Duplicated genes and their relevance in the process of speciation I n a u g u r a l - D i s s e r t a t i o n Zur Erlangung des Doktorgrades der Mathemathsch-Naturwissenschaftlichen Fakultät der Universität zu Köln vorgelegt von Till Bayer aus Köln Köln, 2009 Berichterstatter: Dr. Bettina Harr Prof. Dr. Diethard Tautz Tag der mündlichen Prüfung: 23.6.2008 Table of contents Table of contents Table of contents ............................................................................................................ I Danksagung.................................................................................................................. III Declaration .................................................................................................................... V Zusammenfassung........................................................................................................ VI Abstract ..................................................................................................................... VIII 1 Introduction ............................................................................................................ 2 1.1 The genetics of speciation .............................................................................. 3 1.2 Gene duplication ............................................................................................ 6 1.3 Selection ......................................................................................................... 9 1.4 Mouse model ................................................................................................ 12 1.5 Aims of this study ........................................................................................ 16 2 A screen of duplicated genes for positive selection ............................................. 17 2.1 Introduction .................................................................................................. 17 2.2 Materials and Methods ................................................................................. 17 2.2.1 Search for duplicated genes and associated microsatellite loci ............... 17 2.2.2 Microsatellite analysis ............................................................................. 18 2.3 Results .......................................................................................................... 21 2.3.1 Properties of duplicated gene dataset ....................................................... 21 2.3.2 Microsatellite screen for selection ........................................................... 22 2.3.3 Screen for selective sweeps ..................................................................... 25 2.3.4 Age of duplicates in correlation to lnRH ................................................. 33 2.4 Discussion .................................................................................................... 36 2.4.1 Duplicate genes dataset ............................................................................ 36 2.4.2 Microsatellite screen ................................................................................ 38 2.4.3 Conclusions .............................................................................................. 41 3 Estimation of duplication age .............................................................................. 43 3.1 Introduction .................................................................................................. 43 3.2 Materials and methods ................................................................................. 43 3.2.1 Animal material ....................................................................................... 43 3.2.2 Selection of genes .................................................................................... 43 3.2.3 PCR assay for absence or presence of genes ........................................... 44 I Table of contents 3.2.4 Analysis of PCR assay ............................................................................. 45 3.3 Results .......................................................................................................... 45 3.4 Discussion .................................................................................................... 49 4 Analysis of Dnahc8.............................................................................................. 51 4.1 Introduction .................................................................................................. 51 4.2 Materials and Methods ................................................................................. 51 4.2.1 Animal material ....................................................................................... 51 4.2.2 Sample preparation and Sequencing ........................................................ 52 4.2.3 RNA and cDNA preparation .................................................................... 52 4.2.4 Polymorphism analysis ............................................................................ 54 4.2.5 Phylogenetic tree ...................................................................................... 55 4.2.6 Detection of positive selection ................................................................. 55 4.2.7 Quantitative real time PCR and analysis ................................................. 57 4.3 Results .......................................................................................................... 58 4.3.1 Phylogenetic tree ...................................................................................... 58 4.3.2 Nucleotide polymorphism ........................................................................ 58 4.3.3 Divergence in functional regions ............................................................. 60 4.3.4 Tests for positive selection....................................................................... 62 4.3.5 Expression ................................................................................................ 65 Discussion ................................................................................................................ 68 4.3.6 No evidence for selection on Dnahc8 from population genetic data ....... 68 4.3.7 Amino acid divergence in known functional regions of dnahc8 ............. 69 4.3.8 Tests for positive selection based on nonsynonymous vs. synonymous substitution rates .................................................................................................. 70 4.3.9 Expression ................................................................................................ 70 4.3.10 Conclusions with respect to speciation ................................................ 72 5 References ............................................................................................................ 74 6 Supplement .......................................................................................................... 82 6.1 Digital supplement ....................................................................................... 90 Erklärung...................................................................................................................... 91 II Danksagung Danksagung Zunächst einmal möchte ich Bettina Harr danken, dafür dass sie mir die Möglichkeit gegeben hat in ihrere Gruppe zu arbeiten und zu promovieren. Dank geht auch an Diethard Tautz, nicht nur für die Erstellung des Zweitgutachtens. Während meiner Arbeit in den AGs Harr und Tautz habe ich unter den Kollegen viele Freunde gefunden. Manuel Aranda hat mir schon in der Diplomarbeit grundlegende Labortechniken beigebracht. Er und Chris Voolstra, mit dem ich lange ein Labor geteilt habe und auf dessen hochoptimierte Protokolle ich zurückgreifen konnte, sind mir gute Freunde geworden. Es hat auch Spass gemacht mit Ruth Rottscheidt zusammen zu arbeiten, auf die ich mich im Laboralltag immer verlassen konnte. Viel von dem was ich über Mikrosatelliten weiss habe ich im gemeinsamen Kampf gegen den MegaBACE von Arne Nolte gelernt. Sowohl im Labor wie auch ausserhalb habe ich immer gerne Zeit mit Henrique Souza, Kathryn Stemshorn, Fabian Staubach, Tobias Heinen, Meike Teschke und Suma Choorapoikayil verbracht, ob bei Diskussionen der Probleme der Molekularbiologie, oder beim Klettern, Skifahren, Badminton spielen und Kuchen essen. Auch Jochen Wolf hat den Laboralltag mit seinen Kurzbesuchen in Köln immer aufgeheitert, und war immer für interessante Diskussionen zu haben. Nach der Zeit des Zusammenschreibens in Plön bin ich vor allem zwei Kolleginnen zum Dank verpflichtet: Leslie Turner, fürs Korrekturlesen und dafür dass sie mich in die Feinheiten der PAML Analyse eingeweiht hat, und Anna Büntge, für Unterstützung moralischer, logistischer und kulinarischer Art. Gemeinsam haben alle Kollegen und Freunde der AGs Harr, Tautz und Damen die Zeit in der Genetik interessant, unterhaltsam, und erfolgreich gestaltet. III Danksagung Last but not least danke ich auch meinen Eltern die mich vom ersten bis zum 19. Semester meiner Unilaufbahn immer aufs Beste unterstützt haben, und meinem Bruder Jan, der immer Interesse am Fortgang der Doktorarbeit gezeigt hat. IV Declaration Declaration Bettina Harr developed the ideas for the projects presented here. All laboratory work and data analysis was performed by me, with some exceptions: Chapter 1 Birgit Schmitz worked on a part of the microsatellite PCRs. Chapter 3 Leslie Turner helped with the PAML analysis of Dnahc8. V Zusammenfassung Zusammenfassung Ein