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Evolution of spatiotemporal organization of biological systems : origins and phenotypic impact of duplicated genes

Trachana, Kalliopi

German Title: Die Evolution von raumzeitlicher Organization biologischer Systeme : die Entstehung phänotypischer Auswirkungen bei verdoppelten Genen

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Abstract

Eine Schwemme von Genomsequenzen sowie weitere groß angelegte Studien zur Charakterisierung von molekularen Funktionen hat Forschern erlaubt, komparative Studien der funktionellen Komponenten und ihrer Interaktionen für eine große Anzahl von Spezies durchegeführt werden. Die so gewonnen Erkenntnisse können weiter untersucht werden und mithilfe von Orthologie (Homologie abgeleitet durch Artenbildung) auf neu-sequenzierte Spezies übertragen werden um Erkenntnisse über die Evolution von molekularen Funktionen und ihrer Organisation zu gewinnen. Eine robuste Orthologie ist Voraussetzung für akkurate phylogenomische und komparative Analysen. Obwohl sich das Forschungsfeld der Orthologie Fortschritte gemacht hat, ist die Orthologie- Voraussage noch immer von widersprüchlich und unsicher. Aus diesem Grund sollten Tests zur Qualitätskontrolle eingeführt werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Phylogenie-basierter Datensatz entwickelt, mit dem die Orthologie Voraussage in den Animalia überprüft werden kann. Dieser Datensatz wurde benutzt um die Orthologie-Voraussagen von fünf öffentlich zugänglichen Repositorien zu evaluieren und die Auswirkungen von einer Anzahl von technischen und biologischen Faktoren zu untersuchen. Gleichzeitig hat die große Anzahl von komplett sequenzierten Genomen zur Formulierung von interessanten Hypothesen über die Mechanismen der Evolution von molekularen Funktionen geführt. Zum Beispiel wurden Paraloge, Homologe die durch Gen- oder Genomduplikation entstanden sind, mit der Erweiterung und Teilung von molekularen Funktionen assoziiert. Eine Vielzahl von Studien wurden durchgeführt um herauszufinden, wie siche duplizierte Gene, die mit morphologischen Veränderungen assoziert werden, ihre Genexpressionsraten in unterschiedlichen Geweben ändern. Es wurde jedoch noch nicht großflächig untersucht, ob die regulatorische Divergenz von Paralogen bestimmte Muster bevorzugt und wie diese Muster entstanden sind. Um dies zu untersuchen wurden die Expressionsdaten von 31 menschlichen Geweben benutzt und bevorzugte Gewebekombinationen von sub(neo)funktionalisierten Paralogen identifiziert. Interessanterweise stellte sich heraus, dass Paraloge die mit dem Choradata- Wirbeltiere Übergang im Zusammenhang stehen und bereits vor dem Ur-Wibeltier vorhanden waren, häufig zwischen Gehirn und nicht-Gehirngeweben divergieren. Im Kontrast zur weitreichenden Literatur über die Evolution von Geweben und Paralogie, ist die Rolle von Genduplikation in der temporalen Regulation von biologischen Systemen schlechter untersucht. Um dies zu untersuchen wurden Orthologie und Genexpressionsdaten kombiniert. Wir konnten herausfinden, dass der Zell-Zyklus und andere periodische Prozesse (wie der Circadianen und Ultradianen Rhythmik) von Paralogen reguliert werden. Das funktionelle Repertoire dieser Paraloge unterscheidet sich in 3 eukaryotischen Spezies (Arabidopsis, Mensch und Hefe), was impliziert, dass sich die temporale Regulation der Zellen durch Paraloge sich in den drei Organismen unabhängig Zusammenfassung voneinander entwickelt hat. Zusammenfassend ist die größte Herausvorderung der postgenomischen Ära eine effektive Integration von funktionell relevanten genomischen Daten um herauszufinden, wie komplexe Eigenschaften sich entwickelt haben. Um dieses Ziel zu erreichen sollten die dynamischen Veränderungen der Gen-Inventare unter Beachtung von der Beziehung von Orthologen (gleicher Ursprung) und Paralogen (Potenzial für Divergenz) untersucht werden.

Translation of abstract (English)

A deluge of genomic sequences and other functional large-scale datasets has allowed the description and comparison of the functional components and their interactions for a large number of species. This information can be further evaluated and transferred across newly sequenced species through orthology (homology derived via speciation) to provide insights into the evolutionary aspect of function and organization. Robust orthology prediction is a prerequisite for accurate phylogenomic and comparative analyses. Despite the advances in the field, orthology prediction is still conflicting and uncertain. Therefore, quality control tests should be established to deal with this issue. In the course of this thesis, a phylogeny-based benchmark dataset for orthology prediction for the animal clade was established. This dataset has been used to evaluate the orthology predictions for five publicly available repositories and estimate the impact of several technical and biological factors. At the same time, the large number of fully sequenced genomes has enabled the formulation of interesting hypothesis on the mechanisms of functional evolution. For instance, paralogs, defined as homologs derived via gene/genome duplication, has been associated with expansion or division of functionality. A plethora of studies have investigated how duplicated genes that related to morphological innovations have diverged their expression in different tissues. Thus far, it has not been examined in a large scale, if the regulatory divergence of the paralogs is favored in certain patterns and how these patterns have emerged. To study this, the expression data of 31 human tissues were used to identify the preferable tissue combinations of sub(neo)functionalized paralogs. Interestingly, it has been revealed that paralogs related to chordate-vertebrate transition and belong to protein families that predate the vertebrate origin, are often diverged between brain and non-brain tissue. This suggests that the elaborated brain of vertebrates might have been developed by adapting one paralog in a brain-specific manner. In contrast to the rich literature on tissue evolution and paralogy, the role of duplication in the temporal regulation of biological systems has been understudied. Again, by combining orthology and transcriptomic data, we identified that cell cycle and other cellular periodic processes (namely circadian and ultradian regulation) tend to be orchestrated through paralogs. The functional repertoires of periodically diverged paralogs are different for three eukaryotic species (Arabidopsis, human and budding yeasts), implying that the temporal organization of cells through paralogs has evolved independently in the three lineages. To conclude, the greatest challenge in the postgenomic era is to effectively integrate functionally relevant genomic data in order to determine how complex traits have emerged. To accomplish this we have to study the dynamic changes of gene inventories with respect to orthologous (common origin) and paralogous (potential of divergence) relationships.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Arendt, Prof. Dr. Detlev
Date of thesis defense: 13. December 2011
Date Deposited: 30. Jan 2012 13:06
Date: 2011
Faculties / Institutes: Service facilities > Centre for Organismal Studies Heidelberg (COS)
Subjects: 570 Life sciences
Controlled Keywords: Evolution, Genome, Genregulation ,Paralogen, Orthologie
Uncontrolled Keywords: Evolution , Genome , Gene regulation , Paralogs , Orthologs
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