Gene Expression Studies on the Evolution of Development and Innate Immunity in the Nematode Pristionchus pacificus

Abstract

Evolutionary biology aims to explain the enormous biological diversity by employing diverse approaches including systematics, ecology, population genetics and developmental biology. Comparison of a set of traits across different species is a very fruitful approach in evolutionary biology. With this goal in mind, the nematode Pristionchus pacificus has been developed as a model system for comparative analysis vis-a-vis the extensively studied nematode model Caenorhabditis elegans, and serves to integrate insights from developmental biology, ecology and population genetics. Comparison of processes such as vulva development, sex-determination pathways, gonad development and developmental polyphenisms such as dauer development and mouth-form dimorphism has revealed that highly conserved genetic pathways can be used in different configurations to generate macroevolutionary changes. The sequencing of the whole genome of P. pacificus opened a new avenue for comparative genomics, e.g. it has a larger genome and a higher gene content than C. elegans. Many factors contribute to this increase in gene number, including expansion of certain gene families, horizontal gene transfer, and origin of lineage specific pioneer'' genes, many of which might have a potential role in its ecological adaptations related to beetle association. However, function for most of these genes is not yet characterized. Since gene expression is the first manifestation of gene activity and is dynamically regulated during development and response to environment, I took a comparative transcriptomics approach to study evolution across the two species. I first developed a microarray platform for gene expression profiling in P. pacificus and used it to characterize transcriptomes under various developmental and ecological contexts. These include dauer development, response to bacterial pathogens, and role of germline and somatic gonad in regulating lifespan and innate immunity. The key questions that I tried to answer are (1) what genes are regulated during a particular process (2) do orthologous genes show expression patterns in the two (3) what do the observed differences tell us about evolutionary process of gene expression evolution. Taken together, the results from these studies further add to the concept of developmental systems drift.

Ein Ziel der Evolutionsbiologie ist die Erklärung der biologischen Vielfalt. Dazu werden unter anderem verschiedene Methode der Systematik, Ökologie, Populationsgenetik und Entwicklungsbiologie kombiniert. Der Vergleich morphologischen Eigenschaften zwischen verschiedenen Arten ist dabei eine sehr produktive Methode. Mit diesem Ziel wurde der Nematode Pristionchus pacificus als Modellsystem für Analysen im Vergleich zum ausführlich erforschten Nematodenmodell Caenorhabditis elegans entwickelt, was dazu dient, Erkenntnisse aus der Entwicklungsbiologie, Ökologie und Populationsgenetik zu integrieren. Der Vergleich von Entwicklungsvorgängen, so wie z.B. die Vulva-Entwicklung, geschlechtsbestimmende Signalwege und Gonadenentwicklung und von Entwicklungs-Polyphenismen, wie Dauer-Entwicklung und Mundform-Dimorphismus, zeigte, dass hoch konservierte genetische Signalwege in verschiedenen Zusammenstellungen verwendet werden können, um makro-evolutionäre Veränderungen zu verursachen. Durch die Sequenzierung des vollständigen Genoms von P. pacificus ergaben sich neue Möglichkeiten für die vergleichende Genomik, z.B. hat P. pacificus ein größeres Genom und eine höhere Anzahl von Genen als C. elegans. Viele Faktoren tragen zu dieser erhöhten Anzahl von Genen bei, darunter Expansion bestimmter Genfamilien, horizontaler Gentransfer und Entstehung abstammungs-spezifischer "Pioniergene". Viele dieser Pioniergene spielen vielleicht eine Rolle bei den ökologischen Anpassungen von P. pacificus bezüglich der Käferassoziation. Für viele dieser Gene wurde eine Funktion jedoch noch nicht beschrieben. Da Genexpression die erste Manifestation von Genaktivität ist und während der Entwicklung und der Reaktion auf die Umwelt dynamisch reguliert wird, verwendete ich die vergleichende Transkriptomik um Evolutionprozesse zu untersuchen. Ich entwickelte zuerst eine Mikroarray-Plattform für Genexpressions-Analysen in P. pacificus und nutzte sie, um Transkriptome in verschiedenen Entwicklungs- und ökologischen Zusammenhängen zu beschreiben. Dazu gehören Dauer-Entwicklung, Reaktion auf bakterielle Pathogene und die Rolle der Keimbahn und der somatischen Gonade bei der Regulierung der Lebensdauer und der angeborenen Immunität. Die wichtigsten Fragen, die ich zu beantworten versuchte, sind (1) welche Gene werden während eines bestimmten Vorgangs reguliert, (2) zeigen orthologe Gene verschiedene Expressionsmuster in den zwei Arten und (3) was sagen uns die beobachteten Unterschiede über den Vorgang der Evolution der Genexpression. Insgesamt leisten die Ergebnisse dieser Untersuchungen einen weiteren Beitrag zur Idee der Verschiebung der Entwicklungssysteme.