Comparative analysis of gene duplications and their impact on expression levels in nematode genomes

Gene duplication is a major mechanism that plays a vital role in different evolutionary innovations, ranging from generating novel traits to phenotypic plasticity. Evolutionary impact of gene duplication and the fate of duplicated genes has been studied in detail. However, little is known about the impact of gene duplication on gene expression with respect to different evolutionary time scales. Here, we study genome-wide patterns of gene duplications in nematodes and assess their effect on expression levels. This study encompasses various macroevolutionary comparisons at different time scales and microevolutionary comparisons within the species Pristionchus pacificus. At the macroevolutionary level, by comparing species separated more than 280 million years ago, we found various lineage-specific expansions in multiple gene families along the Pristionchus lineage. Moreover, we found that duplicated genes are highly enriched among developmentally regulated genes. Interestingly, the results also show evidence for selection on duplication to increases the gene expression levels in a developmental stage-specific manner. To gain insights into the microevolution of gene expression levels after gene duplication, we compared different strains of P.pacificus and found that an additional gene copy does usually not increase gene expression levels in the different strains. Furthermore, we found a strong depletion of duplicated genes in large parts of the P. pacificus genome indicating towards negative selection against gene duplication. This shows that the impact on gene expression levels following gene duplication differs dramatically, where a selection for increased gene dosage dominates macroevolution and negative selection on gene duplication dominates within species level. This led us to wonder what happens at the intermediate time scale. We compared recent duplicates of P. pacificus with their single-copy orthologs in two closely related species and found a pattern similar to the microevolutionary trend. Additionally, comparison of closely related species of the Strongyloides genus and its developmental transcriptome also shows overall strong depletion of duplicated genes, similar to the observation at the microevolutionary level. At the same time, a strong enrichment of duplicated genes was found at a developmental stage associated with the parasitic activity of the nematodes. Similar to the macroevolutionary picture of P. pacificus, we also found selection for higher gene dosage in parasitism-associated gene families of S. papillosus, indicating the adaptive potential of duplicated genes. Even though these studies show widespread selection against both duplication and changes in gene expression, duplications are favoured in some conditions leading to adaptive changes in the organism. Overall this indicates that the regulation of expression levels of duplicated genes was subjected to different selection processes at different time scales, which represent a complex interplay between different evolutionary processes like natural selection, population dynamics, and genetic drift. i Zusammenfasssung Genduplikation ist der weitverbreitetste, für die Entstehung neuer Gene verantwortliche Mechanismus und trägt damit entscheidend zur morphologischen und biologischen Vielfalt in allen Formen des Lebens bei. Obwohl Genduplikation in verschiedenen Systemen bereits ergiebig erforscht wurde und zur Entwicklung zahlreicher theoretischer Modelle geführt hat, gibt es nur wenige Studien, die Genduplikation in den Genomen von Fadenwürmern (Nematoden) untersucht haben. Ziel dieser Arbeit ist es, allgemeine Muster der Genduplikation aus Vergleichen von Nematodengenomen abzuleiten, die verschiedene evolutionr̈e Zeitspannen wiederspiegeln. Dabei zeigen phylogenetische Analysen von Multigenfamilien zwischen dem Modellorganismus Pristionchus pacificus und anderen entfernt verwandten Nematodenarten, wie z.B. Caenorhabditis elegans, dass selbst in Genfamilien, die die gleiche Anzahl von Genen in beiden Arten haben, die meisten Gene aus abstammungslinien-spezifischen Genduplikationen hervorgegangen sind, d.h. die unmittelbaren Vorfahren der meisten Gene sind jünger als die der beiden Arten. Genexpressionsdaten verschiedener Entwicklungsstadien deuten darauf hin, dass in einigen Fällen Duplikationen genutzt wurden, um die absolute Intensität spezieller Expressionsmuster zu erhöhen. Dagegen zeigt die Untersuchung von kürzlich innerhalb einer Art aufgetretenen Duplikationen widersprüchliche Tendenzen auf. Während weite Teile des Genoms frei von Duplikationen zu sein scheinen, führen die existierenden Duplikationen überraschenderweise nicht zu einer Erhöhung der Genexpression. Dies kann als Ergebnis von Selektion gegen die durch Duplikationen erhöhte Transkriptmenge gedeutet werden. Diese Tendenz wird durch den Vergleich weiterer nahe verwandter Arten der Gattung Pristionchus bestätigt. Dahingegen zeigt die Analyse von Genfamilien, deren Größe mit dem Auftreten des Parasitismus in der Familie Strongyloididae massiv zugenommen hat, ähnliche Muster wie sie im Vergleich zwischen P. pacificus und C. elegans auftreten. Zusammenfassend stimmen die Ergebnisse dieser Arbeit mit der Ansicht überein, dass die Effekte der meisten Mutationen, einschließlich Duplikationen, entweder neutral oder schädlich sind. Allerdings können bestimmte äußere Umstände, wie z. B. die Koevolution mit dem Immunsystem eines Wirtes oder die schnelle Anpassung an schwankende Umwelteinflüsse, dazu führen, dass Duplikationsereignisse einen selektiven Vorteil erbringen können. Trotz der Seltenheit solcher adaptiven Ereignisse, scheinen sie entscheidend zur Entstehung von Artenvielfalt beigetragen haben, da einige der aus diesen Ereignissen hervorgegangen Genkopien über hunderte von Millionen Jahren stabil geblieben sind, und evolutionäre Vergleichen von entfernt verwandten Arten maßgeblich prägen. ii Preface The work and data that is presented has been published in the following research articles. Markov, G. V. , Baskaran, P., and Sommer, R. J. (2015). The Same or Not the Same: Lineage-Specic Gene Expansions and Homology Relationships in Multigene Families in Nematodes. Journal of Molecular Evolution, 80(1):18-36. Baskaran, P. and Rödelsperger, C. (2015). Microevolution of Duplications and Deletions and Their Impact on Gene Expression in the Nematode Pristionchus pacificus. PloS one, 10(6) e0131136. Baskaran, P., Rödelsperger, C. , Prabh, N. , Serobyan, V. , Markov, G.V. , Hirsekorn, A. , and Dieterich, C. (2015). Ancient gene duplications have shaped developmental stage-specic expression in Pristionchus pacificus. BMC Evol Biol, 15(1). Baskaran,P., Jaleta, T. , Streit, A. and Rödelsperger C. (2017). Duplications and Positive Selection Drive the Evolution of Parasitism-Associated Gene Families in the Nematode Stongyloides papillosus. Genome Biol Evo,l 9(3): 790-801.