Structural and population genetic determinants of RNA secondary structure evolution [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Robert Piskol

Robert Piskol

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• Publié par: ludwig-maximilians-universitat_munchen
• Publié le: 01 janvier 2011
• Nombre de lectures: 20
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 3 Mo

Extrait

Structural and population genetic
determinants of RNA secondary structure
evolution
Robert Piskol
München, 2011Structural and population genetic
determinants of RNA secondary structure
evolution
Dissertation
zur
Erlangung des Doktorgrades der Naturwissenschaften
der Fakultät für Biologie an der Ludwig-Maximilians-Universität München
vorgelegt von
Robert Piskol
aus Brieg
München, 2011Erstgutachter: Prof. Dr. Wolfgang Stephan
Zweitgutachter: Prof. Dr. John Parsch
Tag der Abgabe: 24.03.2011
Tag der mündlichen Prüfung: 26.04.2011Ehrenwörtliche Versicherung und Erklärung
Diese Promotion wurde im Sinne des §12 der Promotionsordnung von Prof. Dr. Wolfgang
Stephan betreut.
Hiermit erkläre ich, dass die vorliegende Dissertation von mir selbständig und ohne
unerlaubte Hilfe angefertigt wurde. Zudem wurden keine anderen als die angegebenen
Quellen verwendet.
Ich versichere, dass die Dissertation keiner anderen Prüfungskommission vorgelegt wurde
und ich mich nicht anderweitig einer Doktorprüfung ohne Erfolg unterzogen habe.
München, 24.03.2011
Robert PiskolErklärung über Beitrag als Author
In dieser Dissertation präsentiere ich die Ergebnisse meiner Doktorarbeit, die von Januar
2008 bis März 2011 durchgeführt wurde. Der Kern dieser Arbeit besteht aus drei
Kapiteln. Zwei dieser Kapitel sind als Publikationen in einer international anerkannten
Fachzeitschrift erschienen, während ein Kapitel momentan unter Begutachtung steht.
Die Studien in diesen Kapiteln wurden von Wolfgang Stephan und mir konzipiert. Ich
führte die Studien durch und analysierte die Daten. Die Manuskripte wurden von mir
und Wolfgang Stephan verfasst.
Robert Piskol Wolfgang Stephan
viZusammenfassung
Seit der Entdeckung der RNA, werden unaufhörlich neue Funktionen gefunden, die dieses
Molekül vollführt. Sie gehen weit über dessen ursprüngliche Rolle als Übermittler von
Information in der Biosynthese von Proteinen hinaus, durch die es seine Bekanntheit
erlangt hat. Solche nichtkodierenden RNAs (ncRNAs) sind an fundamentalen zellulären
Prozessen, wiezumBeispielderRegulationvonGenexpressionundErhaltungderGenom-
stabilität, beteiligt. InvielenFällenistdieBiogeneseoderFunktionderRNAnurmöglich,
wenn das Molekül eine charakteristische zwei- und dreidimensionale Faltung annimmt, die
durch Bildung von intramolekularen Basenpaaren entsteht. Die Trennung dieser paaren-
den Regionen durch Mutationen in der Sequenz kann zu Veränderungen in der Konfor-
mation des Moleküls führen, die eine potentielle Beeinträchtigung der korrekten Funktion
nach sich zieht. Sogenannte ’kompensatorische’ Mutationen haben jedoch die Fähigkeit
das Molekül in seine ursprüngliche Konformation zurück zu führen. Unter dem Einfluss
verschiedener evolutionärer Kräfte häufen sich diese Doppelmutationen (Kovariationen)
in paarenden Regionen des RNA Moleküls (sog. Helices) an. Die Wahrscheinlichkeit von
Kovariationen, und damit die Rate der Evolution hängt von verschiedenen Eigenschaften
der Helix ab.
Durch Verwendung eines Ansatzes, der auf logistischer Regression beruht, war es uns
möglich, die evolutionären Dynamiken in RNA Molekülen zu studieren (Piskol and
Stephan, 2008). Diese Methode wurde auf einen Datensatz von vorhergesagten RNA
SekundärstruktureninVertebratenintronsangewandt. UnserZielwardieErforschungvon
strukturellen und populationsgenetischen Faktoren, die die Rate von kompensatorischen
Mutationen in RNA Molekülen beeinflussen. Wie von Kimura’s (1985) Modell von kom-
pensatorischer Evolution vorhergesagt, sind unsere Ergebnisse mit der Hypothese verein-
bar, dass die physikalische Distanz zwischen paarenden Nukleotiden einen negativen Ein-
fluss auf das Auftreten von Kovariationen hat. Weiterhin konnte festgestellt werden,
dass längere paarende Regionen eine größere Anzahl von ’wobbles’ (GU Basenpaare) und
’mismatches’ (nicht gepaarte Nukleotide) tolerieren können und letztendlich auch mehr
Kovariationen enthalten. Darüber hinaus enthüllte die positionsweise Analyse aller Nuk-
leotide in paarenden Regionen, dass Kovariationen bevorzugt in den äußeren Bereichen
einer Helix auftreten, während ’wobbles’ und ’mismatches’ häufiger an weiter innenliegen-
den Positionen anzutreffen sind. Bei diesem Prozess scheint der Gehalt von Guanin und
Cytosin eine erhebliche Rolle zu spielen.
Die oben verwendeten Daten wurden durch RNA Moleküle erweitert, die in den kom-
viiZusammenfassung
pletten nuklearen Genomen von Drosophiliden (Drosophila melanogaster/D. simulans)
und Hominiden (Mensch/Schimpanse) anzufinden sind. Wir bestimmten genomweite se-
lektive Zwänge für diese Moleküle (Piskol and Stephan, 2011). Im Vergleich zu neutral
evolvierenden Regionen der betrachteten Genome, fanden wir stark reduzierte Substi-
tutionsraten an gepaarten und ungepaarten Positionen in gefalteten Molekülen. Wir
berechneten, dass mehr als 90% aller neuen Mutationen in nichtkodierenden RNAs
durch purifizierende Selektion aus der Sequenz entfernt wurden. Diese Werte übersteigen
Schätzungen an genomischen Positionen, die zu einem Aminosäureaustausch führen kön-
nen und stellen die Bedeutsamkeit vieler gefalteter genomischer Regionen und ihrer Funk-
tion heraus (korrektes Spleißen, Effizienz des Spleißens, Lokalisierung von Proteinen,
RNA Modifikation). Wir konnten keine signifikanten Unterschiede in selektiven Ein-
schränkungen finden, die durch die genomische Postition der Moleküle bedingt wären
(kodierend/nichtkodirerend, genisch/intergenisch, UTR/non-UTR). Deswegen, scheint
die eingeschränkte Evolution von ncRNAs vor allem durch das grundlegende Bedürf-
nis zur Erhaltung der Paarung von Nukleotiden bestimmt zu sein, und nur im geringen
Umfang durch die genomische Position des Moleküls beeinflusst zu werden. Aus dem Ver-
gleich von Selektionskoeffizienten zwischen Drosophiliden und Hominiden wurde zudem
ersichtlich, dass auch die effektive Populationsgröße einen Einfluss auf die Evolution von
RNA Molekülen hat. Ihre Wirkung resultiert in signifikant höheren Einschränkungen in
Drosophiliden und beeinflusst Evolution stärker an ungepaarten Positionen.
Motiviert durch Anzeichen für die Rolle der effektiven Populationsgröße in der Evo-
lution von RNA Molekülen erforschten wir dieses Thema im Detail. Die effektive
Populationsgröße einer Spezies (N ) ist eine fundamentale Einheit in der Populations-e
genetik. Ihr Einfluss auf die Wirksamkeit von Selektion ist Bestandteil vieler theoretischer
und empirischer Studien. Jedoch wurde der Effekt von N meist im Zusammenhang mite
der Evolution von unabhängig evolvierenden genomischen Postionen betrachtet, während
ihr Einfluss auf epistatische Interaktionen (Interaktionen zwischen zwei oder mehreren
genomischen Positionen) weitgehend unklar ist. Unsere vorherige Arbeit belegte die
Rolle von N in der Evolution von RNA Molekülen (welche zu großen Teilen aus ko-e
evolvierenden Regionen bestehen). Um unser momentanes Wissen über den Einfluss
von N auf unabhängig evolvierende und koevolvierende genomische Positionen zu er-e
weitern, fokussierten wir unsere Arbeit auf transfer RNAs (tRNAs) – eine Klasse von
RNA Molekülen mit wohl bekannter Struktur und Funktion. Wir verglichen die evo-
lutionären Raten an gepaarten und ungepaarten Positionen in orthologen tRNAs ver-
schiedener Paare von Vertebraten- und Drosophilaspezies. Hierfür wählten wir Grup-
pen von Spezies die sich in ihrer langfristigen effektiven Populationsgröße unterschei-
den und verglichen ihre Level von selektiven Zwängen. Die verwendeten Speziespaare
waren Mensch/Makak, Makak/Krallenaffe, Hund/Katze, Huhn/Zebrafink, Maus/Ratte,
D. melanogaster/D. yakuba, D. melanogaster/D. simulans. In der Tat können Differen-
zen in selektiven Einschränkungen aufgrund von Unterschieden in N beobachtet wer-e
den. Dieser Effekt ist stärker an ungepaarten (unabhängig evolvierenden) Positionen als
an gepaarten (koevolvierenden) Postionen. Weiterhin konnten wir für alle Speziespaare
orthologe tRNAs anhand ihrer Ähnlichkeit zu tRNAs in allen Reichen des Lebens in
ein Kernset (mit hoher Ähnlichkeit) und ein peripheres Set (mit geringer Ähnlichkeit)
aufteilen. Wir stellten dabei fest, dass tRNAs im Kernset stärkeren evolutionären Ein-
viiiZusammenfassung
schränkungen ausgesetzt sind und nur unter einem schwachen Einfluss von N stehen,e
während tRNAs im peripheren Set einer starken Wirkung von N unterliegen. Wir über-e
prüften auch die Wirkung von N , die durch ungleiche effektive Populationsgrößen zwi-e
schen Autosomen und X Chromosomen in Drosophiliden hervorgerufen werden können
und stellten auch hier fest, dass evolutionäre Einschränkungen für tRNAs auf dem X
Chromosom gelockert sind, was durch die geringere effektive Populationsgröße für das X erklärt werden kann.
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