Dissertation (Metadaten)
Titel (original):Evolutionary analyses of orphan genes in mouse lineages in the context of de novo gene birth
(übersetzt):Evolutionäre Analysen von Orphan-Gene in Maus-Arten im Rahmen der „de novo“ Gen-Geburt
 
Autor:Rafik Tarek Neme Garrido
 
URN:NBN:urn:nbn:de:gbv:8-diss-150927
 
Fakultät:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
DDC Sachgebiet:570 Biowissenschaften, Biologie
 
Datum der mdl. Prüfung:07.07.2014
 
Referent(in):Prof. Dr. Diethard Tautz
Korreferent(en) Korreferentin:Prof. Dr. Thomas C.G. Bosch
 
Beschreibung (original):Gene birth is the process through which new genes appear. For a long time it was argued that the natural way of generating new genes was from copies of existing genes, and the possibility of de novo gene emergence was neglected. However, recent evidence has forced to reconsider old models and de novo gene birth gained recognition as a widespread phenomenon. De novo gene birth is the process by which a non-genic sequence is able to gain gene-like features through few mutations. The following work is a compilation of analyses that seek to highlight the importance and prevalence of de novo gene birth in genomes, suggesting that this is a process that is present at all times and which becomes very relevant upon ecological shifts. In the first chapter, I showed through phylostratigraphic analyses that new genes are substantially simpler than older, a trend which was consistent for several features and organisms, and suggestive of a frequent emergence of new genes through non-duplicative processes. In addition to this, I detected a strong association between gene birth and high transcriptional activity and chromosomal proximity. As part of this work, I was also able to use phylostratigraphy to evaluate a different model of gene birth, overprinting of alternative reading frames. In the following chapters of this dissertation, I made use of high-throughput sequencing of transcriptomes and genomes to ask questions about the origin and change of genes at closer time divergences than ever before, ranging from nearly 3000 years to 10 million years of divergence. I was able to detect the theoretically predicted effects of short time scale comparisons on the rate of protein evolution. Also, I contribute evidence that genes of different ages show different selective constraints even after only a few thousand years of divergence. Finally, in the last part of this thesis I evaluated the role of transcription in gene birth dynamics. Transcription seems to be a predominant feature of genomes, as most of the genome showed some level of transcription. In terms of de novo gene birth, I was able to identify 663 candidate loci from presence and absence of transcription. Analyses of these candidate loci indicated that gains are rather stable, meaning that subsequent losses were rarely found. In agreement with previous studies, I confirmed the role of testis as a driver of new genes. These results indicate that transcription is not a limiting factor in the emergence of new genes, and that our knowledge about the key regulatory elements of transcription and their turnover is still limited to explain why new genes seem to arise at a higher rate than they decay.
 
(übersetzt):Gen-Geburt ist der Prozess, durch den neue Gene entstehen können. Für lange Zeit wurde gedacht, dass neue Gene nur aus Duplizierung und Anpassung von Kopien entstehen können. Die Möglichkeit „de novo“-Gene zu generieren wurde vernachlässigt. Allerdings haben die neuesten Beweise uns alle gezwungen, alte Modelle zu überdenken. Der „de novo“-Geburt der Gene hat mehr und mehr Anerkennung als weit verbreitetes Phänomen bekommen. „De novo“-Geburt der Gene ist der Prozess neue Gene zu generieren, durch wenige Mutationen von Sequenzen die vorher keine Geninformation hatten. Die vorliegende Arbeit ist eine Zusammenstellung von Analysen, die die Bedeutung und Verbreitung von „de novo“ Gen-Geburt in Genomen hervorheben. Damit will ich zeigen, dass dies ein Prozess ist, der zu allen Zeiten vorhanden und relevant ist, vor allem wenn ökologische Änderungen vorkommen. Im ersten Kapitel habe ich durch phylostratigraphische Analysen gezeigt, dass neue Gene wesentlich einfacher als ältere sind. Das ist eine Tendenz, die für verschiedene Eigenschaften und Organismen konsistent ist. Das ist andeutend einer häufigen Entstehung neuer Gene durch Prozesse die nicht mit Gen-Duplikation zu tun haben. Weiterhin habe ich endeckt eine starke Verbindung zwischen Gen-Geburt, Transkriptionsaktivität und Chromosomen Nähe. In dieser Arbeit, war ich auch in der Lage Phylostratigraphie zu verwenden, um ein weiteres Modell der Gen-Geburt auszuwerten: „Aufdruck“ zwischen alternativen Leserahmen. In den folgenden Kapiteln dieser Arbeit, versuche ich mit Transkriptom- und Genomsequezierung, Fragen zu beantworten über die Entstehung und Veränderung von Genen bei Divergenzen, die näherer als üblich in der Zeit liegen. Diese Divergenzen entsprechen zeiten zwischen ca. 3000 Jahre biz zu 10 Millionen Jahre. Damit war ich in der Lage, die theoretischen vorausberechneten Auswirkungen des kurzen Zeitskala auf der Evolution von Proteinen zu erkennen. Weiterhin habe ich gezeigt, dass Gene der verschiedenen Altersstufen unterschiedliche selektive Einschränkungen zeigen, schon nach einige tausend Jahre Divergenz. Schließlich, im letzten Teil dieser Dissertation habe ich versucht die Rolle der Transkription in der Gen-Geburt Dynamik auszuwerten. Transkription scheint ein wesentliches Merkmal von Genomen zu sein, da die meisten des Genoms eine gewisse Transkription zeigen. In Bezug auf „de novo“Gen-Geburt, war ich in der Lage, 663 Kandidaten-Loci mit An- und Abwesenheit zu identifizieren. Analysen dieser Kandidaten-Loci zeigen, dass Transkriptionsgewinne sehr stabil sind. Das bedeutet, dass spätere Verluste wurden nur selten gefunden. In Übereinstimmung mit anderen Studien habe ich die Rolle des Hodens als Betrieb für neue Gene bestätigt. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Transkription kein limitierender Faktor bei der Entstehung neuer Gene ist und dass unser Wissen über die Regulationselemente der Transkription und ihren Umsatz noch begrenzt ist, um zu erklären, warum neue Gene mit einer höheren Rate scheinen als sie zerfallen können.
 
Schlagworte:gene evolution, genome evolution, gene birth, orphan genes, overprinting, transcriptome evolution, phylostratigraphy
Gen-Evolution, Genom-Evolution, Gen Geburt, Waisen Gene, Überdrucken, Transkriptom-Evolution, Phylostratigraphie
 
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