Universität zu Köln

Voolstra, Christian (2006). Evolution of gene expression between closely related taxa of Mus. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Regulatory changes in gene expression are thought to play an important role in evolutionary divergence. It has been suggested that a large proportion of the changes relevant to the process of differential adaptation and species formation can be attributed to changes in gene regulation. Moreover, differences in gene expression are heritable and thus provide a target for selection. To infer genome-wide evolutionary patterns of species divergence, I studied the evolution of gene expression in a comparison of Mus musculus with its closest relative Mus spretus, and among subspecies of Mus musculus (Mus musculus domesticus, Mus musculus musculus, Mus musculus castaneus, Mus musculus ssp.). RNA of individuals from different wild populations and wild-derived populations at and below the species level were screened for expression differences in three tissues (brain, pooled liver/kidney, testis) with a microarray approach. Six male individuals from M. m. domesticus, M. m. musculus and M. m. ssp. and three male individuals from M. m. castaneus and M. spretus were compared. A common reference design was employed, and all samples were hybridized against labeled cDNA from laboratory mice (C57BL/6). Using multiple animals from each population allowed to differentiate between the fraction of variation stemming from within- and that stemming from between-terms of population differences. Gene expression measures served as a common currency to compare evolutionary divergence across different tissues. A statistical analysis based on the identification of differentially expressed genes shows that the number of genes that changed expression between taxa depends on divergence time and the tissue under study. Across subspecies most expression changes are identified in the liver/kidney and almost none in the testis, whereas across species the highest number of differentially expressed genes is identified in the testis. Comparative Genomic Hybridizations (CGHs) ruled out hybridization differences as a cause for the observed pattern. Mitochondrial D-loop sequencing shows that Mus spretus is separated from the Mus musculus subspecies and that Mus musculus ssp. is not resolved as a phylogenetic entity. Functional annotation analysis of the differentially expressed genes shows that a wide variety of genes change expression, that transcription factors are a major group in all three tissues, and that functional classification categorization is able to reflect the tissues identity. Quantitative real-time PCR was used to confirm chosen target loci. In another approach, genome-wide patterns of evolution of gene expression were investigated. A study of the overall rates of divergence of gene expression shows the same tendency as the study based on gene counts: across subspecies, divergence is highest in the liver/kidney and across species, it is highest in the testis. In addition, it was tested whether a correlation between sequence divergence and gene expression divergence exists. Across subspecies there is a negative correlation between variation in gene expression and dN/dS ratios for genes that changed expression, whereas across species this correlation is positive. The observation of divergent gene expression in metabolic organs among incipient subspecies of the house mouse suggests a pervasive role of ecological and physiological adaptations in the early stage of divergence while late divergence seems to be primarily driven by non-ecological factors. The dN/dS analysis points to a role of positive selection for the genes that changed expression between subspecies. Whether or not gene expression divergence in later stages of divergence is a cause or a consequence of speciation and whether sexual selection or genetic drift is the major driving force behind this divergence remains open. Additional experiments are necessary to answer these questions.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Evolution der Genexpression zwischen nah verwandten Taxa des Genus Mus German
Translated abstract:	Abstract Language Regulatorische Änderungen in der Expression von Genen scheinen für evolutionäre Divergenz von großer Bedeutung zu sein. Es wird angenommen, dass ein großer Teil der Änderungen, die relevant für differentielle Adaption und Artentstehung sind, auf Änderungen in der Regulation von Genen beruht. Unterschiede in der Expression von Genen sind vererbbar und können somit selektiert werden. Um genomweite evolutionäre Muster in der Divergenz zwischen Spezies bzw. Subspezies zu untersuchen, wurde die evolutionäre Veränderung der Genexpression von Mus musculus mit ihrem nächsten Verwandten Mus spretus verglichen sowie innerhalb der Subspezies von Mus musculus (Mus musculus domesticus, Mus musculus musculus, Mus musculus castaneus und Mus musculus ssp.). Zu diesem Zweck wurde RNA aus Individuen verschiedener Wildpopulationen und wild gefangener Laborpopulationen isoliert und Expressionsunterschiede im Gehirn, in Leber und Niere und im Testis mit Hilfe von Microarrays untersucht. Es wurden je sechs männliche Individuen von M. m. domesticus, M. m. musculus und M. m. ssp., sowie drei männliche Individuen von M. m. castaneus und M. spretus verglichen. Ein "common reference" Design wurde benutzt, d.h. alle Samples wurden gegen cDNA eines Pools von Labormäusen (C57BL/6) hybridisiert. Durch die Verwendung mehrerer Tiere jeder Population war es möglich, intra- und inter-spezifische Varianzen getrennt zu betrachten, um dadurch Erkenntnisse über individuenspezifische bzw. populationsweite Divergenzmuster zu erhalten. Genexpression fungierte hierbei als gemeinsamer Nenner, um die evolutionäre Divergenz zwischen den verschiedenen Organen zu vergleichen. Eine statistische Analyse der signifikant differentiell exprimierten Gene zeigt, dass die Anzahl der Gene, deren Expression zwischen den Taxa verschieden, ist sowohl von der Divergenzzeit als auch vom Gewebe abhängig ist. Zwischen Subspezies findet man die meisten Unterschiede in der Leber und Niere und nahezu keine Unterschiede im Testis. Im Gegensatz dazu findet man im Speziesvergleich die meisten differentiell exprimierten Gene im Testis. Hybridisierungen genomischer DNA von Mus spretus auf den Microarrays zeigten, dass Unterschiede in der Hybridisierungseffizienz als Ursache für das beobachtete Muster ausgeschlossen werden können. Um die phylogenetischen Verhältnisse zu untersuchen, wurden die mitochondrialen D-loop Sequenzen miteinander verglichen. Die Analyse zeigt, dass Mus spretus klar von den Mus musculus Subspezies separiert ist, und dass Mus musculus ssp. keine phylogenetische Einheit bildet. Die funktionelle Annotation der differentiell exprimierten Gene zeigt, dass eine Vielzahl verschiedener Gene betroffen ist, und dass Transkriptionsfaktoren eine große Gruppe der differentiell exprimierten Gene in allen drei untersuchten Geweben bilden. Es ist möglich, anhand der Klassifizierung funktioneller Annotationen die Identität der Gewebe zu bestimmen. Mittels quantitativer Realtime PCR wurde die Expression ausgesuchter Gene verifiziert. Neben der Untersuchung differentiell exprimierter Gene wurde eine genomweite Analyse evolutionärer Divergenzmuster durchgeführt. Eine Analyse der genomweiten Expressionsdivergenz ("scaled divergence") zeigt dasselbe Muster wie die Studie der differentiell exprimierten Gene: Divergenz zwischen Subspezies ist in der Leber und Niere am höchsten und zwischen Spezies im Testis. Weiterhin wurde eine mögliche Korrelation von Sequenz- und Expressionsevolution untersucht. Die Analyse zeigt, dass eine negative Korrelation zwischen Expressionsevolution und Sequenzevolution ("dN/dS ratio") der differentiell exprimierten Gene zwischen den Subspezies besteht. Im Speziesvergleich ist diese Korrelation positiv. Die Beobachtung, dass insbesondere in Leber und Niere Expressionsunterschiede zwischen Subspezies zu finden sind deutet darauf hin, dass ökologische und physiologische Anpassungen eine große Rolle in frühen Divergenzstadien spielen. Spätere Divergenzstadien hingegen scheinen mehr von nichtökologischen Faktoren beeinflusst zu werden. Die Korrelationsanalyse von Expressions- und Sequenzevolution deutet auf positive Selektion der Gene hin, die sich zwischen Subspezies unterscheiden. Ob die Divergenz der Genexpression in späteren Stadien Ursache oder Wirkung von Speziation ist und ob sexuelle Selektion oder genetische Drift diese Divergenz bewirkt, bleibt zum jetzigen Zeitpunkt offen. Weitere Experimente sind notwendig, um diese Fragen zu beantworten. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Voolstra, Christian chr.voolstra@uni-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-17770
Date:	2006
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Biology > Institute for Genetics
Subjects:	Life sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Evolution , Genexpression , Speziation , Microarray German evolution , gene expression, speciation , microarray English
Date of oral exam:	28 May 2006
Referee:	Name Academic Title Tautz, Diethard Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/1777