Dokument: Evolutionäre und funktionelle Transkriptomanalyse der Protisten

Titel:	Evolutionäre und funktionelle Transkriptomanalyse der Protisten
Weiterer Titel:	Evolutionary and functional analysis of protist transcriptomes
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=29994
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20140717-093538-6
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Deutsch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Wöhle, Christian [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 9,76 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 14.07.2014 / geändert 14.07.2014
Beitragende:	Prof. Dr. Martin, William [Gutachter] Prof. Dr. Steger, Gerhard [Gutachter]
Stichwörter:	RNA-Seq, Transkriptomiks, Transkriptom, lncRNA, ncRNA, Expression
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	Jahrzehnte lang war die Sanger-Sequenzierung die Grundlage der Ermittlung von Nukleotidabfolgen, beispielsweise bei Genomen. Erst in den letzten Jahren kamen neue Methoden hinzu, die in einem einzigen Durchlauf eine hundertfach erhöhte Datenmenge generieren konnten. Infolge dessen nahmen Sequenzierungen an Genomen deutlich zu. Ihre grundlegenden Techniken wurden auf Transkriptome übertragen, welche nicht nur die Entschlüsselung der exprimierten Gene, sondern auch die Charakterisierung von Expressionsmustern ermöglichen. Diese Verfahren lassen sich sowohl auf Modellorganismen als auch auf weniger erforschte Arten anwenden. Dadurch eignen sie sich ideal für Analysen von Protisten, die ein generell wenig untersuchtes und diverses Paraphylum darstellen. Eine Sequenzierung des Transkriptoms der erst kürzlich beschriebenen Alge Chromera velia, ohne verfügbares Genom, gab Einblicke in die Struktur und phylogenetische Einordnung der nukleär kodierten Gene. Dabei konnte die Gruppierung dieser Alge mit den parasitär lebenden Apicomplexa bestätigt werden. Zusätzlich ergab sich eine nahe Verwandtschaft zu Perkinsus marinus, einem Pathogen der Auster. Die Ursprünge der Gene plastidärer Herkunft konnten im Verhältnis 1:1 auf Grün- und Rotalgen zurückgeführt werden. Da allerdings die Datendichte der Rotalgen im Vergleich zu Grünalgen (und Landpflanzen) unterrepräsentiert war und multiple Ursprünge der plastidären Gene zu komplexen Szenarien führen, bleibt deren Deutung problematisch. Die Wandlung vom flagellierten zum amöboiden Zustand des menschlichen Parasiten Trichomonas vaginalis mit Fokus auf Proteine des Zytoskeletts wurde im Rahmen einer weiteren Studie betrachtet. Dabei konnte gezeigt werden, dass das Fimbrin-Protein TvFIM1 während der Morphogenese an der Bündelung der Aktinfilamente beteiligt ist. Bei Kontakt mit Vaginalepithelzellen ordnen sich diese, vorher ungeordnet verteilten, Proteine zusammen in der Zellperipherie an. Diese und andere Proteine des Zytoskeletts zeigen eine weite Verbreitung unter den Gruppen der Eukaryoten, wodurch ein gemeinsamer Ursprung und eine funktionelle Konservierung anzunehmen ist. Eine Untersuchung der transkriptionellen Veränderungen an T. vaginalis, unter Nutzung der verfügbaren Genomsequenz, gab neue Einblicke in die Infektionsbiologie dieses Parasiten. Eine substantielle Transkription konnte für mehr als 24.000 Gene dokumentiert werden, dabei wurden für einige Gene Expressionsveränderungen um mehr als das Hundertfache bei Kontakt mit Wirtszellen und unter Einfluss von Sauerstoff ermittelt. Ein Vergleich der Expressionsmuster ergab, dass die Reaktion auf Sauerstoff über jene auf Wirtszellen dominiert. Dies verdeutlicht die Notwendigkeit für T. vaginalis auf rapide Veränderungen der Umgebung reagieren zu können, wie sie auch Bestandteil seiner Infektionsbiologie sind. Darüber hinaus zeigten Gene von höherer Sequenzähnlichkeit Tendenzen einer vergleichbaren Expression. Analysen zur allgemeinen Expression von Genomen in verschiedenen Eukaryoten fanden weit mehr Bereiche exprimiert, als bekannte Modelle zur Genvorhersage vermuten lassen. In T. vaginalis konnten tausende Transkripte beschrieben werden, die intergenischen Bereichen zugeordnet werden konnten. Die Hälfte von ihnen wies Homologien zu Protein-kodierenden Genen auf und war daher möglicherweise auf exprimierte Pseudogene zurückzuführen. Weitere Analysen an diesen Transkripten fanden – im Gegensatz zu solchen in Hefe – eine Expression unabhängig von genomisch nah gelegenen Genen, die durch eigene Promotorsequenzen induziert wird. Die große Menge exprimierter Pseudogene und umfangreiche Genfamilien deuten darauf hin, dass sich das zugrunde liegende Genom in einem stetigen Wandel befindet. Alle diese Auswertungen konnten moderne Sequenziermethoden nutzen, um durch verschiedenen Analyseverfahren neue Erkenntnisse zu sammeln. Mit oder ohne Referenzgenom zeigen sich diese Technologien dazu geeignet auch umfassende Studien an weniger erforschten Organismen durchzuführen. Dabei sind besonders Sequenzierungen am Transkriptom dazu in der Lage, Informationen über die bloße Basenabfolge der Gene hinaus zu ermitteln. Diese Techniken sind innerhalb kürzester Zeit zu zuverlässigen, zeitsparenden Methoden geworden und ermöglichen nun ganz neue Sichtweisen in der Forschung. For decades, the sequencing of DNA was based on the Sanger-sequencing method. In the recent years new methods have emerged that bring along the ability to generate a hundred times the amount of data in a single run. Next generation sequencing methods (NGS) have dramatically accelerated genome sequencing in general. NGS methods have also been adapted to analyse transcriptomes of cells, which not only reveal the gene content expressed, but additionally enable the characterisation of gene expression patterns. These methods can be applied to model organisms, as well as less-explored species, which make them a perfect tool to analyse a diverse range of protists, which represent a generally little studied and diverse paraphylum. Transcriptome sequencing of the recently described alga Chromera velia, for which no genome sequence is available, gave an insight into the structure and phylogenetic heritage of nuclear encoded genes. The grouping of this alga with apicomplexan parasites was established and additionally a close relationship of this cryptic species with Perkinsus marinus, an oyster pathogen, was found. The evolutionary relationship of nuclear genes of complex plastid origin could be traced back to green and red algae in a 1:1 ratio. However, since available sequence data for red algae is underrepresented in comparison to that of green algae (and land plants), and multiple origins of plastid genes underpin complex scenarios, their interpretation remains problematic. The morphogenesis of the human parasite Trichomonas vaginalis from a flagellated to an amoeboid form, focusing on cytoskeleton proteins, was examined in a further study. It was demonstrated that the fimbrin protein TvFIM1 is involved in the bundling of actin filaments during morphogenesis. Contact with vaginal epithelial cells induces a clustering of actin and actin-bundles at the cell’s periphery, that are otherwise randomly dispersed across the cytosol. These and other cytoskeletal proteins have a wide distribution among eukaryotic supergroups, which indicates for an ancient origin and functional conservation. A study on transcriptional changes of T. vaginalis, whose genome sequence is available, revealed new insights into the infection biology of this parasite. The transcription of more than 24,000 genes was documented, with some of them showing expression changes of more than a hundred fold during attachment to host cells and under the influence of oxygen. Results were compared and it was found that the response to oxygen was severe, and required by the parasite to survive rapid environmental changes that are part of its infection biology. In addition, genes of higher sequence similarity showed trends of a more comparable expression. Expression analyses of various eukaryotic genomes have revealed that far more regions are expressed than gene model predictions would suggest. In T. vaginalis, thousands of transcripts were identified that mapped to intergenic regions. About half of them had homology to protein-coding genes, suggesting they represent expressed pseudogenes. Characterising these transcripts in more detail revealed they are – in contrast to those found in yeast – expressed independent from neighbouring genes and through their own promoters. The large amount of expressed pseudogenes, and extensive gene families, suggest that the genome is in a steady state of changing. All presented studies were able to provide new findings through various analyses, using modern sequencing methods. Independent from having a sequenced genome to work with, these technologies possess the capabilities for the sophisticated analysis of less-studied organisms. In particular transcriptome sequencing is able to provide information that reaches far beyond the nucleotide sequence of the genes themselves. These tools have quickly become a reliable and quick method that have changed the way of doing research.
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Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Biologie » Ökologische Pflanzenphysiologie
Dokument erstellt am:	17.07.2014
Dateien geändert am:	17.07.2014
Promotionsantrag am:	26.05.2014
Datum der Promotion:	26.06.2014