Functional characterization of adaptively relevant genes in the house mouse (Mus musculus L.)

Hasenkamp, Natascha

One of the main themes in evolutionary biology is the characterization of the molecular basis of adaptation. A prerequisite for adaptation is the presence of heritable variation in the form of functionally distinct alleles which have differential effects on the lifetime reproductive success of an organism. That is why a lot of effort has been made in recent years to identify genes that are under positive selection and thus involved in adaptive processes in natural populations of different species. Through comprehensive genetic screens a large number of such candidate genes have been identified. However, knowledge about the allelic variation, its molecular function and phenotypic effects remains still rare. In this study, I took advantage of data about candidate genes for selective sweeps from previous hitchhiking mapping studies in four European wild mouse (Mus musculus L.) populations and of the extensive knowledge about mice through years of lab mouse research. Two candidate genes, namely Xpr1 and Dmrt1, with a generally well characterized function were analyzed to gain information about potential functional alleles, their variation and extent of the selective sweep across different populations and possible functional effects of the different alleles. Xpr1 is a cell-surface receptor which is especially known for its function in infection of cells by polytropic and xenotropic murine leukemia viruses (X/P-MLVs), which can cause leukemia and lymphomas in mice. The transcription factor Dmrt1 is a highly conserved member of the sex determination cascade in vertebrates and required for normal gonadal differentiation in mice. For both genes, I focused on coding sequence variation as potential target of positive selection in 11 wild mouse populations and several outgroups. Analyzed M. m. domesticus populations came from France, Germany and Iran, while the M. m. musulus populations came from Czech Republic and Kazakhstan. Additionally, microsatellites in a region of 200 kb around both loci were analyzed to survey the extent of the originally identified selective sweeps across populations. For the analysis of potential functional effects of the identified alleles, information about the general function of the genes was used. The two genes showed coding sequence variation among the populations. For Xpr1, 14 different alleles were identified which occurred as haplotypes. Two of these alleles were associated to a signature of positive selection and an introgression of one of these haplotypes from Iran to Southern France was observed. Furthermore, evidence for balancing selection on two haplotypes in three other populations was found. Analysis of potential functional effects of the receptor alleles focused in associations between these alleles and variation in transcribed P-MLVs in captive mice. However, no association could be found and no infectious virions were detected. Together with finding from previous studies, the here obtained results suggest that Xpr1 variation in wild mouse populations is shaped by ongoing adaptive evolution, but that to current knowledge other factors than disease induction by XPR1-dependent MLVs might drive this process. For Dmrt1, one amino acid exchange between Asparagine (N) and Serine (S) was observed, while data from other studies suggested that no differential expression or alternative splicing occurred. N seemed to be the derived allele and generated a potential N-linked glycosylation site. It was also found to be potentially under positive selection in five populations from France. The functional analysis focused on potential differences in target gene regulation due to the different Dmrt1 alleles. In a comparative microarray-based analysis across early postnatal stages I found that differential transcription of Dmrt1 target genes was increased between the different alleles when Dmrt1 was present. This result together with the population genetic data suggests that there is possibly a functional difference between the N and S allele that could be the target of positive selection, though more analyses will be necessary to gain insights into the potential beneficial nature of the N allele.

Ein zentrales Ziel der Evolutionsbiologie ist es, die molekulare Basis von Anpassungsprozessen zu verstehen und zu charakterisieren. Eine Voraussetzung für diese Prozesse ist, dass vererbbare Variation in Form von Allelen mit funktionalem Effekt auf den langfristigen Reproduktionserfolg von Individuen vorhanden ist. Daher wurden in den letzten Jahren viele Studien durchgeführt um Gene zu identifizieren, die unter positiver Selektion stehen und damit aktiv in Anpassungsprozesse involviert sind. Durch diese umfassenden Datensätze wurden viele Kandidatengene identifiziert, doch im Verhältnis dazu gibt es wenig Informationen über ihre allelische Variation und Funktion. In der vorliegenden Studie, habe ich Daten genutzt, die auf genomweiten Analysen zu Selektionsereignissen in vier wilden Hausmauspopulationen (Mus musculus L.) beruhen. Zwei Kandidatengene namens Xpr1 und Dmrt1 wurden aufgrund ihrer gut beschriebenen, generellen Funktion ausgewählt. Sie wurden hier hinsichtlich des Vorkommens von potenziell funktionalen Allelen, deren Variation, der Verbreitung eventuell assoziierter positiver Selektionsereignisse und funktionaler Effekte untersucht. Beide Gene wurden in 11 Populationen und mehreren Außengruppen vor allem im Hinblick auf Variation in der proteinkodierenden Sequenz, als mögliches Ziel positiver Selektion, analysiert. Die untersuchten M. m. domesticus-Populationen stammten aus Deutschland, Frankreich und dem Iran, während die M. m. musculus-Populationen aus der Tschechischen Republik und Kasachstan stammten. Zusätzlich zur Sequenzanalyse wurden Mikrosatelliten in einem Bereich von 200 kb um beide Gene typisiert, um eine mögliche Ausbreitung des positiven Selektionsereignisses über mehrere Populationen feststellen zu können. Die Analyse der potenziellen funktionalen Effekte der Allele war abhängig von der jeweilig beschrieben Genfunktion. Xpr1 ist ein Zelloberflächenrezeptor, der insbesondere für seine Rolle bei der Infektion von Zellen durch bestimmte Mausleukämieviren (X/P-MLVs) bekannt ist, die Leukämie und Lymphome verursachen können. Der Transkriptionsfaktor Dmrt1 ist in Vertebraten hoch konserviert und bei Mäusen wichtig für die Geschlechtsdifferenzierung. Beide Gene zeigten Variation in der kodierenden Sequenz. Für Xpr1 konnten 14 Allele nachgewiesen werden, die in Form von Haplotypen auftraten. Zwei dieser Allele zeigten Signaturen positiver Selektion und ein Introgressionsereignis eines dieser Haplotypen vom Iran nach Südfrankreich wurde detektiert. Außerdem fanden sich Signaturen balancierender Selektion auf zwei Haplotypen in drei anderen Populationen aus Frankreich. Die Analyse von möglichen allelspezifischen Funktionsunterschieden konzentrierte sich hier auf eine potenzielle Assoziation zwischen Rezeptorallelen und Variation in transkribierten P-MLVs in gezüchteten Wildmäusen. Es konnten jedoch weder eine solche Assoziation gefunden werden, noch infektiöse Virenpartikel isoliert werden. Zusammen mit Daten aus früheren Studien lassen sich diese Ergebnisse so interpretieren, dass die Xpr1-Variation in natürlichen Hausmauspopulationen wahrscheinlich von andauernden adaptiven Prozessen geprägt ist. Es scheinen allerdings auch andere Faktoren als nur durch MLV induzierte Krankheiten diese Prozesse anzutreiben. In Dmrt1 hingegen wurde ein einzelner Aminosäureaustausch von Asparagin (N) und Serin (S) gefunden. Daten aus anderen Studien legten nahe, dass dieses Gen in den hier untersuchten Wildmauspopulationen weder alternativ gespleißt noch differenziell exprimiert wird. Das N stellt wahrscheinlich die abgeleitete Form des Allels dar und verursacht eine neue potenzielle Glykosylierungsstelle. Außerdem wurde eine mögliche Signatur positiver Selektion in fünf Populationen in Frankreich identifiziert. Die Analyse von allelspezifischen, funktionalen Effekten konzentrierte sich auf mögliche Unterschiede in der Regulation von Zielgenen. Eine vergleichende Microarray-basierte Untersuchung von Mäusen früher postnataler Altersstadien mit N- und S-Genotypen deutete an, dass Dmrt1-Zielgene vermehrt differenziell transkribiert wurden, wenn Dmrt1 anwesend war. Dies, zusammen mit den populationsgenetischen Daten, weist darauf hin, dass es anscheinend einen funktionalen Unterschied zwischen dem N- und S-Allel gibt, der möglicherweise unter positiver Selektion steht. Allerdings werden weitere funktionale Analysen notwendig sein, um den eigentlichen vorteilhaften Effekt des N-Allels zu ergründen.

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Hasenkamp, Natascha: Functional characterization of adaptively relevant genes in the house mouse (Mus musculus L.). 2014.

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