Universität zu Köln

Domazet-Loso, Tomislav (2003). Evolution of orphan genes in Drosophila. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Orphan genes are protein coding regions that have no recognizable homologue in distantly related species. A substantial fraction of coding regions in any genome sequenced so far consists of such orphan genes, but their evolutionary and functional significance is not understood. A re-analysis of the Drosophila melanogaster proteome is presented that shows that there are still between 26 - 29% of all proteins without a significant match with non-insect sequences. Therefore, neither the growth of the database nor the re-annotations have significantly changed the proportion of orphans in the Drosophila genome over time. In addition, it was shown that these orphans are significantly underrepresented in the current genetic analysis. To analyse directly the evolutionary characteristics of orphan genes in Drosophila, 774 sequences were compared between cDNAs retrieved from two D. yakuba libraries (embryo and adult) and their corresponding D. melanogaster orthologues. Analysis of substitution rates shows that recovered orphans evolve on average more than three times faster than non-orphan genes, although the width of the evolutionary rate distribution is similar for both classes. In particular, some orphan genes show very low substitution rates, which are comparable to otherwise highly, conserved genes. A general model for orphan gene evolution is proposed that takes these large rate differences into account and suggests that they are caused by episodic phases of fast and slow divergence. Besides the result, that orphans are under-represented among genetically studied genes, additional findings suggest that orphan genes have less obvious phenotypes. For example, in the complete sample of the recovered cDNAs higher frequency of genetically studied genes was found among slow evolving genes, what supports the proposed hypothesis that functionally more important genes with obvious phenotypes have lower evolutionary rates. Interestingly, such relationship is lacking if only orphans are analysed. Additionally, orphans are over-represented among genes related to olfaction, hormonal activity, puparial adhesion, egg membrane structure and perception and response to abiotic stimulus. It is reasonable to expect for all of these functions to be involved in specific ecological adaptations that change easily over time, and accordingly to have mutant phenotypes which are difficult to detect. Finally, comparison between stages shows that the cDNA library from adults yields twice as many orphan genes than the one from embryos. An analysis of only genes having stage specific expression reveals a similar figure and together with lower evolutionary rate of embryo transcripts suggests a higher constraint on use of orphan genes in embryos. Furthermore, expression of embryo orphans is more often spatially restricted compared to a random sample of genes what shows that they act in more localised rather then ubiquitous manner. Taken together, the general characteristics of orphan genes in Drosophila suggest that they may be involved in the evolution of adaptive traits and that slow evolving orphan genes may be particularly interesting candidate genes for identifying lineage specific adaptations.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Evolution of orphan genes in Drosophila English
Translated abstract:	Abstract Language Orphan-Gene sind proteincodierende Bereiche, die kein erkennbares Homolog in entfernt verwandten Arten haben. Ein wesentlicher Anteil der bisher sequenzierten Genome besteht aus solchen Orphan-Genen, deren evolutionäre und funktionelle Bedeutung bislang nicht bekannt ist. Eine Analyse des Drosophila melanogaster Proteoms zeigt, dass immerhin 26 - 29% aller Proteine keine statistisch signifikanten Übereinstimmungen mit nicht aus Insekten stammenden Sequenzen haben. Entsprechend haben weder das stetige Anwachsen der Menge verfügbarer Sequenzdaten noch die Reannotation bekannter Gene den Anteil der Orphan-Gene im Drosophila Genom wesentlich verändert. Es konnte gezeigt werden, dass Orphan-Gene in derzeitigen genetischen Analysen deutlich unterrepräsentiert sind. Um die evolutionären Eigenschaften von Orphan-Genen in Drosphila zu analysieren wurden 774 cDNA Sequenzen aus zwei D. yakuba-Genbibliotheken (adult und embryo) mit ihren Orthologen aus D. melanogaster verglichen. Eine Analyse der Substitutionsraten ergab, dass Orphan-Gene im Mittel dreimal schneller evolvieren als Nicht-Orphan-Gene, wobei die Breite der Evolutionsraten-Verteilung sich für beide Klassen ähnelt. Einzelne Orphan-Gene zeigen sehr niedrige Substitutionsraten, wie sie sonst für besonders hochkonservierte Gene typisch sind. Ein allgemeines Modell für die Evolution von Orphan Genen wurde entwickelt, dass die grossen Substitutionsratenunterschiede durch Phasen schneller und langsamer Divergenz erklährt. Neben der Tatsache, dass Orphan-Gene unter allen untersuchten Genen unterrepräsentiert sind gibt es Hinweise darauf, dass sie generell einen weniger offensichtlichen Phänotypen haben. Eine Hypothese besagt, dass funktionell wichtige Gene einen deutlichen Phänotypen und eine verlangsamte Evolutionsrate haben. Damit übereinstimmend waren unter den untersuchten cDNA's genetisch charakterisierte Gene häufig langsam evolvierend. Interessanterweise war solch ein Zusammenhang nicht für Orphan-Gene zu beobachten. Zusätzlich spielen Orphan-Gene überproportional häufig eine Rolle für Geruchssinn, Hormonhaushalt, Puppenanheftung, Eimembranstrucktur und Wahrnehmung. Es ist anzunehmen, dass all diese Funktionen eine Bedeutung für spezifische ökologische Anpassungen haben, die sich schnell verändern und einen schwer detektierbaren mutanten Phänotypen haben. Ein Vergleich zwischen Entwicklungsstadien zeigt, dass in der cDNA Bibliothek von Adulten doppelt so viele Orphan-Gene gefunden wurden wie in der Embryobibliothek. Eine Analyses der Gene, die Stadienspezifisch exprimiert werden, ergibt ein ähnliches Verhältnis. Zusammen mit einer bei Embryotranskripten gefundenen verringerten Evolutionsrate deutet sich deshalb eine stärkere Einschränkung für die Verwendung von Orphan-Genen in Embryos an. Die Expression von Orphan-Genen ist bei Embryos oft räumlich begrenzt, was auf eine eher lokale als ubiquitäre Verwendung hinweist. Die generellen Charackteristika von Orphan-Genen in Drosophila legen nahe, dass diese bei der Evolution von adaptiven Merkmalen eine Rolle spielen. Langsam evolvierende Orphan-Gene könnten von besonderem Interesse für die Bestimmung von linienspezifischen Adaptationen sein. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Domazet-Loso, Tomislav t.domazet@uni-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-9718
Date:	2003
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 orphan genes, evolution, Drosophila, genome English
Date of oral exam:	2 July 2003
Referee:	Name Academic Title Tautz, Diethard UNSPECIFIED
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/971