Population genetic relationships between Casearia sylvestris (Salicaceae) varieties occurring sympatrically and allopatrically in different ecosystems in south-east Brazil

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

The 5S rDNA family evolves through concerted and birth-and-death evolution in fish genomes: an example from freshwater stingrays

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Variabilidade genética e química entre e dentro de populações de Casearia sylvestris Sw. (Salicaceae) no estado de São Paulo

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Systematic Variation in the Pattern of Gene Paralog Retention between the Teleost Superorders Ostariophysi and Acanthopterygii

Teleost fish underwent whole-genome duplication around 450 Ma followed by diploidization and loss of 80-85% of the duplicated genes. To identify a deep signature of this teleost-specific whole-genome duplication (TSGD), we searched for duplicated genes that were systematically and uniquely retained in one or other of the superorders Ostariophysi and Acanthopterygii. TSGD paralogs comprised 17-21% of total gene content. Some 2.6% (510) of TSGD paralogs were present as pairs in the Ostariophysi genomes of Danio rerio (Cypriniformes) and Astyanax mexicanus (Characiformes) but not in species from four orders of Acanthopterygii (Gasterosteiformes, Gasterosteus aculeatus; Tetraodontiformes, Tetraodon nigroviridis; Perciformes, Oreochromis niloticus; and Beloniformes, Oryzias latipes) where a single copy was identified. Similarly, 1.3% (418) of total gene number represented cases where TSGD paralogs pairs were systematically retained in the Acanthopterygian but conserved as a single copy in Ostariophysi genomes. We confirmed the generality of these results by phylogenetic and synteny analysis of 40 randomly selected linage-specific paralogs (LSPs) from each superorder and completed with the transcriptomes of three additional Ostariophysi species (Ictalurus punctatus [Siluriformes], Sinocyclocheilus species [Cypriniformes], and Piaractus mesopotamicus [Characiformes]). No chromosome bias was detected in TSGD paralog retention. Gene ontology (GO) analysis revealed significant enrichment of GO terms relative to the human GO SLIM database for growth, Cell differentiation, and Embryo development in Ostariophysi and for Transport, Signal Transduction, and Vesicle mediated transport in Acanthopterygii. The observed patterns of paralog retention are consistent with different diploidization outcomes having contributed to the evolution/diversification of each superorder.

Characterization of the transcriptome of fast and slow muscle myotomal fibres in the pacu (Piaractus mesopotamicus)

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Untersuchungen zur Globinexpression in Karpfenfischen

In der vorliegenden Arbeit untersuchte ich die Diversität und die sauerstoffabhängige Expression der Globine von Karpfenfischen. Mit Globin X konnte ein fünfter Globintyp identifiziert werden, dessen Vorkommen auf Fische und Amphibien beschränkt ist. Globin X wird sowohl auf mRNA- als auch auf Proteinebene in zahlreichen Geweben exprimiert. Zur Aufklärung der genauen Funktion müssen noch weitere Analysen durchgeführt werden. Phylogenetische Untersuchungen ergaben eine ursprüngliche Verwandtschaft zwischen Neuroglobin und Globin X und deuten darauf hin, dass der letzte gemeinsame Vorfahre der Protostomia und Deuterostomia bereits zwei verschiedene Globintypen besessen hat. Im Zebrabärbling und im Goldfisch konnte ich eine Myoglobin-Expression neben dem Herzen auch in Hirn, Kieme, Leber und Niere nachweisen und somit zeigen, dass Myoglobin nicht nur im Muskelgewebe lokalisiert ist. Des Weiteren konnte eine hirnspezifische Myoglobin-Isoform im Goldfisch identifiziert werden, deren Funktion noch unklar ist und weiterer Untersuchungen bedarf. Das Vorhandensein der zweiten Isoform ist innerhalb der Cyprinidae (Karpfenfische) aufgrund einer Genomduplikation bei den Cyprininae (Kärpflinge) auf diese Unterfamilie beschränkt. Durch Hypoxieexperimente konnte gezeigt werden, dass die Expression der Globine von der Intensität des Sauerstoffmangels abhängig ist und gewebe- und artspezifisch erfolgt. Im Zebrabärbling wurde eine Abnahme der Hämoglobin- und Globin X-Konzentration beobachtet, während das Cytoglobin-Expressionsniveau nahezu unverändert blieb. Im Fall von Myoglobin und Neuroglobin konnte zum ersten Mal gezeigt werden, dass die hypoxieinduzierte Zunahme der mRNA-Menge auch mit einer verstärkten Expression des jeweiligen Proteins korreliert ist. Im Vergleich dazu war die Veränderung der Expression der meisten Globine im Goldfisch gering, lediglich Myoglobin wurde im Fischkörper auf mRNA-Ebene nach Hypoxie deutlich verstärkt exprimiert. Durch einen Vergleich der konstitutiven Neuroglobin-Expression beider Karpfenfische konnte in Auge und Hirn des hypoxietoleranten Goldfisches eine 3- bzw. 5-fach höhere Neuroglobin-Konzentration als im hypoxiesensitiven Zebrabärbling nachgewiesen werden. Meine Ergebnisse stützen somit die Hypothese, dass Neuroglobin eine myoglobinähnliche Funktion einnimmt und den aeroben Stoffwechsel im neuronalen Gewebe auch unter Sauerstoffmangel aufrechterhält.

Das Globingen-Repertoire von Amphibien und Teleostiern

Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurde die molekulare Evolution von Globinen in Amphibien und Teleostiern untersucht und Analysen zur Genexpression ausgewählter Globine durchgeführt. Die bisher besonders für die neueren Mitglieder der Superfamilie der Globine – Neuroglobin und Cytoglobin – schwerpunktmäßig in Mammaliern erbrachten Daten sollten durch die Analyse in Amphibien und Teleostiern auf ihre generelle Gültigkeit für Vertebraten überprüft werden. Die Analysen zur Genexpression wurden sowohl in silico, basierend auf genomischen wie EST-Daten, als auch experimentell durch qualitative und quantitative RT-PCR-Nachweise durchgeführt. Die mRNA-Lokalisation wurde durch in situ-Hybridisierungen an Gewebeschnitten beziehungsweise durch Whole mount in situ-Hybridisierung an ganzen Embryonen detektiert. In einem ersten Teil der Arbeit wurde das Globin-Repertoire von Xenopus tropicalis umfassend analysiert. Die Expressionsanalyse der gefundenen Globine umfasste nicht nur adulte Tiere, sonder erstmals auch detailliert die Entwicklungsstadien eines Vertebraten. Dabei wurde festgestellt, dass die vorwiegend neuronale Expression des streng konservierten Neuroglobins ein generelles Charakteristikum aller Tetrapoden ist und bereits in der frühembryonalen Entwicklung auftritt. Auch für das als Einzelkopie im Amphibiengenom vertretene Cytoglobin konnte eine strenge Sequenzkonservierung gezeigt werden. Das Expressionsmuster des Amphibien-Cytoglobins stimmte mit dem aus Mammaliern bekannten überein und zeigte konservierte Charakteristika dieses Globins bei Tetrapoden auf. Die Analyse des Xenopus-Genoms ergab zudem, dass Krallenfrösche nicht über Myoglobin verfügen. Genomische Vergleiche syntäner Genregionen ließen auf Rearrangements in diesem Genombereich im Verlauf der Evolution schließen, in deren Folge das Myoglobingen in den Krallenfröschen deletiert wurde. Die Hämoglobine wurden in Xenopus tropicalis erstmals in einem Amphibium umfassend analysiert. Die Gene zeigten demnach eine geclusterte Anordnung: der tropische Krallenfrosch verfügte über je ein funktionelles α- bzw. β-adultes und sieben bzw. vier α- bzw. β-larvale Hämoglobine, die während der Entwicklung bzw. in adulten Tieren charakteristisch exprimiert wurden. Die Analyse der Hämoglobine hinsichtlich ihrer Lage in einem Cluster, ihrer phylogenetischen Relation zueinander und nicht zuletzt ihres Expressionsmusters ließen Rückschlüsse auf ihre Evolution zu. Zusätzlich zu diesen bereits bekannten Globinen konnte im Rahmen dieser Dissertation das Globingen-Repertoirs von Xenopus um zwei weitere, bisher unbekannte Globine erweitert werden. Diese wurden entsprechend ihrer bisher unbekannten Funktion als GlobinX und GlobinY bezeichnet. Während GlobinY bisher ausschließlich in Amphibien nachgewiesen werden konnte, wurde GlobinX zudem in Teleostiern detektiert und repräsentiert damit ein auf Anamnia beschränktes Globin. Die rekombinante Proteinexpression von Neuroglobin, Cytoglobin, GlobinX und GlobinY des tropischen Krallenfrosches zeigte ein hexakoordiniertes Bindungsschema dieser Globine in ihrem Deoxy-Zustand. In einem zweiten Teil dieser Dissertation wurden Neuroglobin und Cytoglobin in Teleostiern untersucht und die Analyse für diese zwei Gene somit über die Tetrapoden hinaus auf den gesamten Stammbaum der Vertebraten ausgedehnt. Dabei wurde deutlich, dass die vorwiegend neuronale Expression des seit 420 Millionen Jahren streng konservierten Neuroglobins ein generelles Merkmal dieses Globins in allen Vertebraten ist. Der in Amphibien und Teleostiern erbrachte und mit Ergebnissen in Mammaliern übereinstimmende Nachweis von Neuroglobin in neuronalen Geweben mit einem hohen Stoffwechsel lässt derzeit eine Funktion dieses Globins im Sauerstoffmetabolimus als wahrscheinlich erscheinen. Ob Neuroglobin dabei als kurzzeitiger Sauerstoffspeicher, O2-Transoprter oder aber in der Detoxifikation reaktiver Sauerstoff- bzw. Stickstoffspezies agiert, bleibt zu untersuchen. Für Cytoglobin konnte eine offenbar alle Teleostier betreffende Genduplikation nachgewiesen werden. Phylogenetische Analysen zeigen die Monophylie der Vertebraten-Cytoglobine. Der Vergleich der paralogen Cytoglobine der Teleostier mit dem syntänen Genombereich des humanen Cytoglobins zeigte die wahrscheinliche Entstehung der Fisch-Cytoglobine durch eine Genomduplikation in einem Vorfahren aller Teleostier vor etwa 300-450 Millionen Jahren. Die paralogen Cytoglobine zeigten in Danio rerio und Tetraodon nigroviridis differierende, charakteristische Expressionsmuster, die mit der Theorie der Subfunktionalisierung von Genen in Folge eines Duplikationsereignisses kompatibel sind. Die Analyse zeigte, dass Cygb-1 prädominant in Gehirn und Herz exprimiert wurde, Cygb-2 hingegen bevorzugt in Gehirn und Auge. Dies bestätigte indirekt die Hypothese, nach der das Cytoglobin der Mammalier zwei unterschiedliche Funktionen in differenten Geweben wahrnimmt. Die rekombinante Expression von Cygb-1 des Zebrabärblings zeigte zudem, das auch dieses Globin in seiner Deoxy-Form über ein hexakoordiniertes Bindungsschema verfügt.

Fgfrl1, a fibroblast growth factor receptor-like gene, is found in the cephalochordate Branchiostoma floridae but not in the urochordate Ciona intestinalis

FGFRL1 is a novel member of the fibroblast growth factor receptor family that controls the formation of musculoskeletal tissues. Some vertebrates, including man, cow, dog, mouse, rat and chicken, possess a single copy the FGFRL1 gene. Teleostean fish have two copies, fgfrl1a and fgfrl1b, because they have undergone a whole genome duplication. Vertebrates belong to the chordates, a phylum that also includes the subphyla of the cephalochordates (e.g. Branchiostoma floridae) and urochordates (tunicates, e.g. Ciona intestinalis). We therefore investigated whether other chordates might also possess an FGFRL1 related gene. In fact, a homologous gene was found in B. floridae (amphioxus). The corresponding protein showed 60% sequence identity with the human protein and all sequence motifs identified in the vertebrate proteins were also conserved in amphioxus Fgfrl1. In contrast, the genome of the urochordate C. intestinalis and those from more distantly related invertebrates including the insect Drosophila melanogaster and the nematode Caenorhabditis elegans did not appear to contain any related sequences. Thus, the FGFRL1 gene might have evolved just before branching of the vertebrate lineage from the other chordates.

Protein-coding genes are epigenetically regulated in Arabidopsis polyploids

The fate of redundant genes resulting from genome duplication is poorly understood. Previous studies indicated that ribosomal RNA genes from one parental origin are epigenetically silenced during interspecific hybridization or polyploidization. Regulatory mechanisms for protein-coding genes in polyploid genomes are unknown, partly because of difficulty in studying expression patterns of homologous genes. Here we apply amplified fragment length polymorphism (AFLP)–cDNA display to perform a genome-wide screen for orthologous genes silenced in Arabidopsis suecica, an allotetraploid derived from Arabidopsis thaliana and Cardaminopsis arenosa. We identified ten genes that are silenced from either A. thaliana or C. arenosa origin in A. suecica and located in four of the five A. thaliana chromosomes. These genes represent a variety of RNA and predicted proteins including four transcription factors such as TCP3. The silenced genes in the vicinity of TCP3 are hypermethylated and reactivated by blocking DNA methylation, suggesting epigenetic regulation is involved in the expression of orthologous genes in polyploid genomes. Compared with classic genetic mutations, epigenetic regulation may be advantageous for selection and adaptation of polyploid species during evolution and development.

NFAT5 genes are part of the osmotic regulatory system in Atlantic salmon (Salmo salar)

Acknowledgements This study was supported by a grant from the Biotechnology and Biological Sciences Research Council (BBSRC, BB/H008063/1), UK to DGH and SAM. Funding also came from Research Council Norway for project number 241016 for DGH and EJ. This work was carried out as part of a PhD thesis funded by the Marine Alliance of Science and Technology Scotland (MASTS).

Gene duplication in the genome of parasitic Giardia lamblia

Background: Giardia are a group of widespread intestinal protozoan parasites in a number of vertebrates. Much evidence from G. lamblia indicated they might be the most primitive extant eukaryotes. When and how such a group of the earliest branching unicellular eukaryotes developed the ability to successfully parasitize the latest branching higher eukaryotes (vertebrates) is an intriguing question. Gene duplication has long been thought to be the most common mechanism in the production of primary resources for the origin of evolutionary novelties. In order to parse the evolutionary trajectory of Giardia parasitic lifestyle, here we carried out a genome-wide analysis about gene duplication patterns in G. lamblia. Results: Although genomic comparison showed that in G. lamblia the contents of many fundamental biologic pathways are simplified and the whole genome is very compact, in our study 40% of its genes were identified as duplicated genes. Evolutionary distance analyses of these duplicated genes indicated two rounds of large scale duplication events had occurred in G. lamblia genome. Functional annotation of them further showed that the majority of recent duplicated genes are VSPs (Variant-specific Surface Proteins), which are essential for the successful parasitic life of Giardia in hosts. Based on evolutionary comparison with their hosts, it was found that the rapid expansion of VSPs in G. lamblia is consistent with the evolutionary radiation of placental mammals. Conclusions: Based on the genome-wide analysis of duplicated genes in G. lamblia, we found that gene duplication was essential for the origin and evolution of Giardia parasitic lifestyle. The recent expansion of VSPs uniquely occurring in G. lamblia is consistent with the increment of its hosts. Therefore we proposed a hypothesis that the increment of Giradia hosts might be the driving force for the rapid expansion of VSPs.

The genome of the domesticated apple (Malus × domestica Borkh.)

We report a high-quality draft genome sequence of the domesticated apple (Malus × domestica). We show that a relatively recent (>50 million years ago) genome-wide duplication (GWD) has resulted in the transition from nine ancestral chromosomes to 17 chromosomes in the Pyreae. Traces of older GWDs partly support the monophyly of the ancestral paleohexaploidy of eudicots. Phylogenetic reconstruction of Pyreae and the genus Malus, relative to major Rosaceae taxa, identified the progenitor of the cultivated apple as M. sieversii. Expansion of gene families reported to be involved in fruit development may explain formation of the pome, a Pyreae-specific false fruit that develops by proliferation of the basal part of the sepals, the receptacle. In apple, a subclade of MADS-box genes, normally involved in flower and fruit development, is expanded to include 15 members, as are other gene families involved in Rosaceae-specific metabolism, such as transport and assimilation of sorbitol.

Comparative analysis of genome maintenance genes in naked mole rat, mouse, and human

Genome maintenance (GM) is an essential defense system against aging and cancer, as both are characterized by increased genome instability. Here, we compared the copy number variation and mutation rate of 518 GM-associated genes in the naked mole rat (NMR), mouse, and human genomes. GM genes appeared to be strongly conserved, with copy number variation in only four genes. Interestingly, we found NMR to have a higher copy number of CEBPG, a regulator of DNA repair, and TINF2, a protector of telomere integrity. NMR, as well as human, was also found to have a lower rate of germline nucleotide substitution than the mouse. Together, the data suggest that the long-lived NMR, as well as human, has more robust GM than mouse and identifies new targets for the analysis of the exceptional longevity of the NMR.