Universitätsbibliothek Wien

Species-specific evolving regions in the human and chimpanzee genomes

De Matos Simoes, Ricardo (2010) Species-specific evolving regions in the human and chimpanzee genomes.
Dissertation, University of Vienna. Zentrum für Molekulare Biologie
BetreuerIn: von Haeseler, Arndt

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URN: urn:nbn:at:at-ubw:1-29302.35235.712169-8
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Abstract in English

Comparative analyses of the human and chimpanzee transcriptomes aim at the identification of genes whose expression pattern has changed since both species last shared a common ancestor. This approach complements the search for genes with altered function in compiling the catalogue of genetic changes responsible for the distinct phenotypes of the contemporary species. However, gene expression analyses are ultimately dependent on the availability of tissue samples. Embryonic tissues from chimpanzees are rare, if available at all. Thus, changes in the gene expression pattern in these early stages of ontogenesis, which potentially play a key role in differential development, are likely to be missed. Here I present a bioinformatics approach to identify candidates that may be expressed in a species-specific manner. Specifically, I have searched for genes in the human and chimpanzee genomes of which evolutionary sequence change shows signs of different extents of transcription-coupled-repair in the two species. Human, chimpanzee and rhesus branch-specific substitution matrices were estimated for 12,596 non-overlapping sliding windows 125 Kb in size representing the transcribed fraction in a human-chimpanzee-rhesus genome alignment. Applying a novel test statistic, 717 transcribed regions were identified in which the estimated branch-specific substitution models differ significantly between humans and chimpanzees. More specifically, it is shown that the two species differ mainly in their relative rates of A<->G and T<->C substitutions, and in the rate ratio of the two transition types. This pattern is expected when transcription-coupled-repair acts to different extents on the corresponding genes in the two species and provides initial evidence that these genes may be differentially expressed during early stages of human and chimpanzee development. A subsequent Gene Ontology enrichment analysis of the corresponding genes revealed an enrichment for embryonic developmental processes such as anatomical structure development (e.g., skeleton, spinal cord, brain, gut), neurogenesis, signal transduction and regulation processes for transcription, translation and replication.

Schlagwörter in Englisch

human genome / chimpanzee genome / transcription-coupled-repair / non-homogeneous substitution model / substitution patterns / species-specific / Gene Ontology / DNA sequence evolution / Single-Branch-Test

Abstract in German

Vergleichende Genexpressionsanalysen zwischen Mensch und Schimpanse ermöglichen die Identifizierung von Kandidaten-Genen, die für die phänotypischen Unterschieden zwischen den beiden Arten verantwortlich sein können. Unterschiede in der Genexpression in frühen Stadien der Ontogenese spielen eine potentielle Schlüsselrolle bei der differentiellen Embryonalentwicklung der beiden Arten. Direkte Genexpressionsvergleiche in diesen Entwicklungsstadien sind allerdings in der Regel möglich, da embryonales Gewebe für solche Versuche weder vom Menschen noch vom Schimpansen zur Verfügung steht. In der vorliegenden Arbeit wird daher ein bioinformatischer Ansatz zur Identifizierung von Genen präsentiert, deren Expression sich in einer artspezifischen Weise verändert hat. Das Substitutionsmuster weist in transkribierten genomischen Regionen eine erhöhte Rate von A->G im Vergleich zu T->C Substitutionen auf, die auf den Effekt der transkriptions-gekoppelten Reparatur zurueckgeführt wird. Es wurden Gene im Genom von Mensch bzw. Schimpanse gesucht, deren Substitutionsmuster Anzeichen eines unterschiedlichen Ausmaßes an der transkription-gekoppelten Reparatur in den beiden Arten zeigen. Zunächst wurden spezifische Substitutionsmatrizen für 12,596 nicht-überlappende 125 Kb Alignmentfenster in der Fraktion des transkribierten Genoms für Mensch, Schimpansen und Rhesus geschätzt. Anschliessend wurde eine neue Teststatistik verwendet, mit der 717 transkribierte Genomregionen identifiziert wurden, bei denen sich die Substitutionsmatrizen von Mensch und Schimpanse signifikant unterscheiden. Die Substitutionsmatrizen unterscheiden sich hauptsächlich in ihrem relativen Ausmaß von A<->G im Vergleich zu T<->C Substitutionen. Genau ein solcher Unterschied ist zu erwarten, wenn die transkription-gekoppelte Reparatur im unterschiedlichem Maße auf die entsprechenden Gene der beiden Arten wirkt. Diese Beobachtung liefert erste Hinweise darauf, dass diese Gene während der fr\"uhen Stadien der Entwicklung von Mensch und Schimpanse differentiell exprimiert werden. Eine nachfolgende Genontologie Anreicherungsanalyse zeigt daß die entsprechenden Gene hauptsächlich eine Rolle in embryonalen Entwicklungsprozessen wie z.B. anatomische Strukturentwicklung (z.B. Skelett, Rückenmark, Gehirn, Darm), Neurogenese, Signaltransduktion, Transkriptionsregulation, Translation und Replikation spielen.

Schlagwörter in Deutsch

Menschengenom / Schimpansengenom / artspezifisch / transkriptions-gekopelte Reparatur / nicht-homogenes Substitutionsmodel / Substitutionsmuster / Genontologie / DNA-Sequenzevolution / Single-Branch-Test

Item Type: Hochschulschrift (Dissertation)
Author: De Matos Simoes, Ricardo
Title: Species-specific evolving regions in the human and chimpanzee genomes
Umfangsangabe: 133 S.
Institution: University of Vienna
Faculty: Zentrum für Molekulare Biologie
Publication year: 2010
Language: eng ... Englisch
Supervisor: von Haeseler, Arndt
Assessor: Platzer, Matthias
2. Assessor: Zischler, Hans
Classification: 42 Biologie > 42.21 Evolution
42 Biologie > 42.99 Biologie: Sonstiges
54 Informatik > 54.99 Informatik: Sonstiges
AC Number: AC08365475
Item ID: 11981
(Das PDF-Layout ist ident mit der Druckausgabe der Hochschulschrift.)

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