title: Insights into the evolution of Gene Regulatory networks from the bioinformatic analysis of transcriptomic and genomic data
Creators: name: Dnyansagar, Rohit Anil
Publisher: name: :none
Year: 2022

description: Diese Dissertation stellt die Arbeit dar, die an der Abteilung für Neurowissenschaften und Entwicklungsbiologie der Universität Wien, Österreich, durchgeführt wurde. Diese Dissertation besteht aus zwei verschiedenen Projekten, die sich auf die bioinformatische Analyse von zuvor erhobenen Daten konzentrieren. Im ersten Projekt, das in Kapitel 2.2 beschrieben wird, wird untersucht die genetischen Beziehungen zwischen unserem Hauptmodellorganismus Nematostella vectensis und zwei eng verwandten Mitgliedern der Seeanemonenfamilie Edwardsiidae, Edwardsiella carnea (von der skandinavischen Küste) und Edwardsiella lineata (von der ostamerikanischen Küste). Übrigens hat E. lineata ein interessantes fakultativ parasitisches Planula-Larvenstadium, während über den Lebenszyklus von E. carnea nur wenig bekannt war. Morphologisch sind diese beiden Arten praktisch identisch, so dass ein genetischer Vergleich erforderlich war, um sie zu unterscheiden. Unsere vergleichenden Transkriptomanalysen von E. lineata, E. carnea und parasitären Planulae unbekannter genetischer Herkunft von der schwedischen Küste ließen uns zu dem Schluss kommen, dass E. lineata und E. carnea zwei sehr eng verwandte, aber dennoch unterschiedliche Arten sind und dass E. carnea auch ein Larvenstadium besitzt, das Ctenophoren parasitiert. Das zweite Projekt, das in einem Manuskript in Kapitel 3.2 ausführlich beschrieben wird, befasst sich mit der Evolution des Genregulationsnetzwerks des Transkriptionsfaktors Brachyury. Bei Wirbeltieren wird Brachyury seit langem wegen seiner entscheidenden Rolle bei der Entwicklung einiger lebenswichtiger Körperstrukturen wie Notochord, Muskel-Skelett- und Herzgewebe untersucht (King et al., 1998; Li et al., 2021). Brachyury ist nicht nur eine wichtige mesodermale Determinante, sondern wurde vor kurzem auch als Signaturgen für eine bipotente Zellpopulation, die so genannten neuromesodermalen Vorläuferzellen (NMPs), im Schwanzknospenbereich des Wirbeltierembryos identifiziert. Außerhalb der Bilateralen wird Brachyury auch in einigen Pilzen, einzelligen Eukaryoten und vielen basalen Metazoen exprimiert, doch seine Funktion in nicht-bilateralen Arten ist unklar. Um die Evolution der Brachyury-Funktion nachzuvollziehen, analysierten wir ChIP-seq- und RNA-seq-Daten, die in unserem Labor für N. vectensis und im Labor von Ina Arnone (Stazione Zoologica Neapel) für S. purpuratus generiert wurden, sowie zuvor veröffentlichte Datensätze von verschiedenen Chordaten und einzelligen Eukaryonten. Wir identifizierten eine uralte Wnt-Brachyury-Rückkopplungsschleife, die bei den meisten Tieren an der Achsenbildung und -musterung beteiligt war. Wir haben auch gezeigt, dass sich wichtige Zielgene, die die mesodermale Funktion von Brachyury in Wirbeltieren vermitteln, erst an der Basis von Chordaten oder Wirbeltieren entwickelt haben, was auf eine signifikante Verschiebung der Funktion dieses konservierten Transkriptionsfaktors hinweist.
description: This Ph.D. thesis represents the work carried out at the Department of Neurosciences and Developmental Biology of University of Vienna, Austria. This thesis is comprised of two distinct projects focusing on the bioinformatic analyses of previously acquired data. In the first project, described in a paper in chapter 2.2, we investigated the genetic relationships of our main model organism Nematostella vectensis and two closely related members of the sea anemone family Edwardsiidae, Edwardsiella carnea (from the Scandinavian coast) and Edwardsiella lineata (from the East American coast). Incidentally, E. lineata has an interesting facultative parasitic planula larva stage, while the life cycle of E. carnea was mostly limited. Morphologically these two species are virtually identical and therefore required genetic comparison to distinguish them. Our comparative transcriptomic analyses of E. lineata, E. carnea, and parasitic planulae of unknown genetic origin from the Swedish coast allowed us to conclude that E. lineata and E. carnea are two very closely related, yet distinct, species, and that E. carnea also possesses a larval stage, which parasitizes ctenophores. The second project described in detail in a manuscript in Chapter 3.2 looks at the evolution of the gene regulatory network of the transcription factor Brachyury. In vertebrates, Brachyury has been studied for a long time for its crucial role in the development of some of the vital body structures like notochord, musculoskeletal, and cardiac tissues (King et al., 1998; Li et al., 2021) . In addition to being a key mesodermal determinant, recently brachyury has been identified as a signature gene for a bipotent cell population called neuromesodermal progenitors (NMPs) in the tailbud of the vertebrate embryo. Outside bilaterians, brachyury expression is shown in some fungi, single-celled eukaryotes, and many basal metazoans, however, its function in non-bilaterian species is obscure. To trace the evolution of Brachyury function, we analyzed ChIP-seq and RNA-seq data generated for N. vectensis in our lab and the lab of Ina Arnone (Stazione Zoologica Naples) for S. purpuratus as well as previously published dataset from several chordates along with single-celled eukaryotes. We identified an ancestral Wnt-Brachyury feedback loop that was involved in axis formation and patterning of most animals. We also showed that key target genes conveying the mesodermal function of Brachyury in vertebrates only evolved at the base of chordates or vertebrates, indicating a significant shift in the function of this conserved transcription factor.