Evolution der Genexpression am Beispiel zweier Subspezies der Hausmaus und populationsgenetische Analyse eines jungen Gens

Staubach, Fabian (2009). Evolution der Genexpression am Beispiel zweier Subspezies der Hausmaus und populationsgenetische Analyse eines jungen Gens. PhD thesis, Universität zu Köln. Open Access

Preview

PDF
Staubach2009Diss.pdf
Download (2MB)

Abstract

Seit mehr als 50 Jahren wird vermutet, dass die Evolution der Genregulation eine wichtige Rolle für die Evolution der Organismen spielt. Allein Unterschiede in proteinkodierenden Regionen der Gene erscheinen unzureichend, um die Vielfalt des Lebens umfassend zu erklären. In jüngerer Vergangenheit werden immer mehr Beispiele für regulatorische Evolution gefunden. Wie wichtig regulatorische Evolution im Verhältnis zur Evolution kodierender Bereiche ist, und ob sie neutral evolviert oder in erster Linie durch die Wirkung positiver Selektion geformt wird, ist Gegenstand lebhafter Debatten. In der vorliegenden Doktorarbeit wird anhand zweier Subspezies der Hausmaus untersucht, ob die Genregulation der Erwartung eines neutralen Evolutionsmodells und damit dem Prinzip der molekularen Uhr folgt. Die neutrale Erwartung wäre, dass die Divergenz der Genexpression von der Mutationsrate, die zu Veränderungen der Genexpression führt, abhängt. Um die Mutationsrate abzuschätzen, wird in der vorliegenden Studie die Variabilität innerhalb einer Subspezies der Hausmaus herangezogen (Genexpressionspolymorphismus). Es wird eine Methode entwickelt, um die gemessene Varianz der Genexpression in den Subspezies der Hausmaus soweit von technischen Messeffekten zu befreien, dass die echte, biologische Variabilität zugänglich wird. In diesem Zusammenhang wird auch eine neue Methode zur Normalisierung von Quantitative Real Time PCR-Experimenten entwickelt, die von der Verwendung einzelner Referenzgene unabhängig ist und so erhöhte Zuverlässigkeit bietet. Mit diesen neuen Instrumenten wird die Genexpression von 24 Genen, die in einem vorangegangenen Microarrayexperiment als zwischen den Subspezies differentiell exprimiert klassifiziert wurden, untersucht. Es wird gezeigt, dass die Divergenz der Genexpression tatsächlich vom Expressionspolymorphismus abhängt und damit ein neutrales Modell der Genexpressionsevolution gestützt. Eine Korrelation des Sequenzpolymorphismus stromaufwärts der untersuchten Gene mit dem Polymorphismus der Genexpression legt ähnliche Evolutionsmechanismen von DNA-Sequenz und Genexpression nahe. Additivität und Kontinuität werden als Grundlagen der Evolution der Genexpression bestätigt. Es werden keine Hinweise auf ein vermehrtes Auftreten positiver Selektion unter den zwischen den Subspezies unterschiedlich exprimierten Genen gefunden. Interessanterweise ist die Mehrzahl der Expressionsunterschiede zwischen den Subspezies gewebespezifisch (zehn von zwölf). Die genetische Variabilität der Stromaufwärtsregion ist für eines der Gene (Poldi) in der östlichen Hausmaus stark reduziert. Weiterführende, in dieser Studie erhobene populationsgenetische Daten zeigen, dass die genomische Region, welche Poldi enthält, die Signatur eines rezenten Selektionsereignisses trägt. Mögliche Ursachen für das Selektionsereignis konnten identifiziert werden. Interessanterweise ist Poldi ein Orphan Gen: Trotz ausgeprägter Syntänie zu Ratte und Mensch entsteht in diesen Spezies kein homologes Transkript. In einer früheren Arbeit konnte das erste Auftreten des Transkripts im Genus Mus auf einen Zeitraum vor etwa zwei Millionen Jahren datiert werden. In dieser Arbeit wird anhand von Sequenzdaten verschiedener Mausspezies eine Mutationen am 5' Ende des ersten Exons identifiziert, die mit dem ersten Auftreten des Transkripts korreliert. Eine unabhängige Mutation an einer spleißrelevanten Position am 3' Ende des ersten Exons legt einen sekundären Verlust des Transkripts in Mus spicilegus nahe.

Item Type:

Thesis (PhD thesis)

Translated title:

Title	Language
Evolution of gene expression in house mice and population genetic analysis of a young gene	English

Translated abstract:

Abstract

Language

Already more than 50 years ago a role for the evolution of gene regulation in the evolution of organisms has been proposed. Differences in protein coding regions alone seem insufficient to explain the diversity of life. In the recent past examples of regulatory evolution are accumulating. The relative importance of regulatory evolution as compared to protein changes and the question whether gene expression evolves neutrally or under a selective regime is a matter of ongoing discussion. In the study at hand we approach these questions using two subspecies of the house mouse as a model. We test whether the evolution of gene expression follows the predictions of a neutral model, mainly a molecular clock model. The expectation is that divergence in gene expression depends on the mutation rate. Variability within a subspecies (gene expression polymorphism) is used to estimate the mutation rate. To assess gene expression polymorphism two methods are developed in this study: A new standardization method for qRT-PCR, which provides independence from single reference genes and a method to purify the measured expression variance from technical effects in a way, that allows the biological variance between individuals to be estimated. These new methods are applied to qRT-PCR data of 24 genes, which have been proven to be differentially expressed between the two subspecies in a previous microarray experiment. Indeed I can show, that the divergence of gene expression depends on gene expression polymorphism, compatible with the neutral expectation. A correlation between upstream sequence polymorphism and gene expression polymorphism supports a similar model for the evolution of sequence and gene expression and indicates additivity and continuity of small effects. No evidence for more frequent selection on the differentially expressed loci can be detected on the sequence level. Interestingly ten out of twelve expression differences detected by qRTPCR are tissue specific. The upstream region of one of the investigated genes (Poldi) shows a strong reduction in genetic variability in the eastern house mouse compared to the western house mouse. Additional population genetic data of the whole genomic region surrounding Poldi indicates recent positive selection acting on this locus. Putative mutations underlying the selective event can be indentified. Interestingly Poldi turns out to be an orphan gene. Despite distinct synteny to rat and human no homologous transcript exists in these species. In a previous study the first appearance of the transcript within Mus was dated about 2mya. Due to sequence analysis throughout the whole genus I was able to identify mutations correlating with the presence of the transcript.

English

Creators: