Universität zu Köln

Kwan, Yen Yen (2008). Phylogenomic analysis of metabotrophic P2Y receptor family and its expression in zebrafish, Danio rerio. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

G-protein-coupled receptors (GPCRs) constitute the largest and most divergent class of cell surface proteins. GPCRs can be activated by extracellular signals as diverse as light, peptides, proteins, lipids, odorants, tastants, nucleotides and nucleosides. Currently, all the known chemosensory receptor genes, such as odorant, taste and pheromone receptors belong to the GPCR family, with many of them being class A or class-A related genes. Metabotropic P2Y receptors belong to class A GPCRs and are activated by extracellular nucleotides. Nucleotides are released to the environment when the organism is injured and therefore serve as one of the food stimuli. As such, it would be interesting to see if P2Y receptors play any role in olfaction in zebrafish. To date, eight functional human P2Y receptors and 25 related orphan receptors have been found. I performed extensive data mining in drosophila, ascidian, jawless, cartilaginous and bony fish, frog and human genomes to delineate the P2Y family and investigate its evolutionary origin. The P2Y family originates early in the vertebrate lineage, reflected by the presence of lamprey and the absence of ascidian orthologues. Consistent with these findings, no P2Y receptor is found in invertebrates. In total, 38 subfamilies can be distinguished within the P2Y family, at least two third of which are already present in the shark genome. Two subfamilies, p2yl-3 and p2yl-4, are lost in the human lineage and only GPR 87 subfamily is lost in all teleost species. Zebrafish has 68 P2Y receptor genes, the most of any fish species, and almost double as many than mammals. The teleost P2Y genes are widely distributed in the genome as small cluster and singletons. The vast majority of P2Y genes are intronless while the remaining genes contain up to five introns. In the teleost lineage, the genomic arrangement of P2Y genes is preserved to a large extent, and some synteny is found even with the elephant shark and human genome, possibly reflecting the functional importance of these genes. Selective pressure on teleost P2Y genes generally is high, as evidenced by a preponderance of negative selection. However, a few genes exhibit positive selection at individual sites. In early development, P2Y genes are expressed in many tissues and organs, notably the central and peripheral nervous system, pharyngeal arches, otic vesicle and kidney, suggesting an important role in the development of many tissues. However, no expression is detected in larval olfactory epithelium. In contrast, olfactory epithelium of adult fish does express several P2Y genes as shown by RT-PCR. A possible explanation would be a late onset of expression in the olfactory epithelium. In situ hybridisation of adult olfactory epithelium established an ubiquitous distribution, both in the sensory and non-sensory region, which seems to argue against a role of P2Y genes in nucleotide odor detection. However, further studies will be necessary to give a definitive answer to that question.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Bei den G-protein-gekoppelten Rezeptoren (GPCRs) handelt es sich um die größte und vielfältigste Gruppe von Membranproteinen. GPCRs werden durch sehr diverse extrazelluläre Signale aktiviert, von Licht über Peptide, Proteine zu Geruchs- und Geschmacksstoffen, bis hin zu Lipiden, Nukleotiden und Nukleosiden. Alle gegenwärtig bekannten chemosensorischen Rezeptoren, wie die Geruchs-, Geschmacks- und Pheromonrezeptoren gehören der GPCR Familie an, und viele davon sind aus der Klasse A der GPCR. Das gilt auch für die metabotropen P2Y Rezeptoren, die durch extrazelluläre Nukleotide aktiviert werden. Nukleotide werden freigesetzt, wenn ein Organismus verletzt wird, und können so als Signale zur Nahrungsdetektion dienen. Es erschien daher interessant, zu untersuchen, ob die von Fischen bekannte Geruchsdetektion von Nukleotiden durch P2Y Rezeptoren vermittelt sein könnte. Die P2Y Familie im Menschen besteht aus acht funktionalen P2Y Rezeptoren und 25 verwandten Rezeptoren mit bisher unbekannten Liganden. Ich habe ausführliche Datenbanksuchen in Genomen der Taufliege, von Aszidien, Kieferlosen, Knorpelfische und Knochenfische, sowie in Frosch und dem menschlichen Genom durchgeführt, um die P2Y Familie zu identifizieren und von benachbarten Familien abzugrenzen. Meine Ergebnisse zeigen, dass die P2Y Familie in frühen Wirbeltieren entstanden ist, da Vertreter dieser Familie im Neunauge, aber nicht in Aszidien vorkommen. Konsistent zu diesen Befunden konnten auch keine P2Y Rezeptoren in Wirbellosen gefunden werden. Insgesamt können 38 Unterfamilien innerhalb der P2Y Familie unterschieden werden, von denen mindestens 2/3 bereits im Haifischgenom vorhanden sind. Zwei Unterfamilien, p2yl-3 und p2yl-4, sind in der menschlichen Entwicklungslinie verloren gegangen, eine weitere Unterfamilie, GPR87, ist am Beginn der Knochenfischentwicklung verloren gegangen. Der Zebrabärbling weist 68 P2Y Gene auf, am meisten von allen Fischarten, und fast doppelt so viele wie die Säuger. Die P2Y Gene kommen breit verteilt als kleine Cluster oder Einzelgene im Fischgenom vor. Die überwiegende Zahl der P2Y Rezeptorgene hat keine Introns, manche jedoch weisen bis zu fünf Introns auf. In der Entwicklungslinie der Knochenfische ist die relative genomische Anordnung der P2Y Gene zum großen Teil erhalten, und eine gewisse Syntenie läßt sich sogar zu den Genomen von Haifisch und Mensch beobachten. Eine solch hohe Konservierung spricht für die funktionale Bedeutung dieser Gene. Der Selektionsdruck auf die P2Y Gene der Knochenfische ist hoch, wie aus dem Überwiegen negativer Selektion ersichtlich wird. Manche Gene zeigen allerdings positive Selektion an vereinzelten Positionen. In der frühen Entwicklung werden P2Y Gene in vielen Geweben und Organen exprimiert, insbesondere dem peripheren und zentralen Nervensystem, den Kiemenbögen, dem Ohrvesikel und der Niere, konsistent mit einer vielfältigen Rolle dieser Gene in der Entwicklung vieler Gewebe. Allerdings liess sich keine Expression im larvalen Riechepithel feststellen. Im Gegensatz dazu werden viele P2Y Gene im adulten Riechepithel exprimiert, wie ich sowohl mit RT-PCR als auch In situ-Hybridisierung zeigen konnte. Eine mögliche Erklärung dieser Diskrepanz wäre ein später Beginn der Expression im Riechepithel. In der In situ-Hybridisierung zeigt sich eine breite Expression der P2Y Gene sowohl im sensorischen als auch dem nichtsensorischen Bereich des Riechepithels, unerwartet für eine mögliche Funktion der P2Y Gene in der Geruchsdetektion von Nukleotiden. Weitere Studien werden erforderlich sein, um diese Frage abschliessend zu klären. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Kwan, Yen Yen ykwan@uni-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-26765
Date:	2008
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 P2Y , rezeptor , zebrafisch , ISH German P2Y , receptor , zebrafish , ISH English
Date of oral exam:	24 November 2008
Referee:	Name Academic Title Korsching, Sigrun Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/2676