Universität zu Köln

Bayer, Till (2009). Duplicated genes and their relevance in the process of speciation. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

An integral part of evolution, the formation of species, is less well understood than other areas of evolutionary biology. Speciation is a fundamental process that creates the great diversity of species in the world, and a deeper insight into its mechanisms is highly desirable. To achieve this goal, the molecular basis of speciation must be elucidated and characterized in detail. This study uses two approaches to contribute to the understanding of the genetics of speciation: A screen for positively selected, young duplicated genes, and in depth analysis of a proposed "speciation gene", Dnahc8. Young duplicated genes may be positively selected in only one of two diverging populations, and through rapid change create an incompatibility between the two emerging species. To find candidates of this type a microsatellite screen for selective sweeps is conducted, in which microsatellite loci close to the genes in question are typed and assayed for reduced variability. Using a measure developed for this problem, the lnRH statistic, subspecies or populations are compared, and selective sweep loci identified. The screen results in thirteen candidate sweep loci in (sub)species comparisons, and fifteen between populations of the same species. Furthermore, comparisons of lnRH values to synonymous substitution rates (KS) of genes show that the youngest duplicated genes of the set do not seem to be evolving under positive selection. To test whether the duplication time correlates with the divergence time estimated from the synonymous substitutions rate, a subset of duplicate pairs was tested for presence in different mouse species. For most duplicates, KS between copies increases with age, but three pairs have very low KS values that do not correspond to their age. Gene conversion is discussed as a possible explanation for this result. The Dnahc8 gene is already known to cause reproductive isolation between Mus spretus and Mus mus domesticus. It encodes an axonemal dynein protein that is involved in sperm tail formation, and hybrid animals have deformed, immotile sperm. Here, the entire coding sequence of Dnahc8 is determined of six mouse species in addition to the M. m. domesticus sequence already known. In addition, several exons are sequenced in a population sample of M. spretus and the full-length gene sequenced for ten M. m. domesticus. Tests for positive selection based on polymorphism data and codon-based maximum likelihood methods are performed with this data. There is evidence that Dnahc8 may be evolving under relaxed constraint in the lineage of M. m. domesticus. However, no significant evidence for positive selection could be found using any method. In addition to the sequence data, quantitative real time PCR is used to measure the level of expression in eight tissues of seven mouse species. Large differences in expression pattern are identified between M. spretus and M. m. domesticus: Dnahc8 expression is eight fold lower in M. spretus testis compared to M. m. domesticus. Together these results suggest that the nature of the incompatibility caused by Dnahc8 may lie in gene regulation rather than differences in the amino acid sequence.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Duplizierte Gene und ihre Relevanz im Speziationsprozess German
Translated abstract:	Abstract Language Ein integraler Bestanteil der Evolution, die Entstehung von Arten, ist nicht im gleichen Mass verstanden wie andere Bereiche der Evolutionsbiologie. Da Speziation ein fundamentaler Prozess ist durch den die grosse Artenvielfalt der Erde ensteht, wäre es sehr wünschenswert ein besseres Verständnis dieses Prozesses zu gewinnen. Um dies zu erreichen müssen die molekularen Grundlagen des Speziationsprozesses im Detail erforscht werden. Diese Arbeit verfolgt zwei Ansätze um zum Verständnis des Speziazionsprozesses beizutragen: Ein Screen nach positiv selektierten, jungen Duplikaten, und eine tiefergehenede Analyse des potentiellen Speziationsgens Dnahc8. Junge Duplikate können, wenn sie in nur einer von zwei divergierenden Population unter positiver Selektion stehen, durch schnelle evolutionäre Entwicklung eine Inkompatiblität zwischen den beiden enstehenden Spezies erzeugen. Um Kandidatengene mit dieser Eigenschaft zu finden wurde eine Suche nach Mikrosatelliten durchgeführt die Spuren eines Selektionsereignisses aufweisen, einem sogenannten 'selective sweep'. Dazu wurden Mikrosatelliten in der Nähe der Gene typisiert und auf reduzierte Variabilität untersucht. Mittels einer für diese Frage entwickelten Methode, der lnRH Statistik, wurden selective sweep Loci im Vergleich zwischen Spezies oder Populationen identifiziert. Das Ergebnis des Screens sind 13 Kandidatenloci im (Sub)species Vergleich, und 15 im Vergleich zwischen den Populationen. Ein Vergleich zwischen den ermittelten lnRH Werten und der synonymen Substitutionsrate (KS) zeigt dass die jüngsten der duplizierten Gene nicht unter positiver Selektion zu stehen scheinen. Um zu testen ob das tatsächliche Duplikationsalter mit dem Alter welches auf der Basis der synonymen Subtitutionsraten angenommen wird korreliert, wurde für einen Teil der Duplikatpaare überprüft ob sie in verschiedenen Mausspezies vorhanden sind. In den meisten Fällen nimmt der KS Wert mit dem tatsächlichen Alter der Duplikation zu, drei Genpaare haben jedoch sehr geringe KS Werte die nicht zu ihrem Alter passen. Genkonversion könnte ein Grund für dieses Ergebnis sein. Es ist bekannt dass das Dnahc8 Gen Mus spretus und Mus mus domesticus reproduktiv voneinander isoliert. Es kodiert für ein axonemales Dyein Protein das am Aufbau des Spermienflagellums beteiligt ist; demenstprechend haben hybride Tiere deformierte, immobilisiert Spermien. Für diese Arbeit wurde die gesamte kodierende Sequenz von Dnahc8 in sechs Mausspezies sequenziert, um die schon bekannte Sequenz aus M. m. domesticus zu ergänzen. Ausserdem wurden mehrere Exons für ein Populationssample von M. spretus, und das gesamte Gen von zehn M. m. domesticus Tieren sequeziert. Die Daten wurden mit verschiedenen Tests auf positive Selektion untersucht: Eine Art von Test basiert auf Polymorphismus Daten, die zweite auf der grössten Wahrscheinlichkeit für kodonbasierte Modelle die verschiedene Arten von Selekion erlauben. Es wurden Hinweise gefunden dass der Selektionsdruck auf Dnahc8 in der M. m. domesticus Linie relaxiert ist, es konnte jedoch mit keiner Methode positive Selektion nachgewiesen werden. Neben den Sequenzdaten wurde auch die Expression mittels quantitativer Echzeit PCR in acht Geweben von sieben Mausarten gemessen. Starke Unterschiede in der Expression zwischen M. spretus und M. m. domesticus wurden gefunden, Dnahc8 wird in M. spretus achtfach niedriger exprimiert. Zusammengenommen weisen diese Resultate darauf hin dass der Grund für die Inkompatibilität in Hybriden eher in der Genregulation zu suchen ist als in der Aminosäuresequenz. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Bayer, Till tbayer@gmx.net UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-27510
Date:	2009
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 Duplizierte, Gene, Dnahc8 German Duplicated, Genes, Dnahc8 English
Date of oral exam:	22 June 2008
Referee:	Name Academic Title Harr, Bettina Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/2751