Detecting genes involved in selective sweeps within populations of the house mouse species complex - a multi-locus candidate gene approach -

Ihle, Sonja (2004). Detecting genes involved in selective sweeps within populations of the house mouse species complex - a multi-locus candidate gene approach -. PhD thesis, Universität zu Köln. Open Access

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Abstract

The search for genes involved in selection and adaptation has become a main research subject in evolutionary biology to understand the molecular mechanisms of evolution, adaptation and speciation. The aim of this study was to identify selective sweep events in the house mouse species complex. Selective sweeps occur at loci that have acquired a new advantageous mutation and due to a selective advantage the new mutation sweeps through the gene-pool of a population replacing other alleles at this locus. The house mouse was chosen as a study object because the full genomic sequence for this model species of biomedical research is available and also the ecology and phylogenetic history of natural populations are fairly well known. Two Mus musculus and four Mus domesticus populations were caught under a stringent sampling regime avoiding the sampling of closely related individuals. Phylogenetic analysis of these populations showed that the two Mus musculus populations from Kazakhstan and the Czech Republic were rather old while the Mus domesticus populations from Germany, France, Cameroon and USA seemed to be of relatively recent origin claiming that the house mouse colonization of Western Europe is younger than previously assumed and that human mediated long distance transport strongly influenced mouse colonization patterns. Mitochondrial D-Loop sequencing distinguished between the two mouse lineages but was not suitable to differentiate populations within the lineages. In contrast to this, genotyping of 81 microsatellite loci separated nicely the different populations and proved that each individual was assigned to its population of origin. During colonization times the mice were most likely confronted with all kinds of different selection pressures. By applying the lnRV and lnRH statistics to the microsatellite screen nine potential sweep loci were identified. Depending on the mutation rate of the microsatellites selective sweeps were observed at different divergence levels either in single populations or in whole lineages. The microsatellite loci were chosen to be located in close phyical linkage to gene which are known to be involved in environmental interactions. The genes linked to the observed sweep loci play a role in immune response, in olfactory recognition, or they are known to be differentially expressed. In another approach 106 randomly chosen microsatellite loci were genotyped and several loci exhibited reduced variability which is characteristic for a potential selective sweep. However, additional methods have to be applied to verify selective sweep events. Hochschule Universität zu Köln Jahr der FertigstellungTherefore, within this study the further analysis focused on the immune response gene 'ß?Defensin 6' that showed a selective sweep in the Mus domesticus lineage. The result was confirmed by reduced nucleotide diversity within a selective sweep window of 22 kb around the locus. The ß-Defensin 6 gene is a cationic peptide expressed in several organs and plays an important role in microbial defense. The advantageous mutation that caused the sweep occurred probably in the regulatory regions of the gene, altering the induction pathways and potentially shaped the specifity of the immune response to infections in Mus domesticus. Quantitative PCR experiments confirmed that slightly lower expression of ß-Defensin 6 are found in wild caught Mus domesticus animals than in Mus musculus animals. However, inferences about differences in the regulation of gene expression between the lineages have to be tested under more controlled conditions with animals raised in the laboratory. Nevertheless, this study proved that a genome wide microsatellite locus screen is a valuable tool to identify genes which were shaped by selection in different populations of the house mouse species complex. Additional methods such as sequencing the genomic regions and quantitative PCR experiments are necessary to reveal functional differences that have caused the selective sweep event.

Item Type:

Thesis (PhD thesis)

Translated title:

Title	Language
Identifizierung von Selective Sweeps innerhalb von Hausmaus Populationen - ein Kanditatengenansatz	German

Translated abstract:

Abstract

Language

Die Suche und Identifizierung von Genen, die an Selektions- und Anpassungsprozessen beteiligt sind, haben sich zu einem Hauptforschungsschwerpunkt in der Evolutionsbiologie entwickelt, um die molekularen Mechanismen zu verstehen, die der Evolution, Anpassung und auch der Artbildung zu Grunde liegen. Ziel dieser Studie war es, "Selective Sweeps" in der Hausmaus zu finden. "Selective Sweeps" finden an Gen-Orten statt, die durch eine neu erworbene Mutation einen Selektionsvorteil erworben haben und dadurch andere Allele am gleichen Gen-Ort aus dem Gen-Pool verdrängen. Als Untersuchungsobjekt wurde die Hausmaus gewählt, da einerseits die komplette genomische Sequenz zur Verfügung steht und sie ein wichtiger Modellorganismus in der biomedizinischen Forschung ist und andererseits die Ökologie und Phylogenie freilebender Populationen gut untersucht sind. Zwei Mus musculus und vier Mus domesticus Populationen wurden nach einem Beprobungssystem gefangen, das vermeidet, nah verwandte Tiere aus der selben Familiengruppe zu fangen. Die phylogenetische Analyse zeigte, dass die Mus musculus Populationen aus Kasachstan und Tschechien ziemlich alte Populationen darstellen, während die Mus domesticus Populationen aus Frankreich, Deutschland, Kamerun und USA einen relativ jungen Ursprung haben. Daher scheint Westeuropa entgegen anderer Annahmen wesentlich später von der Hausmaus besiedelt worden zu sein. Zudem hat die Ausbreitung der Art durch den Menschen die Besiedlungsgeschichte der Hausmaus stark beeinflußt. Die Sequenzierung des mitochondriellen D-loops ermöglichte die Unterscheidung zwischen den beiden Mauslinien, aber der Marker konnte nicht zwischen den Populationen innerhalb einer Linie trennen. Dahingegen konnten die Populationen durch Typisierung von 81 Microsatelliten Loci gut unterschieden werden und jedes Individuum wurde genau seiner Herkunftspopulation zugewiesen. Während ihrer Besiedlungsgeschichte wurde die Maus vermutlich mit verschiedenen Selektionsdrücken konfrontiert. Durch Anwendung der lnRV und lnRH Statistik auf die typisierten Mikrosatelliten Loci wurden 9 potentielle "Selective Sweep"-Loci identifiziert. In Abhängigkeit von der Mutationsrate der Mikrosatelliten wurden "Selective Sweeps" auf unterschiedlichen taxonomischen Ebenen entweder in einzelnen Populationen oder in den einzelnen Mauslinien detektiert. Die Mikrosatelliten waren so gewählt, dass sie direkt an Gene gekoppelt sind, die eine Rolle bei Umweltinteraktionen spielen. Die beobachteten "Sweep Loci" waren an Gene gekoppelt, die an Immunantworten oder an olfaktorischer Sinneswahrnehmung beteiligt sind oder differentiell exprimiert werden. In einem zweiten Ansatz wurden 106 zufällig im Genom verteilte Microsatelliten-Loci typisiert und auch hier wiesen einige Loci reduzierte Variabilität auf, die auf ein potentielles "Selective Sweep" Ereignis hinweisen. Allerdings bedarf es stets zusätzlicher Methoden, um "Selective Sweep"-Ereignisse zu bestätigen. Daher konzentrierten sich die weiteren Analysen auf das Immungen ß-Defensin 6, das möglicherweise einen "Selective Sweep" in Mus domesticus verursacht hat. Das Ergebnis wurde durch reduzierte Nucleotid-Diversität in einem "Selective Sweep"-Fenster von 22 kb bestätigt. ß-Defensin 6 ist ein kationisches Peptid und spielt eine wichtige Rolle bei der Immunantwort auf bakterielle Infektionen. Die vorteilhafte Mutation, die den "Selective Sweep" verursacht hat, trat vermutlich in den regulatorischen Bereichen auf und veränderte die Induktion des Gens und vermutlich damit auch die Spezifität der Immunantwort. Quantitative PCR Experimente zeigten, dass der Expressionslevel von ß-Defensin 6 in verschiedenen Organen von Mus domesticus Tieren etwas niedriger ist als im Vergleich zu Mus musculus Tieren. Dennoch können erst klare Aussagen über mögliche Veränderungen in der Genexpression gemacht werden, wenn die Expression unter kontrollierten Laborbedingungen mit gezüchteten Labortieren nochmal untersucht wird. Diese Arbeit zeigte, dass ein genomweiter Mikrosatelliten-Screen ein sinnvoller Ansatz ist, Gene zu identifizieren, die in den verschieden Hausmaus-Population unterschiedlich selektiert wurden. Andere Methoden wie Sequenzierungen oder quantitative PCR Experimente müssen jedoch angewendet werden, um die funktionalen Unterschiede zu finden, die den "Selective Sweep" verursacht haben.

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