strain T30. A standard operating protocol was set up by testing different labelling methods, hybridization mixes and washing steps. The array was tested using individual T30 and T36 strains as templates at 42, 52 and 60 °C. Experimental variation was quantified and normalised. The secondary structures of the hybridizing amplicons were determined by mfold (Zuker et al., 2003). Some oligos were specific at 42 °C and others at 52 °C. The hybridization allowed a clear differentiation of strain T36 with 13 of the T36-specific oligos at their optimal hybridization temperature. A few oligonucleotides showed cross-hybridization to strain T30 and were not used in further analysis. Oligonucleotides with 21 % or more mismatches were successful oligos, whereas ones that had 18 % or fewer mismatches had cross-hybridization. Some oligos were modified to include Locked Nucleic Acid (LNA) instead of DNA in an attempt to increase specificity with two of them having increased specificity compared to the unmodified DNA oligonucleotides. The successful differentiation by hybridization to strain specific oligos opens paths for highly parallel, yet specific assays for strain differentiation of CTV strains and a more thorough insight into the future strains circulating in RSA. / Dissertation (MSc (Microbiology))--University of Pretoria, 2008. / Microbiology and Plant Pathology / unrestricted

L'incessant augment del nombre de seqüències genòmiques, juntament amb l'increment del nombre de tècniques experimentals de les que es disposa, permetrà obtenir el catàleg complet de les funcions cel.lulars de diferents organismes, incloent-hi la nostra espècie. Aquest catàleg definirà els fonaments sobre els que es podrà entendre millor com els organismes funcionen a nivell molecular. Al mateix temps es tindran més pistes sobre els canvis que estan associats amb les malalties. Per tant, la seqüència en brut, tal i com s'obté dels projectes de seqüenciació de genomes, no té cap valor sense les anàlisis i la subsegüent anotació de les característiques que defineixen aquestes funcions. Aquesta tesi presenta la nostra contribució en tres aspectes relacionats de l'anotació dels gens en genomes eucariotes. Primer, la comparació a nivell de seqüència entre els genomes humà i de ratolí es va dur a terme mitjançant un protocol semi-automàtic. El programa de predicció de gens SGP2 es va desenvolupar a partir d'elements d'aquest protocol. El concepte al darrera de l'SGP2 és que les regions de similaritat obtingudes amb el programa TBLASTX, es fan servir per augmentar la puntuació dels exons predits pel programa geneid, amb el que s obtenen conjunts d'anotacions més acurats d'estructures gèniques. SGP2 té una especificitat que és prou gran com per que es puguin validar experimentalment via RT-PCR. La validació de llocs d'splicing emprant la tècnica de la RT-PCR és un bon exemple de com la combinació d'aproximacions computacionals i experimentals produeix millors resultats que per separat. S'ha dut a terme l'anàlisi descriptiva a nivell de seqüència dels llocs d'splicing obtinguts sobre un conjunt fiable de gens ortòlegs per humà, ratolí, rata i pollastre. S'han explorat les diferències a nivell de nucleòtid entre llocs U2 i U12, pel conjunt d'introns ortòlegs que se'n deriva d'aquests gens. S'ha trobat que els senyals d'splicing ortòlegs entre humà i rossegadors, així com entre rossegadors, estan més conservats que els llocs no relacionats. Aquesta conservació addicional pot ser explicada però a nivell de conservació basal dels introns. D'altra banda, s'ha detectat més conservació de l'esperada entre llocs d'splicing ortòlegs entre mamífers i pollastre. Els resultats obtinguts també indiquen que les classes intròniques U2 i U12 han evolucionat independentment des de l'ancestre comú dels mamífers i les aus. Tampoc s'ha trobat cap cas convincent d'interconversió entre aquestes dues classes en el conjunt d'introns ortòlegs generat, ni cap cas de substitució entre els subtipus AT-AC i GT-AG d'introns U12. Al contrari, el pas de GT-AG a GC-AG, i viceversa, en introns U2 no sembla ser inusual. Finalment, s'han implementat una sèrie d'eines de visualització per integrar anotacions obtingudes pels programes de predicció de gens i per les anàlisis comparatives sobre genomes. Una d'aquestes eines, el gff2ps, s'ha emprat en la cartografia dels genomes humà, de la mosca del vinagre i del mosquit de la malària, entre d'altres. El programa gff2aplot i els filtres associats, han facilitat la tasca d'integrar anotacions de seqüència amb els resultats d'eines per la cerca d'homologia, com ara el BLAST. S'ha adaptat també el concepte de pictograma a l'anàlisi comparativa de llocs d splicing ortòlegs, amb el desenvolupament del programa compi. / El aumento incesante del número de secuencias genómicas, junto con el incremento del número de técnicas experimentales de las que se dispone, permitirá la obtención del catálogo completo de las funciones celulares de los diferentes organismos, incluida nuestra especie. Este catálogo definirá las bases sobre las que se pueda entender mejor el funcionamiento de los organismos a nivel molecular. Al mismo tiempo, se obtendrán más pistas sobre los cambios asociados a enfermedades. Por tanto, la secuencia en bruto, tal y como se obtiene en los proyectos de secuenciación masiva, no tiene ningún valor sin los análisis y la posterior anotación de las características que definen estas funciones. Esta tesis presenta nuestra contribución a tres aspectos relacionados de la anotación de los genes en genomas eucariotas. Primero, la comparación a nivel de secuencia entre el genoma humano y el de ratón se llevó a cabo mediante un protocolo semi-automático. El programa de predicción de genes SGP2 se desarrolló a partir de elementos de dicho protocolo. El concepto sobre el que se fundamenta el SGP2 es que las regiones de similaridad obtenidas con el programa TBLASTX, se utilizan para aumentar la puntuación de los exones predichos por el programa geneid, con lo que se obtienen conjuntos más precisos de anotaciones de estructuras génicas. SGP2 tiene una especificidad suficiente como para validar esas anotaciones experimentalmente vía RT-PCR. La validación de los sitios de splicing mediante el uso de la técnica de la RT-PCR es un buen ejemplo de cómo la combinación de aproximaciones computacionales y experimentales produce mejores resultados que por separado. Se ha llevado a cabo el análisis descriptivo a nivel de secuencia de los sitios de splicing obtenidos sobre un conjunto fiable de genes ortólogos para humano, ratón, rata y pollo. Se han explorado las diferencias a nivel de nucleótido entre sitios U2 y U12 para el conjunto de intrones ortólogos derivado de esos genes. Se ha visto que las señales de splicing ortólogas entre humanos y roedores, así como entre roedores, están más conservadas que las no ortólogas. Esta conservación puede ser explicada en parte a nivel de conservación basal de los intrones. Por otro lado, se ha detectado mayor conservación de la esperada entre sitios de splicing ortólogos entre mamíferos y pollo. Los resultados obtenidos indican también que las clases intrónicas U2 y U12 han evolucionado independientemente desde el ancestro común de mamíferos y aves. Tampoco se ha hallado ningún caso convincente de interconversión entre estas dos clases en el conjunto de intrones ortólogos generado, ni ningún caso de substitución entre los subtipos AT-AC y GT-AG en intrones U12. Por el contrario, el paso de GT-AG a GC-AG, y viceversa, en intrones U2 no parece ser inusual. Finalmente, se han implementado una serie de herramientas de visualización para integrar anotaciones obtenidas por los programas de predicción de genes y por los análisis comparativos sobre genomas. Una de estas herramientas, gff2ps, se ha utilizado para cartografiar los genomas humano, de la mosca del vinagre y del mosquito de la malaria. El programa gff2aplot y los filtros asociados, han facilitado la tarea de integrar anotaciones a nivel de secuencia con los resultados obtenidos por herramientas de búsqueda de homología, como BLAST. Se ha adaptado también el concepto de pictograma al análisis comparativo de los sitios de splicing ortólogos, con el desarrollo del programa compi. / The constantly increasing amount of available genome sequences, along with an increasing number of experimental techniques, will help to produce the complete catalog of cellular functions for different organisms, including humans. Such a catalog will define the base from which we will better understand how organisms work at the molecular level. At the same time it will shed light on which changes are associated with disease. Therefore, the raw sequence from genome sequencing projects is worthless without the complete analysis and further annotation of the genomic features that define those functions. This dissertation presents our contribution to three related aspects of gene annotation on eukaryotic genomes. First, a comparison at sequence level of human and mouse genomes was performed by developing a semi-automatic analysis pipeline. The SGP2 gene-finding tool was developed from procedures used in this pipeline. The concept behind SGP2 is that similarity regions obtained by TBLASTX are used to increase the score of exons predicted by geneid, in order to produce a more accurate set of gene structures. SGP2 provides a specificity that is high enough for its predictions to be experimentally verified by RT-PCR. The RT-PCR validation of predicted splice junctions also serves as example of how combined computational and experimental approaches will yield the best results. Then, we performed a descriptive analysis at sequence level of the splice site signals from a reliable set of orthologous genes for human, mouse, rat and chicken. We have explored the differences at nucleotide sequence level between U2 and U12 for the set of orthologous introns derived from those genes. We found that orthologous splice signals between human and rodents and within rodents are more conserved than unrelated splice sites. However, additional conservation can be explained mostly by background intron conservation. Additional conservation over background is detectable in orthologous mammalian and chicken splice sites. Our results also indicate that the U2 and U12 intron classes have evolved independently since the split of mammals and birds. We found neither convincing case of interconversion between these two classes in our sets of orthologous introns, nor any single case of switching between AT-AC and GT-AG subtypes within U12 introns. In contrast, switching between GT-AG and GC-AG U2 subtypes does not appear to be unusual. Finally, we implemented visualization tools to integrate annotation features for gene- finding and comparative analyses. One of those tools, gff2ps, was used to draw the whole genome maps for human, fruitfly and mosquito. gff2aplot and the accompanying parsers facilitate the task of integrating sequence annotations with the output of homologybased tools, like BLAST.We have also adapted the concept of pictograms to the comparative analysis of orthologous splice sites, by developing compi.