Emerging model spedies driven by transciptomics [Elektronische Ressource] / Alexie Papanicolaou. Gutachter: David G. Heckel ; Stefan Schuster ; Anthony D. Long

Alexie Papanicolaou

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• Publié par: friedrich-schiller-universitat_jena
• Publié le: 01 janvier 2012
• Nombre de lectures: 61
• Langue: English
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Extrait

Emerging model species driven by transcriptomics
Dissertation
zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium
(Dr. rer. Nat.)
vorgelegt dem Rat der Biologisch-Pharmazeutischen Fakultät
der Friedrich-Schiller- Universität Jena
von Alexie Papanicolaou,
BSc Genetics, MRes Evolutionary Genetics
geboren am 14. July 1981
in Athen, GriechenlandGutachter
1. Prof. Dr. David G. Heckel, Entomologie Abteilung, Max-Planck-Institut für chemische
Ökologie, Jena D-07745, Deutschlahend;c [e-mail]
2. Prof. Dr. Stefan Schuster, Friedrich-Schiller-University Jena, Faculty of Biology a nd
Pharmacy, Department of Bioinformatics, Ernst-Abbe-Platz 2, Jena D-07743, Germa ny;
[e-mail]
3. Prof. Dr. Anthony D. Long, Department of Ecology and Evolutionary Biology, University of
California at Irvine, 321 Steinhaus Hall, Irvine CA 92697, USA.; tdl [e-mail]
Tag der öffentlichen Verteidigung: 21. Juni 20113 Abstract
Abstract
English
This work is focused on 'emerging model species', i.e. question-driven model species whi ch have
sufficient molecular resources to investigate a specific phenomenon in molecular bi ology,
developmental biology , molecular ecology and evolution or related molecular fields. Thi s thesis
shows how transcriptomic data can be generated, analyzed, and used to investigate such phenomen a
of interest even in species lacking a reference genome. The initial ButterflyBase resourc e has
proven to be useful to researchers of species without a reference genome but is limited to the
Lepidoptera and supports only the older Sanger sequencing technologies. Thanks to Next
Generation Sequencing, transcriptome sequencing is more cost effective but the bottleneck of
transcriptomic projects is now the bioinformatic analysis and data mining/dissemination. Therefore ,
this work continues with presenting novel and innovative approaches which effectively overcome
this bottleneck. The est2assembly software produces deeply annotated reference transcriptomes
stored in the Chado database. The Drupal Bioinformatic Server Framework and genes4all provide
species-neutral and an innovative approach in building standardized online databases and associated
web services. All public insect mRNA data were analyzed with est2assembly and genes4a ll to
produce the InsectaCentral. With InsectaCentral, a powerful resource is now available to assist
molecular biology in any question-driven model insect species. The software presented hewrea s
developed according to specifications of the General Model Organism Database (GMOD)
community. All software specifications are species-neutral and can be seamlessly deployed to assist
any research community. Further through a case studies chapter, it becomes apparent tha t the
transcriptomic approach is more cost-effective than a genomic approach and therefore sequence-
driven evolutionary biology will benefit faster with this field.4 Abstract
German
In der Molekular-, Entwicklungs-, Evolutionsbiologie und verwandten Feldern werde n
Modellorganismen genutzt um (vereinfachte) Prozesse zu entschlüsseln auf denen biol ogische
Phenomene aufbauen. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit Spezies die über aus reichende
molekulare Resourcen verfügen. Diese tragen dann als neu aufkommende “emerging-model” bzw.
“question-model” zur Klärung grundlegender Prozessabläufe bei. Im Verlauf der Dissertation wird
gezeigt wie Transkriptomdaten generiert und analysiert werden mit dem Ziel die zu unt ersuchenden
Vorgänge zu verstehen. Dies ist sogar in Spezies möglich die kein Referenzgenom vorz uweisen
haben. Die ursprüngliche Resource “ButterflyBase” hat sich dabei als äusserst hilfreich erwiesen, i st
jedoch limitiert auf die Ordnung Lepidoptera und unterstützt lediglich die klassi sche
Sequenzierungstechnologie nach Sanger. Dank der neuen Technologie des “Next Generation
Sequencing” wurde die Sequenzierung von Transkriptomen kosteneffektiver. Jedoch kommt es nun
zu Engpässen in der bioinformatischen Analyse, dem Data-Mining und der Verteilung der Daten.
Die vorliegende Arbeit stellt neue und innovative Methoden vor mit denen diese Enpässe effe ktiv
behoben werden: die “est2assembly” Software generiert Referenztranskriptome mit “deep
annotations” die im Chado Datenspeicher lagern. Das “Drupal Bioinformatic Framework” und die
neue Bioinformatiksoftware “genes4all” liefern einen speziesneutralen und innovativen Ansatz um
standardisierte Online-Datenbanken und damit verbundene Servicenetzwerke aufzubauen. Alle
öffentlichen entomologischen mRNA-Daten wurden mit “est2assembly” und “gene s4all”
prozessiert um “InsectaCentral” ins Leben zu rufen. Mit “InsectaCentral” haben Wissenscha ftler
neuerdings Zugriff auf eine leistungsstarke Resource die bei der Erforschung
molekularbiologischen Prozesse in jeder beliebigen “question-model”-Spezies (innerha lb der
Insekten) behilflich ist. Die Software wurde gemäß den Vorgaben der “General Model Or ganism
Database (GMOD)”-Gemeinschaft entwickelt. Besonders hervorzuheben ist, dass alle
Softwareanwendungen speziesneutral sind und somit übergangslos von Wissenschaftlern ausserhalb
des Feldes der Entomologie angewandt werden können. Anhand einer in dieser Arbeit vorgeste llten
Fallstudie wird erläutert, dass die Erforschung der Funktionsweise biologischer Prozesse m it Hilfe
der Transkriptomforschung deutlich kosteneffiktiver ist als mit Hilfe der Genomforschung. Davon
profitiert vor allem die sequenzorientierten Evolutionsbiologie.Table of Contents
Abstract........................................................................................................................... 3 .....................
General Introduction ................................................................................................................... 7 .........
Overview of the manuscripts .................................................................................................. 23 ............
Chapter 1 - Butterfly genomics eclosing ................................................................................ 26 ............
Chapter 2 - Next generation transcriptomes for next generation genomes using est2assembly. ....35..
Chapter 3 - ButterflyBase: a platform for lepidopteran genomics ..............................52......................
Chapter 4 - The GMOD Drupal Bioinformatic Server Framework .............................59.....................
Chapter 5 - InsectaCentral: facilitating comparative genomics with one million insect proteins ...66.
Chapter 6 - Analytical transcriptomic methods: case studies in non-model species ................. 88........
Overall discussion ................................................................................................................. 146 ...........
Overall summary – Zusammenfassung ................................................................... 159 .........................
Bibliography................................................................................................................................. 163 ....
Appendices & addenda ........................................................................................ 181 ............................
Appendix A – est2assembly user manual ............................................................... 181 ..........................
Appendix B – Genes differentially expressed in the Manduca sexta dataset .....................212..............
Curriculum vitae ..................................................................................................... 216 .........................
Acknowledgements......................................................................................................... 219 ..................
Selbständigkeitserklärung................................................................................................. 220 ...............67 General Introduction
General Introduction
Thesis Overview
Researchers of biology are interested in finding out how biological processes work and how they
have come to be, i.e. evolved. In our work, we make use of of scientific method (obse rvation,
hypothesis, experimentation, hypothesis re-formulation and back to experimentation) in order to
reach this goal. To experiment with too many unknown variables leads to weak conclusions because
we cannot know which variable had a causal link to the observed effect. For this reason, not only do
we use controlled studies but we also use model systems to infer processes which occur in a larger
part of the natural world. These model systems have traditionally been experimentally tract able
organisms. In functional and biomedical biology, for example, much fundamental work was done
using the budding yeasSact charomyces cerevisiae , the fruitfly Drosophila melanogaste,r the pla nt
Aradidopsis thaliana, the nematodeCae norhabditis elegans , the frogX enopus laevisa nd mouse
Mus musculus . These model systems, all laboratory animals, have a large array of resources a nd
they are highly tractable experimentally – albeit for different reasons. For that reason we call them
model species and for that reason we expend most of our resources in improving the capability in
these systems. It is commonly perceived that a non-model species is