Charakterisierung und Analyse der geschlechtsbestimmenden Region von Chironomus riparius

Die durch eine männchenspezifisch auftretende heterochromatische Bande und ein hemizygotes Cla-Element-Cluster gekennzeichnete geschlechtsbestimmende Region („sex determining region“: SDR) auf Chromosom III von C. riparius stellt ein frühes Stadium in der Evolution von Geschlechtschromosomen dar. Diese eindeutig lokalisierte chromosomale Region, die den molekular noch unbekannten männchen¬bestimmenden Faktor M enthalten muss, ist im Vergleich zu den Y-Chromosomen anderer Dipterenarten wie unter anderem M. domestica, die ebenfalls einen dominanten Männchenbestimmer besitzen, relativ klein. Aus diesem Grund bietet die SDR von C. riparius eine Möglichkeit, den männchenbestimmenden Faktor einzugrenzen und zu identifizieren. In der vorliegenden Arbeit konnte ein Bereich einer Größe von ca. 200 kb aus der SDR von C. riparius charakterisiert und analysiert werden. Durch bioinformatische Sequenzanalysen konnten an 20 Stellen der SDR mögliche Genstrukturen nachgewiesen werden. Von den gefundenen möglichen Genen ist bisher die Funktion in C. riparius unbekannt. Bei den Genen mit vermuteter Funktion deutet nichts eindeutig auf eine Beteiligung an der Geschlechtsbestimmung von C. riparius hin. Da allerdings davon auszugehen ist, dass für die Funktion des Männchenbestimmers M ein Gen rekrutiert wurde, welches zur Interaktion mit dem nachgeschalteten Gen der Geschlechts¬bestimmungskaskade fähig ist, muss die geschlechtsbestimmende Funktion des Gens M nicht unbedingt offensichtlich sein. Aus geschlechtsbestimmenden Genkaskaden anderer Dipteren bekannte Gene wie transformer und doublesex konnten im analysierten Bereich nicht nachgewiesen werden, obwohl zumindest zu doublesex homologe Gene im Genom von C. riparius vorkommen. Um möglicherweise proto-X- und proto-Y-Chromosom miteinander vergleichen zu können und einen Hinweis auf die chromosomale Herkunft der analysierten Sequenzen aus der SDR zu erlangen, wurden Sequenzen von 31 teilweise parallel liegenden BAC-Klonen aus der untersuchten Region verglichen. Dabei zeigte sich, dass die Klone zwei Gruppen bilden, deren Sequenzen sich durch 500 SNPs und 110 Indels unterschiedlicher Größe (1-800 Bp) unterscheiden, was für eine Herkunft von zwei sich erst seit kurzer Zeit unterscheidenden Geschlechtschromosomen spricht. Die zwölf größten dieser Indels wurden auf geschlechtsspezifische Unterschiede hin untersucht. Dabei zeigte sich, dass die Unterschiede zwischen den beiden Klongruppen zwar im 30 Jahre alten Laborstamm, der auch für die Konstruktion der durchsuchten BAC-Bibliotheken verwendet wurde, tatsächlich geschlechtsspezifisch sind, in zwei Wildfangpopulationen jedoch keine derartige Geschlechtsspezifität aufweisen. Somit kann keine Aussage zur Herkunft der untersuchten Klone aus der SDR von C. riparius getroffen werden, und es bleibt unklar, ob die analysierten Sequenzen vom proto-X oder vom proto-Y-Chromosom stammen.

Molekularbiologische Charakterisierung der beiden Untereinheiten des Mega-Hämocyanins der Schnecke Melanoides tuberculata

Bei dem 2010 von unserer Arbeitsgruppe entdeckten Mega-Hämocyanin handelt es sich um einen stark abgewandelten Typ des respiratorischen Proteins Hämocyanin, bestehend aus zwei flankierenden regulären Dekameren und einem zentralen Mega-Dekamer. Diese sind aus zwei immunologisch verschiedenen Untereinheiten mit ~400 bzw. ~550 kDa aufgebaut, die in unserer Arbeitsgruppe bereits proteinbiochemisch charakterisiert wurden. Im Zuge dieser Untersuchungen konnte zudem eine 3D-Rekonstruktion des Oligomers (13,5 MDa) mit einer Auflösung von 13Å erstellt werden. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Aufklärung der Primärstruktur beider Polypeptide bei der Schnecke Melanoides tuberculata (MtH). Es gelang, die cDNAs der beiden Untereinheiten vollständig zu sequenzieren. Die zu typischen Dekameren assemblierende MtH400-Untereinheit umfasst 3445 Aminosäuren und besitzt eine theoretische Molekularmasse von 390 kDa. Nach dem Signalpeptid von 23 Aminosäuren Länge folgen die für Gastropoden-Hämocyanine typischen funktionellen Einheiten FU-a bis FU-h. Insgesamt verfügt die MtH400-Untereinheit über sechs potentielle N-Glykosylierungsstellen. Die MtH550-Untereinheit, welche mit 10 Kopien das Mega-Dekamer bildet, umfasst 4999 Aminosäuren und besitzt eine theoretische Molekularmasse von 567 kDa. Damit handelt es sich bei dieser Untereinheit um die zweitgrößte jemals bei einem Protein detektierte Polypeptidkette. Die MtH550-Untereinheit besteht aus einem Signalpeptid von 20 Aminosäuren Länge und den typischen Wand-FUs (FU-a bis FU-f). Daran anschließend folgen sechs weitere Varianten der FU-f (FU-f1 bis FU-f6). Die MtH550-Untereinheit verfügt über insgesamt zwölf potentielle N-Glykosylierungsstellen. Anhand der ermittelten Primärstrukturdaten wird klar, dass der auffällig vergrößerte Kragenbereich des Mega-Dekamers aus je 10 Kopien der FU-f1 bis FU-f6 besteht. Die ermittelten Sequenzdaten der beiden MtH-Untereinheiten weisen im Vergleich zu anderen Hämocyanin Sequenzen einige sehr charakteristische Indels sowie unübliche N-Glykosylierungsstellen auf. Es war zudem möglich, anhand einer molekularen Uhr den Entstehungszeitpunkt des Mega-Hämocyanins zu datieren (145 ± 35 MYA). Sowohl die Topologie als auch die berechneten Trennungszeitpunkte des an allen Verzweigungen gut unterstützten Stammbaums stimmen mit den bisher publizierten und auf Hämocyanindaten basierenden molekularen Uhren überein.

Wattles in goats are associated with the FMN1/GREM1 region on chromosome 10.

The presence of congenital appendages (wattles) on the throat of goats is supposed to be under genetic control with a dominant mode of inheritance. Wattles contain a cartilaginous core covered with normal skin resembling early stages of extremities. To map the dominant caprine wattles (W) locus, we collected samples of 174 goats with wattles and 167 goats without wattles from nine different Swiss goat breeds. The samples were genotyped with the 53k goat SNP chip for a subsequent genome-wide association study. We obtained a single strong association signal on chromosome 10 in a region containing functional candidate genes for limb development and outgrowth. We sequenced the whole genomes of an informative family trio containing an offspring without wattles and its heterozygous parents with wattles. In the associated goat chromosome 10 region, a total of 1055 SNPs and short indels perfectly co-segregate with the W allele. None of the variants were perfectly associated with the phenotype after analyzing the genome sequences of eight additional goats. We speculate that the causative mutation is located in one of the numerous gaps in the current version of the goat reference sequence and/or represents a larger structural variant which influences the expression of the FMN1 and/or GREM1 genes. Also, we cannot rule out possible genetic or allelic heterogeneity. Our genetic findings support earlier assumptions that wattles are rudimentary developed extremities.

Molecular characterization and SNP development for the porcine IL6 and IL10 genes

Different cytokines are secreted in response to specific microbial molecules referred to as pathogen associated molecular patterns (PAMPs). Interleukin 6 (IL6) and interleukin 10 (IL10), both secreted by macrophages and lymphocytes, play a central role in the immunological response. In this work we obtained the genomic structure and complete DNA sequence of the porcine IL6 and IL10 genes and identified polymorphisms in the genomic sequences of these genes on a panel of ten different pig breeds. Comparative intra- and interbreed sequence analysis revealed a total of eight polymorphisms in the porcine IL6 gene and 21 in the porcine IL10 gene, which include single nucleotide polymorphisms (SNPs) and insertion deletion polymorphisms (indels). Additionally, the chromosomal localization of the IL10 gene was determined by FISH and RH mapping.

Whole-Genome Sequencing of a Canine Family Trio Reveals a FAM83G Variant Associated with Hereditary Footpad Hyperkeratosis

Over 250 Mendelian traits and disorders, caused by rare alleles have been mapped in the canine genome. Although each disease is rare in the dog as a species, they are collectively common and have major impact on canine health. With SNP-based genotyping arrays, genome-wide association studies (GWAS) have proven to be a powerful method to map the genomic region of interest when 10-20 cases and 10-20 controls are available. However, to identify the genetic variant in associated regions, fine-mapping and targeted re-sequencing is required. Here we present a new approach using whole-genome sequencing (WGS) of a family trio without prior GWAS. As a proof-of-concept, we chose an autosomal recessive disease known as hereditary footpad hyperkeratosis (HFH) in Kromfohrl änder dogs. To our knowledge, this is the first time this family trio WGS-approach, has successfully been used to identify a genetic variant that perfectly segregates with a canine disorder. The sequencing of three Kromfohrl änder dogs from a family trio (an affected offspring and both its healthy parents) resulted in an average genome coverage of 9.2X per individual. After applying stringent filtering criteria for candidate causative coding variants, 527 single nucleotide variants (SNVs) and 15 indels were found to be homozygous in the affected offspring and heterozygous in the parents. Using the computer software packages ANNOVAR and SIFT to functionally annotate coding sequence differences and to predict their functional effect, resulted in seven candidate variants located in six different genes. Of these, only FAM83G:c155G>C (p.R52P) was found to be concordant in eight additional cases and 16 healthy Kromfohrl änder dogs.

The interphotoreceptor retinoid binding protein gene in therian mammals: Implications for higher level relationships and evidence for loss of function in the marsupial mole

The subclass Theria of Mammalia includes marsupials (infraclass Metatheria) and placentals (infraclass Eutheria). Within each group, interordinal relationships remain unclear. One limitation of many studies is incomplete ordinal representation. Here, we analyze DNA sequences for part of exon 1 of the interphotoreceptor retinoid binding protein gene, including 10 that are newly reported, for representatives of all therian orders. Among placentals, the most robust clades are Cetartiodactyla, Paenungulata, and an expanded African clade that includes paenungulates, tubulidentates, and macroscelideans. Anagalida, Archonta, Altungulata, Hyracoidea + Perissodactyla, Ungulata, and the “flying primate” hypothesis are rejected by statistical tests. Among marsupials, the most robust clade includes all orders except Didelphimorphia. The phylogenetic placement of the monito del monte and the marsupial mole remains unclear. However, the marsupial mole sequence contains three frameshift indels and numerous stop codons in all three reading frames. Given that the interphotoreceptor retinoid binding protein gene is a single-copy gene that functions in the visual cycle and that the marsupial mole is blind with degenerate eyes, this finding suggests that phenotypic degeneration of the eyes is accompanied by parallel changes at the molecular level as a result of relaxed selective constraints.

Island colonization and evolution of the insular woody habit in Echium L. (Boraginaceae).

Numerous island-inhabiting species of predominantly herbaceous angiosperm genera are woody shrubs or trees. Such "insular woodiness" is strongly manifested in the genus Echium, in which the continental species of circummediterranean distribution are herbaceous, whereas endemic species of islands along the Atlantic coast of north Africa are woody perennial shrubs. The history of 37 Echium species was traced with 70 kb of noncoding DNA determined from both chloroplast and nuclear genomes. In all, 239 polymorphic positions with 137 informative sites, in addition to 27 informative indels, were found. Island-dwelling Echium species are shown to descend from herbaceous continental ancestors via a single island colonization event that occurred < 20 million years ago. Founding colonization appears to have taken place on the Canary Islands, from which the Madeira and Cape Verde archipelagos were invaded. Colonization of island habitats correlates with a recent origin of perennial woodiness from herbaceous habit and was furthermore accompanied by intense speciation, which brought forth remarkable diversity of forms among contemporary island endemics. We argue that the origin of insular woodiness involved response to counter-selection of inbreeding depression in founding island colonies.

Ribosomal frameshifting and transcriptional slippage: from genetic steganography and cryptography to adventitious use

Genetic decoding is not ‘frozen’ as was earlier thought, but dynamic. One facet of this is frameshifting that often results in synthesis of a C-terminal region encoded by a new frame. Ribosomal frameshifting is utilized for the synthesis of additional products, for regulatory purposes and for translational ‘correction’ of problem or ‘savior’ indels. Utilization for synthesis of additional products occurs prominently in the decoding of mobile chromosomal element and viral genomes. One class of regulatory frameshifting of stable chromosomal genes governs cellular polyamine levels from yeasts to humans. In many cases of productively utilized frameshifting, the proportion of ribosomes that frameshift at a shift-prone site is enhanced by specific nascent peptide or mRNA context features. Such mRNA signals, which can be 5′ or 3′ of the shift site or both, can act by pairing with ribosomal RNA or as stem loops or pseudoknots even with one component being 4 kb 3′ from the shift site. Transcriptional realignment at slippage-prone sequences also generates productively utilized products encoded trans-frame with respect to the genomic sequence. This too can be enhanced by nucleic acid structure. Together with dynamic codon redefinition, frameshifting is one of the forms of recoding that enriches gene expression.

A machine learning based method to detect genomic imbalances exploiting X chromosome exome reads

Whole Exome Sequencing (WES) is rapidly becoming the first-tier test in clinics, both thanks to its declining costs and the development of new platforms that help clinicians in the analysis and interpretation of SNV and InDels. However, we still know very little on how CNV detection could increase WES diagnostic yield. A plethora of exome CNV callers have been published over the years, all showing good performances towards specific CNV classes and sizes, suggesting that the combination of multiple tools is needed to obtain an overall good detection performance. Here we present TrainX, a ML-based method for calling heterozygous CNVs in WES data using EXCAVATOR2 Normalized Read Counts. We select males and females’ non pseudo-autosomal chromosome X alignments to construct our dataset and train our model, make predictions on autosomes target regions and use HMM to call CNVs. We compared TrainX against a set of CNV tools differing for the detection method (GATK4 gCNV, ExomeDepth, DECoN, CNVkit and EXCAVATOR2) and found that our algorithm outperformed them in terms of stability, as we identified both deletions and duplications with good scores (0.87 and 0.82 F1-scores respectively) and for sizes reaching the minimum resolution of 2 target regions. We also evaluated the method robustness using a set of WES and SNP array data (n=251), part of the Italian cohort of Epi25 collaborative, and were able to retrieve all clinical CNVs previously identified by the SNP array. TrainX showed good accuracy in detecting heterozygous CNVs of different sizes, making it a promising tool to use in a diagnostic setting.