Evolution of spatiotemporal organization of biological systems : origins and phenotypic impact of duplicated genes

Eine Schwemme von Genomsequenzen sowie weitere gros angelegte Studien zur Charakterisierung von molekularen Funktionen hat Forschern erlaubt, komparative Studien der funktionellen Komponenten und ihrer Interaktionen fur eine grose Anzahl von Spezies durchegefuhrt werden. Die so gewonnen Erkenntnisse konnen weiter untersucht werden und mithilfe von Orthologie (Homologie abgeleitet durch Artenbildung) auf neu-sequenzierte Spezies ubertragen werden um Erkenntnisse uber die Evolution von molekularen Funktionen und ihrer Organisation zu gewinnen. Eine robuste Orthologie ist Voraussetzung fur akkurate phylogenomische und komparative Analysen. Obwohl sich das Forschungsfeld der Orthologie Fortschritte gemacht hat, ist die Orthologie- Voraussage noch immer von widerspruchlich und unsicher. Aus diesem Grund sollten Tests zur Qualitatskontrolle eingefuhrt werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Phylogenie-basierter Datensatz entwickelt, mit dem die Orthologie Voraussage in den Animalia uberpruft werden kann. Dieser Datensatz wurde benutzt um die Orthologie-Voraussagen von funf offentlich zuganglichen Repositorien zu evaluieren und die Auswirkungen von einer Anzahl von technischen und biologischen Faktoren zu untersuchen. Gleichzeitig hat die grose Anzahl von komplett sequenzierten Genomen zur Formulierung von interessanten Hypothesen uber die Mechanismen der Evolution von molekularen Funktionen gefuhrt. Zum Beispiel wurden Paraloge, Homologe die durch Gen- oder Genomduplikation entstanden sind, mit der Erweiterung und Teilung von molekularen Funktionen assoziiert. Eine Vielzahl von Studien wurden durchgefuhrt um herauszufinden, wie siche duplizierte Gene, die mit morphologischen Veranderungen assoziert werden, ihre Genexpressionsraten in unterschiedlichen Geweben andern. Es wurde jedoch noch nicht grosflachig untersucht, ob die regulatorische Divergenz von Paralogen bestimmte Muster bevorzugt und wie diese Muster entstanden sind. Um dies zu untersuchen wurden die Expressionsdaten von 31 menschlichen Geweben benutzt und bevorzugte Gewebekombinationen von sub(neo)funktionalisierten Paralogen identifiziert. Interessanterweise stellte sich heraus, dass Paraloge die mit dem Choradata- Wirbeltiere Ubergang im Zusammenhang stehen und bereits vor dem Ur-Wibeltier vorhanden waren, haufig zwischen Gehirn und nicht-Gehirngeweben divergieren. Im Kontrast zur weitreichenden Literatur uber die Evolution von Geweben und Paralogie, ist die Rolle von Genduplikation in der temporalen Regulation von biologischen Systemen schlechter untersucht. Um dies zu untersuchen wurden Orthologie und Genexpressionsdaten kombiniert. Wir konnten herausfinden, dass der Zell-Zyklus und andere periodische Prozesse (wie der Circadianen und Ultradianen Rhythmik) von Paralogen reguliert werden. Das funktionelle Repertoire dieser Paraloge unterscheidet sich in 3 eukaryotischen Spezies (Arabidopsis, Mensch und Hefe), was impliziert, dass sich die temporale Regulation der Zellen durch Paraloge sich in den drei Organismen unabhangig Zusammenfassung voneinander entwickelt hat. Zusammenfassend ist die groste Herausvorderung der postgenomischen Ara eine effektive Integration von funktionell relevanten genomischen Daten um herauszufinden, wie komplexe Eigenschaften sich entwickelt haben. Um dieses Ziel zu erreichen sollten die dynamischen Veranderungen der Gen-Inventare unter Beachtung von der Beziehung von Orthologen (gleicher Ursprung) und Paralogen (Potenzial fur Divergenz) untersucht werden.