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The role of cephalopod-specific microsyntenies in the evolution of novel gene regulation
Gözde Yalcin
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Lebenswissenschaften
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Genetik und Entwicklungsbiologie
Betreuer*in
Oleg Simakov
DOI
10.25365/thesis.74147
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-25271.73321.725674-5
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Die Kopffüßer (Oktopus, Tintenfisch, Sepia) weisen viele herausragende evolutionäre Innovationen auf. Sie haben das größte Gehirn der Wirbellosen und verfügen über sehr ausgeklügelte neurologische und sensorische Systeme, die komplexe Verhaltensmuster und schnelle Reaktionen ermöglichen. Frühere Studien deuten darauf hin, dass sich das Genom der coleoiden Kopffüßer im Vergleich zu dem anderer Weichtiere erheblich verändert hat, was zur Entstehung von Hunderten eng verwandter und evolutionär unterschiedlicher Gencluster (Mikrosyntenien) geführt hat. Darüber hinaus haben sich viele Kopffüßer-spezifische Merkmale herausgebildet, und man nimmt an, dass dies das Ergebnis einer Reihe von genomischen Mechanismen ist, wie z. B. Tandem-Genduplikationen, Ausdehnung repetitiver Elemente und das Auftreten neuer Gene. Über die Rolle der Genregulation bei der Entwicklung der phänotypischen Komplexität von Kopffüßern ist jedoch weniger bekannt. Bei früheren Untersuchungen an Hawaianischen Bobtail-Tintenfischen (Euprymna scolopes) wurden MACIs (Mikrosyntenien, die mit Cephalopoden-Erfindungen in Verbindung gebracht werden) und angestammte, metazoische Mikrosyntenien identifiziert. Darauf aufbauend haben wir die genomische Struktur dieser Mikrosyntenien in E. scolopes mit Hilfe von ATAC-seq-Daten bewertet und die 3D-Genomorganisation der Mikrosyntenien in E. scolopes und dem kalifornischen Zweipunktkraken (Octopus bimaculoides) mit Hilfe von hochauflösenden Genomtopologiedaten (Micro-C) untersucht, um frühere Studien zu erweitern und weitere Erkenntnisse darüber zu gewinnen, wie die Regulierung coleoide Kopffüßermerkmale beeinflusst. Die manuelle Untersuchung der MACIs ergab zwei Arten von Mikrosyntenien, die sich von den Mikrosyntenien der Metazoen zu unterscheiden scheinen. Die statistische Analyse zeigte, dass Mikrosyntenien von Metazoen im Vergleich zu MACIs deutlich größere Genwüsten aufweisen, während umgekehrt die Genwüsten von MACIs eine höhere ATAC-Peakabdeckung aufweisen. Darüber hinaus zeigten Kontaktkarten der Genomstruktur, dass MACIs im Vergleich zu Mikrosyntenien von Metazoen wesentlich häufiger an TAD-Grenzen zu finden sind, was darauf hindeutet, dass sich MACIs in ihrer regulatorischen Architektur unterscheiden und dass selektive Einschränkungen auf der regulatorischen Ebene zwischen MACIs und Mikrosyntenien von Metazoen unterschiedlich sein könnten. Zusammengenommen deuten unsere Ergebnisse auf einen coleoiden, cephalopodenspezifischen "Modus" der Genregulationsevolution hin.
Abstract
(Englisch)
Coleiod cephalopods (octopus, squid, cuttlefish) have many prominent evolutionary innovations. They have the largest invertebrate brain, as well as very sophisticated neurological and sensory systems that allow for complex behavioral patterns and rapid reactions. Previous studies indicate that compared to other extant mollusks, the genome of coleoid cephalopods substantially rearranged, and as the outcome of this occurrence hundreds of tightly related and evolutionarily distinct gene clusters (microsyntenies) have appeared. In addition to this, many cephalopod-specific traits emerged afterward and this has been hypothesized to be the result of a number of genomic mechanisms, such as tandem gene duplications, repetitive element expansions and the emergence of novel genes. However less is known about the role of gene regulation in the evolution of cephalopod phenotypic complexity. Previous research using Hawaian bobtail squid (Euprymna scolopes) identified MACIs (microsyntenies associated with cephalopod inventions) and ancestral, metazoan microsyntenies. Based on this, by assessing the genomic structure of these microsyntenies in E. scolopes using ATAC-seq data and investigating the 3D genome organization of microsyntenies in E. scolopes and the Californian two-spot octopus (Octopus bimaculoides) using high resolution genome topology data (Micro-C), we expand on prior studies and gain further insight into how regulation influences coleoid cephalopod traits. Manual examination of MACIs revealed two types of microsyntenies that appeared distinct from metazoan microsyntenies. Statistical analysis showed that metazoan microsyntenies have significantly larger gene deserts compared to MACIs, but inversely gene deserts of MACIs exhibit higher ATAC peak coverage, suggesting their regulatory architecture is substantially different. Furthermore, contact maps of genome structure showed that MACIs are more frequently located on the TAD borders compared with metazoan microsyntenies, indicating that they are different in their 3D organization and suggesting that selective constraints at the regulatory level may differ between each microsynteny type. Taken together, our results allude to a coleoid cephalopod-specific ‘mode’ of gene regulation evolution.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Cephalopoden Genregulation Mikrosyntenie Genomtopologie Chromosmenorganisation
Schlagwörter
(Englisch)
Cephalopods gene regulation microsynteny genome topology chromosome organization
Autor*innen
Gözde Yalcin
Haupttitel (Englisch)
The role of cephalopod-specific microsyntenies in the evolution of novel gene regulation
Paralleltitel (Deutsch)
Die Rolle Cephalopoden-spezifischer Mikrosyntenien in der Evolution genregulatorischer Innovation
Publikationsjahr
2023
Umfangsangabe
30 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Oleg Simakov
AC Nummer
AC16926603
Utheses ID
68132
Studienkennzahl
UA | 066 | 877 | |