Genetic architecture of craniofacial shape in the house mouse : a genetic and morphological perspective

Pallares Amaya, Luisa Fernanda

Morphological diversity in nature is astounding. A remarkable example of such diversity is the vertebrate cranium. This structure is developmentally, anatomically, and functionally integrated with the many other tissues and sensory systems of the head. Because of this, it is under strong constrains to achieve an adult form (size and shape) compatible with the functional requirements of the individual. The genetic basis of craniofacial diversity has been traditionally studied from a macro-evolutionary perspective (i.e. at the between-species level), with special focus on adaptive radiation and domestication. The work presented in this thesis is an attempt to understand the genetic basis of craniofacial shape variation in the house mouse. By using between-subspecies and within population variation, I address the question from a micro-evolutionary perspective. In this thesis I also explore the genetic architecture of the traits (i.e. number, effect size, and genomic distribution of the causal loci), and the extent to which phenotypic variation can be explained by genetic variation – i.e. heritability of the traits. The first two chapters of this thesis are the first genome-wide approximation to the genetic architecture of craniofacial shape and size in mice. I combine highly recombinant mouse populations –wild hybrid mice and outbred lab mice- with dense marker coverage of the genome to map the loci underlying phenotypic variation. I identify genes previously known to be involved in craniofacial formation, and provide a list of genomic regions that contain new candidate genes for craniofacial development. Regarding the genetic architecture, I show that craniofacial traits are highly polygenic and highly heritable, with many loci of very small effect distributed uniformly along the genome. The last chapter of the thesis is an assessment of the morphological transition associated with the degree of admixture between two subspecies of the house mouse, Mus musculus musculus and Mus musculus domesticus. I show that craniofacial shape changes, but not size changes, are correlated with the level of admixture. The transition from M. m. musculus to M. m. domesticus is continuous, such mode would be expected from a trait with polygenic architecture, and therefore these results are in line with the genetic results obtained in previous chapters. Overall the work presented in this thesis is the first genome-wide analyses of the genetic basis and genetic architecture of craniofacial shape variation in the house mouse. It is also the first time shape variation is explored in a close-to-natural context; previous work used crosses between inbred mouse strains. Therefore, the results reported here are directly relevant to the understanding of complex traits evolution.

Es ist erstaunlich, wie vielfältig Morphologie in der Natur vertreten ist. Ein beeindruckendes Beispiel dieser Diversität stellt der Schädel von Wirbeltieren dar. Der Schädel bildet sowohl entwicklungsbiologisch, anatomisch und funktional zusammen mit vielen anderen Geweben und Sinnesorganen den Kopf eines Organismus. Daher liegt ein bestimmter Rahmen zu Grunde, in dem der Schädel in Größe und Form variieren darf, jedoch stets voll kompatibel mit seiner Funktion im adulten Individuum sein muss. Ursprünglich wurde die Diversität des Schädels und des Gesichts aus einer zwischen-artlichen Perspektive betrachtet. Ein spezieller Fokus lag dabei auf adaptiver Radiation und Domestikation. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit Fragen zur genetischen Grundlage der Schädelmorphologie aus der micro-evolutionären Perspektive, d.h. zwischen Hausmäusen zweier Unterarten auch verschiedenen Populationen der gleichen Unterart. Zudem untersuche ich die „genetische Architektur“ einiger Merkmale, wie Anzahl, Effektgröße und Verteilung der für die Variation mit verantwortlichen Genorte im Genom. Ein weiterer Aspekt ist das Ausmaß, in wiefern phäntoypische Variation durch genetische Variation erklärt werden kann (Vererbbarkeit von bestimmten Merkmalen). Die ersten zwei Kapitel dieser Dissertation ist die erste genomweite Untersuchung zur genetischen Architektur der Schädelvariation in Mäusen. Um die Genorte ausfindig zu machen, die für die phänotypische Variation verantwortlich sind, habe ich mit hoch rekombinanten Mauspopulationen gearbeitet (wilde Hybridmäuse und ausgezüchtete Labormäuse). Die dichte Verteilung der Marker im Genom ist dafür unerlässlich. Einige in meiner Arbeit gefundenen Gene sind bereits bekannt dafür, dass sie eine Rolle spielen bei der Formierung von Schädeln. Zudem konnte ich eine Liste mit weiteren sehr viel versprechende, bisher unbekannten genomische Regionen aufstellen, die eine in die Entwicklung des Schädels involviert sind. In Bezug auf die Größe, Art und Verteilung der verantwortlichen Genregionen im Genom lässt sich sagen, dass die Merkmale der Schädelknochen durch viele verschiedene Gene beeinflusst wird, also sehr polygen ist. Darüberhinaus sind die Effekte startk vererbbar Die identifizierten Gene liegen jedoch nicht alle in einem Gencluster, vielmehr treten verantwortliche Genorte sehr häufig im Genom auf und liegen dort gleichförmig verteilt vor. Das letzte Kapitel dieser Arbeit befasst sich mit der Veränderung von morphologischer Variation mit dem Grad von genetischer Durchmischung zweier Hausmausunterarten (Mus musculus musculus und Mus musculus domesticus). Ich konnte zeigen, dass die Form der Schädelknochen mit dem Grad der Durchmischung beider Unterarten, korreliert. Ein Größenunterschied der Schädelknochen konnte nicht festgestellt werden. Der Übergang von M. m. musculus zu M. m. domesticus ist kontinuierlich, was für einen polygenisches Merkmal zu erwarten ist. Somit bestätigen diese Ergebnisse, was ich bereits in Kapitel 1 und 2 dieser Arbeit postuliert habe. Alles in Allem beschreibt diese Dissertation zum aller ersten Mal allgemeine Merkmale der genetischen Grundlagen zur Schädelmorphologie in Hausmäusen auf genomweiter Ebene, d.h. welche Regionen sind verantwortlich für die Variation der Schädelform, wie viele dieser Regionen gibt es, wo liegen sie und wie groß ist ihr jeweiliger Effekt. Darüberhinaus untersucht diese Arbeit die Frage nach Formvariation in einem sehr natürlichen Kontext durch die Nutzung von wilden bzw. ausgezüchteten Mäusen, wohingegen vorhergegangene Studien sich auf Variation zwischen verschiedenen Inzuchtstämmen konzentrierten. Die aus dieser Dissertation hervorgegangenen Ergebnisse sind daher direkt relevant, für das Verständnis zur Evolution komplexer Mermale.

Cite

Citation style:

Pallares Amaya, Luisa: Genetic architecture of craniofacial shape in the house mouse : a genetic and morphological perspective. 2015.

Rights

Use and reproduction:
No CC License (german copyright law applies)

Export