Universität zu Köln

Richardson, Dale Newton (2010). Genome duplication and alternative splicing: Gateways to functional diversity. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

One of the goals of this dissertation is to understand how two fundamen- tal biological processes, genome duplication and alternative splicing, factor into the regulation of gene expression. Genome duplication and alternative splicing have profound implications on gene regulation, as the controlled expression of duplicated genes affects the evolution of genomes, whereas alternative splicing of regulatory genes has enormous ramifications on the functionality of nearly all expressed genes. Whole genome duplication (WGD) has catalyzed the formation of new species, genes with novel functions, altered expression patterns, complexified signaling pathways and has provided organisms a level of genetic robustness. We studied the longterm evolution and interrelationships of 5' upstream regulatory sequences (URSs), protein coding sequences (CDSs) and expression correlations (EC) of duplicated gene pairs in the model organism, Arabidopsis thaliana. Three distinct methods revealed significant evolutionary conservation between paralogous URSs and were highly correlated with microarray-based expression correlation of the respective gene pairs. Positional information on exact matches between sequences unveiled the contribution of micro-chromosomal rearrangements on expression divergence. A three-way rank analysis of URS similarity, CDS divergence and EC uncovered specific gene functional biases. Transcription factor activity was associated with gene pairs exhibiting conserved URSs and divergent CDSs, whereas a broad array of metabolic enzymes was found to be associated with gene pairs showing diverged URSs but conserved CDSs. Strikingly, the majority of duplicate genes are differentially expressed in magnitude throughout various developmental stages in Arabidopsis, suggesting that often one of the two gene copies is preferred and may hint at a mechanism of sub-functionalization acting at the gene regulatory level. Along with WGD, alternative splicing (AS) of pre-mRNA is a fundamental molecular process that generates diversity in the transcriptome and proteome of eukaryotic organisms. Multiple factors influence the splicing reaction, such as the length and sequence of exons, introns, the presence and levels of transfactors and the rate of transcription. SR proteins, a family of splicing regulators with one or two RNA recognition motifs (RRMs) at the N-terminus and an arg/ser-rich at the C-terminus, function in both constitutive and alternative splicing. We performed database searches for SR proteins in 27 eukaryotic species, which included taxa from plants, animals, fungi and basal eukaryotes that lie outside of these lineages. Using RRMs as a phylogenetic marker, we observed at least 12 SR protein sub-families, four of which are vastly expanded in plants. Furthermore, RRMs are in highly conserved positions within SR proteins within sub-families, yet their predicted RNA binding residues are degenerate. In line with this finding is our observation that the majority of plant SR genes are under purifying selection. Moreover, the majority of paralogous SR genes in Arabidopsis and rice are divergently expressed in different developmental stages, suggesting that these gene pairs have sub- functionalized at the expression level, reminiscent of the patterns we observed in our duplicated genes study. We assessed the extent of SR gene AS by generating splice graphs based on multiple alignments of ESTs/cDNAs to SR genomic sequences. AS of SR genes is a widespread phenomenon throughout multiple lineages and is a common trait among eukaryotes. Fur- thermore, the types of AS vary by organism and by SR sub-family. Lastly, we suggest that there is a link between DNA methylation within coding regions of SR genes and their AS patterns.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Genome duplication and alternative splicing: Gateways to functional diversity German
Translated abstract:	Abstract Language Eines der Ziele dieser Dissertation ist es die Rolle zweier fundamentaler biologischer Prozesse, die Genomduplikation und das alternative Spleißen, in der Regulation der Genexpression zu verstehen. Die Genomduplikation und das alternative Spleißen haben tiefgreifende Auswirkungen auf die Genregulation, wie zum Beispiel dass die kontrollierte Expression duplizierter Gene die Evolution von Genomen beeinflusst, während das alternative Spleißen regulatorischer Gene enorme Auswirkungen auf die Funktionalität nahezu aller expressionierten Gene hat. Die Gesamtgenom-Duplikation (WGD) hat die Entstehung neuer Spezies, die Formation von Genen mit neuen Funktionen, oder auch die Modifizierung von Expressionsmustern beschleunigt und Organismen eine Form genetischer Robustheit verliehen. Wir haben die Langzeit-Evolution und das Zusammenspiel von 5' "up- stream" regulatorischen Sequenzen (URSs), Protein-kodierenden Sequenzen (CDSs) und Expressionskorrelationen (EC) von duplizierten Gen- Paaren im Modellorganismus Arabidopsis thaliana untersucht. Drei verschiedene Methoden haben eine signifikante evolutionäre Konservierung zwischen paralogen URSs verdeutlicht und waren mit Microarray-basierten Expressions-korrelationen der betreffenden Gen-Paare hoch korreliert. Die positionale Information von genauen zwischensequenzlichen Übereinstimmungen hat den Beitrag mikrochromosomaler Neuordnungen für die Expressionsdivergenz demonstriert. Eine Drei-Wege Ranganalyse der URS-Similarität, der CDS-Divergenz und der EC haben spezifische Gen- funktionale Verzerrungen aufgezeigt. Transkriptionsfaktoraktivität wurde mit Gen-Paaren, die konservierte URSs und divergente CDSs aufweisen, assoziiert, während eine große Anzahl metabolischer Enzyme mit Gen- Paaren, die sich durch divergente URSs und konservierte CDSs auszeichnen, in Verbindung gebracht werden konnten. Bemerkenswerterweise wird die Mehrheit an duplizierten Genen in den verschiedenen Entwicklungsstadien von Arabidopsis thaliana unterschiedlich expressioniert, was darauf hindeutet, dass oft eine der beiden Genkopien bevorzugt wird, und dass der Mechansimus der Subfunktionalisierung für die Genregulierung eine Rolle spielen könnte. Zusammen mit der WGD ist das alternative Spleißen (AS) der pre- mRNA ein fundamentaler molekularer Prozess, der genetische Diversität im Transkriptom und Proteom verursacht. Zahlreiche Komponenten, wie Länge und Sequenz der Exons und Introns, Trans-Faktoren und Transkriptionsraten, beeinflussen die Spleißreaktion. SR-Proteine, eine Familie von Spleiß-Regulatoren mit einem oder zwei RNA-Erkennungsmotiven (RRMs) am N-Terminus und einem "arg/ser-rich" am C-Terminus, wirken sowohl beim konstitutiven als auch beim alternativen Spleißen. Wir haben Datenbanksuchen für SR-Proteine 27 eukaryotischer Spezies durchgeführt, die die Taxone der Pflanzen, Tiere, Fungis und basalen Eukaryonten, die außerhalb dieser Abstammungslinien liegen, umfasst. Mithilfe von RRMs als phylogenetische Marker haben wir mindestens 12 SR-Protein-Subfamilien feststellen können, von denen vier in Pflanzen weit verbreitet sind. Zudem befinden sich RRMs innerhalb der Subfamilien von SR-Proteinen an hoch konservierten Positionen, jedoch sind ihre vorhergesagten RNA-Bindungsresiduen degeneriert. Damit einhergehend stellten wir fest, dass die Mehrheit pflanzlicher SR Gene unter purifizierender Selektion steht. Darüberhinaus ist die Mehrheit an paralogen SR-Genen in Arabidopsis und Reis in den diversen Entwicklungsstadien unterschiedlich expressioniert, was mit unserer Beobachtung bezüglich duplizierter Gene im Einklang steht. Wir haben das Ausmaß an SR-Gen betreffendes AS unter der Verwendung von Spleiß-Graphen, die auf multiple "alignments" von ESTs/cDNAs und SR-genomischen Sequenzen beruhen, abgeschätzt. Das AS von SR-Genen ist ein weit verbreitetes Phänomen über zahlreiche Abstammungslinien und ein häufiges Merkmal unter Eukaryonten. Zudem variiert die Art der Ausführung des AS unter Organismen und SR- Subfamilien. Abschließend suggerieren wir einen Zusammenhang zwischen der DNA-Methylation innerhalb kodierender Regionen von SR-Genen und deren Spleißmuster. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Richardson, Dale Newton dalesan@gmail.com UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-32527
Date:	2010
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 alternative splicing, genome duplication, evolution English
Date of oral exam:	28 November 2010
Referee:	Name Academic Title Wiehe, Thomas Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/3252