Universität zu Köln

Rottscheidt, Ruth (2007). Gene Expression Divergence between Subspecies of the House Mouse and the Contribution to Reproductive Isolation. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Under the Biological Species Concept species are groups of interbreeding individuals that are reproductively isolated from other such groups. A common form of isolation in animals is intrinsic postzygotic isolation via hybrid sterility/inviability. There is a strong consensus that hybrid dysfunctions are caused by epistatic interactions between incompatible alleles from different loci (Dobzhansky-Muller incompatibilities). The identification of genes that contribute to reproductive isolation between taxa is critical to the understanding of the process of speciation, but identifying such genes has proven to be difficult. It appears that regulatory evolution might play an important role in postzygotic isolation and the formation of species. The present study employs a whole genome microarray approach to identify genes with regulatory differences between three subspecies of the house mouse, Mus musculus musculus, M. m. domesticus and M. m. castaneus. The within-locus mode of inheritance for gene expression was assessed for three different tissues (brain, liver and testis) by studying the subspecies and their male reciprocal F1 hybrids. The vast majority of transcripts are additively expressed in the hybrids with only few transcripts showing dominance or overdominance in expression except for one direction of one cross, which shows large misexpression in the testis. The reliability of the observed pattern was ensured by three different analysis methods as well as control experiments. The results suggest that additivity is the general mode of inheritance regarding gene expression changes between house mouse subspecies. Differentially expressed transcripts provide promising candidate genes that could be related to reproductive isolation through regulatory incompatibilities. Several transcripts with expression differences between M. m. musculus and M. m. domesticus were selected for further investigation. A validation approach using quantitative Real-Time PCR strongly emphasizes the need for confirmation of microarray candidate genes. The results show that sequence differences even between closely related taxa have the potential to influence expression data from both microarray and follow-up validation approaches. As divergent gene expression evolution between taxa may be entirely neutral, samples from a transect of the natural musculus-domesticus hybrid zone in Bavaria were analyzed in order to assess functional consequences for two candidate genes. Both genes show large expression differences between the subspecies. The analysis revealed that it is unlikely that the two genes contribute to reproductive isolation between the subspecies as no sign of limited introgression is evident. Rather, the hybrid zone approach in combination with population genetic analyses suggests adaptive introgression of those alleles that are associated with high expression levels. In both cases, the high expression phenotype represents the derived state and is associated with reduced levels of nucleotide polymorphism and a negative Tajima's D. For both genes, regulatory and protein-coding evolution is decoupled and the expression difference results from cis- rather than trans-acting changes.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Genexpressionsunterschiede zwischen Subspezies der Hausmaus und ihr Beitrag zu reproduktiver Isolation German
Translated abstract:	Abstract Language Dem biologischen Artkonzept zufolge werden Arten als Gruppen von Individuen definiert, die sich miteinander fortpflanzen und von anderen Gruppen reproduktiv isoliert sind. Eine verbreitete Form reproduktiver Isolation im Tierreich ist intrinsische postzygotische Isolation durch Hybridensterilität oder erhöhte Hybridensterblichkeit. Der allgemeinen Überzeugung zufolge werden Fehlfunktionen in Hybriden durch epistatische Interaktionen zwischen inkompatiblen elterlichen Allelen verschiedener Loci (sogenannte Dobzhansky-Muller-Inkompatibilitäten) verursacht. Die Identifizierung von Genen, die zur reproduktiven Isolation von Taxa beitragen, ist wichtig für das Verständnis des Artbildungsprozesses, allerdings hat sich dies in der Vergangenheit als schwierig erwiesen. Bei der Entstehung postzygotischer Isolation scheint die Evolution von Genregulation eine wichtige Rolle zu spielen. Deshalb wurden in der vorliegenden Studie mittels Microarrays genomweite Genexpressionsdaten erhoben, um regulatorische Unterschiede zwischen drei Unterarten der Hausmaus, Mus musculus musculus, M. m. domesticus und M. m. castaneus, zu identifizieren. Die Analyse von drei verschiedenen Organen (Gehirn, Leber und Testis) der jeweiligen Unterarten und ihrer reziproken Hybriden erlaubte die Bestimmung des Vererbungsmodus für Genexpressionsunterschiede in den F1-Hybriden. Der gröβte Teil der Transkripte zeigt additive Expression in den Hybriden; nur wenige sind dominant oder überdominant exprimiert, mit Ausnahme einer Kreuzung, die viele missexprimierte Gene im Testis aufweist. Drei verschiedene Analysemethoden sowie Kontrollexperimente bestätigen, dass additive Vererbung von Genexpressions-unterschieden vorherrschend zu sein scheint. Gene, die differentiell exprimierten Transkripten zugrunde liegen, sind vielversprechende Kandidaten, die zu reproduktiver Isolation durch regulatorische Inkompatibilitäten beitragen könnten. Einge Transkripte mit Expressionsunterschieden zwischen M. m. musculus und M. m. domesticus wurden für weiterführende Untersuchungen ausgewählt. Die Validierung der Expressionsniveaus dieser Gene mittels quantitativer Real-Time PCR hat die Notwendigkeit verdeutlicht, Microarray-Daten durch unabhängige Methoden zu konfirmieren. Die Ergebnisse zeigen klar, dass Expressionsdaten, auch beim Vergleich sehr nah miteinander verwandter Taxa, durch Unterschiede in der Gensequenz beeinflusst werden können, wobei dies für Microarray-Daten gleichermaβen gilt wie für nachfolgende Validierungsmethoden. Unterschiede in der Evolution von Genexpression zwischen Taxa sind nicht zwangsläufig funktional bedingt. Aus diesem Grund wurde in der vorliegenden Studie versucht, funktionale Konsequenzen solcher Unterschiede mittels der Analyse von Individuen aus der natürlichen musculus-domesticus Hybridzone in Bayern für zwei ausgewählte Kandidaten-Gene nachzuweisen. Für diese zwei Gene, die einen groβen Expressionsunterschied zwischen den Elternarten zeigen, konnte kein Anzeichen dafür festgestellt werden, dass sie einen Beitrag zur reproduktiven Isolation der beiden Unterarten leisten, da sie in Bezug auf Introgression nicht limitiert zu sein scheinen. Die Kombination der Hybridzonenuntersuchung mit Ergebnissen aus populationsgenetischen Analysen lässt vermuten, dass eine adaptive Introgression der Allele, die das hohe Expressionslevel verursachen, wahrscheinlicher ist. Für beide Gene konnte nachgewiesen werden, dass der Phänotyp, der mit einem hohem Expressionsniveau einhergeht, das abgeleitete Merkmal darstellt und mit reduziertem Nucleotid-Polymorphismus und negativen Tajima's D-Werten assoziiert ist. Die Evolution von regulatorischer und Protein-kodierender Sequenz scheint für beide Gene voneinander entkoppelt und die Expressionsunterschiede ein Resultat von cis- und nicht trans-regulatorischen Änderungen zu sein. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Rottscheidt, Ruth ruthrottscheidt@web.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-23144
Date:	2007
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 house mouse, reproductive isolation, Dobzhansky-Muller incompatibilities, gene expression, hybrid zone English
Date of oral exam:	18 February 2008
Referee:	Name Academic Title Harr, Bettina Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/2314