Estimating complexity and adaptation in the embryo : a statistical developmental biology approach

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-2745-7
Title: Estimating complexity and adaptation in the embryo : a statistical developmental biology approach
Author: Salvador-Martínez, Irepan
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Biological and Environmental Sciences, Department of Biosciences
Institute of Biotechnology
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2016-12-12
Language: en
Belongs to series: URN:ISSN:2342-317X
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-2745-7
http://hdl.handle.net/10138/169225
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Embryonic development has amazed scientists for centuries. Many reasons have been suggested for the perceivable increase in complexity in development, during which a single cell transforms itself into a larva or an adult. At the level of gene expression, it its assumed that genes change from being expressed in large spatial domains of the embryo in early development to spatially restricted domains (e.g., tissues, cells) in late development. For many developmental genes, the spatio-temporal expression dynamics have been thoroughly described. It is not clear however, if the global dynamics are similar, or if there are differences between types of genes or between species. Adaptive reasons have been also said to be the cause for the increase in complexity. Adaptations could be estimated with molecular evolution methods based on the analysis of genes expressed in different developmental stages or regions in the embryo. These methods estimate adaptive changes at the DNA sequence level assuming that a positive selected site would show less variance than other sites evolving neutrally. Different developmental stages might show distinct levels of positive or stabilizing selection, that could be related to inter-specific divergence patterns proposed by the von Baer's laws or the Hourglass model. The former states that the development of two species of a phylogenetic group would be very similar in early stages and increasingly divergent insubsequent stages. In contrast, the latter states that development is less divergent (more conserved) at mid development. In here, I analysed gene expression information to estimate both complexity and adaptation in the embryo using a statistical approach. To measure complexity, I developed quantitative measures of spatial complexity and used them in publicly available gene expression data (thousands of in situ hybridization experiments) in Drosophila melanogaster and Ciona intestinalis from the BDGP/FlyExpress and ANISEED databases respectively. To estimate adaptation, I combined diverse D. melanogaster gene expression data (modENCODE, in situ images from the BDGP/FlyExpress and gene expression data based on a controlled vocabulary of the embryo anatomy) with population genomic data (from the DGRP project). Using the DFE-alpha method (which uses coding-region polymorphism and divergence to estimate the proportion of adaptive changes), I charted a spatial map on adaptation of the fruit y embryo's anatomy. Finally, I analysed the pattern of positive selection on genomic coding regions of genes expressed through the entire life cycle of D. melanogaster and how it correlated with specific genomic determinants (e.g., gene structure, codon bias). Briefly, I found that Drosophila and Ciona complexity increases non-linearly with the major change in complexity being before and after gastrulation, respectively. In both species, transcription factors and signalling molecules showed an earlier compartmentalization, consistent with their proposed leading role in pattern formation. In Drosophila, gonads and head showed high adaptation during embryogenesis, although pupa and adult male stages exhibit the highest levels of adaptive change, and mid and late embryonic stages show high conservation, showing an HG pattern. Furthermore, I propose that the Hourglass model can be predicted by specific genetic and genomic features.Alkionkehitys on kiinnostanut tieteentekijöitä vuosisatojen ajan. Kompleksisuuden lisääntymistä kehityksen aikana - kuinka hedelmöitynyt munasolu asteittain muuttuu toukkavaiheeksi ja aikuiseksi - on selitetty usein eri tavoin. Geenien ilmenemisalueiden oletetaan olevan varhaisessa vaiheessa laajoja, muuttuen kehityksen aikana paikallisemmiksi (rajoittuen tiettyihin kudos- ja solutyyppeihin). Monien kehitykselle tärkeiden geenien osalta ilmenemisen ajallinen ja paikallinen dynamiikka on kuvattu yksityiskohtaisesti. Sitä, onko globaaleissa ilmenemistavoissa yhtäläisyyksiä tai eroja lajien tai geenien välillä, ei kuitenkaan tiedetä. Sopeutumista eli adaptaatiota pidetään yhtenä selityksenä kompleksisuuden lisääntymiselle. Sopeumia voidaan tutkia molekulaarisella tasolla esimerkiksi vertailemalla niitä geenejä, jotka ilmenevät kehityksen eri aikoina ja alkion eri alueilla. Tällöin sopeumia tutkitaan DNA-sekvenssin tasolla; positiivisen valinnan alaiset osat genomista vaihtelevat sekvenssiltään vähemmän kuin ne alueet joihin valintaa ei kohdistu. Eri kehitysvaiheet voivat antaa samankaltaista tietoa; kehitysvaiheiden samankaltaisuus lajien välillä voi olla merkki tasapainottavasta tai positiivisesta valinnasta, kuten Von Baerin lait tai kehityksen tiimalasimalli ehdottavat. Von Baerin lakien mukaan saman fylogeneettisen ryhmän lajit eroavat kehityksen aikana asteittain lajityypillisten piirteiden syntyessä yhteisiä piirteitä myöhemmin. Kehityksen tiimalasimallin mukaan taas yksilönkehityksen keskivaiheet ovat konservoituneita eri lajien välillä. Tässä työssä olen lähestynyt kysymyksiä kompleksisuudesta ja sopeumista analysoiden geenien ilmenemistä eri lajien välillä tilastollisin menetelmin. Olen kehittänyt kvantitatiivisen menetelmän geenien ilmenemisen kompleksisuuden mittaamiseen ja menetelmää käyttäen analysoinut kahden lajin, banaanikärpänen Drosophila melanogasterin sekä vaippaeläin Ciona Intestinalisin, kehitystä. Analyysiin käytin kahta julkista tietokantaa, BDGB/FlyBase-tietokantaa D. melanogasteria varten sekä ANISEED-tietokantaa C. intestinalisia varten. Sopeumien analysointiin yhdistin tietoa sekä geenien ilmenemisestä että populaatiotason tutkimuksista. Tulokseni osoittavat, että D. melanogasterin ja C. Intestinalisin kompleksisuus lisääntyy ei-lineaarisesti, ja suurimmat muutokset kompleksisuudessa tapahtuvat juuri ennen (D. melanogaster) ja jälkeen (C. intestinalis) gastrulaation. Molemmilla lajeilla transkriptiotekijöiden ja signalointimolekyylien ilmentymisalueet rajoittuvat pienemmille ja pienemmille alueille jo varhaisessa vaiheessa, johtuen niiden roolista alkion kaavoituksessa. Tulosteni mukaan adaptaatio on ollut kehityksen aikana voimakasta D. melanogasterin lisääntymiselimistössä sekä päässä. Ajallisesti adaptaatio on ollut voimakasta uroksilla
Subject: genetics
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
estimati.pdf 4.284Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record