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Screening of a deeply sequenced transcriptome using Illumina sequencing as well as the genome of the tardigrade Hypsibius dujardini revealed a set of five opsin genes. To clarify the phylogenetic position of these genes and to elucidate the evolutionary history of opsins in Panarthropoda (Onychophora + Tardigrada + Arthropoda), we reconstructed the phylogeny of broadly sampled metazoan opsin genes using maximum likelihood and Bayesian inference methods in conjunction with carefully selected substitution models. According to our findings, the opsin repertoire of H. dujardini comprises representatives of all three major bilaterian opsin clades, including one r-opsin, three c-opsins, and a Group 4 opsin (neuropsin/opsin-5). The identification of the tardigrade ortholog of neuropsin/opsin-5 is the first record of this opsin type in a protostome, but our screening of available metazoan genomes revealed that it is also present in other protostomes. Our opsin phylogeny further suggests that two r-opsins, including an "arthropsin", were present in the last common ancestor of Panarthropoda. While both r-opsin lineages were retained in Onychophora and Arthropoda, the "arthropsin" was lost in Tardigrada. The single (most likely visual) r-opsin found in H. dujardini supports the hypothesis of monochromatic vision in the panarthropod ancestor, whereas two duplications of the ancestral panarthropod c-opsin have led to three c-opsins in tardigrades. Although the early-branching nodes are unstable within the metazoans, our findings suggest that the last common ancestor of Bilateria possessed six opsins: two r-opsins, one c-opsin, and three Group 4 opsins, one of which (Go opsin) was lost in the ecdysozoan lineage.

Der Typ 2 Diabetes mellitus ist eine chronische Stoffwechselerkrankung; hauptsächlich wird dieser durch das Versagen der Insulin-produzierenden _-Zellen und der gestörten Funktion des Insulin Rezeptors in periphären Geweben definiert. Obwohl die Forschung schon tief in die Geschichte greift und der Inzidenz Anstieg besorgniserregende Tendenzen zeigt, bleiben die pathophysiologische Grundlagen dieser Krankheit unklar. Die Voraussetzung für die Entwicklung des T2D und das zentrale Thema dieser Dissertation – das _-Zellen Versagen – wurde in den letzten Jahrzehnten aktiv erforscht. Viele aktuelle, in gewisen Maße überlappende, Hypothesen wurden aufgestellt, in einem Versuch die biologischen Grundlagen zu erläutern, die zum Versagen der _-Zellen führen und gleichzeitig mögliche Lösungen für dieses Problem zu finden. Während die Hypothesen, die auf den nicht-immunen Zelltentod als Ursache für Zellen Versagen beruhen, durch neue Studien an Zugkraft verlieren, bleiben andere mit ERStress und Dedifferenzierung als Schwerpunkt immer noch relevant. Alle bisher genannten Mechanismen leiden dennoch an geringer Reproduzierbarkeit und herausfordernden Translationsmöglichkeiten. Zudem hat sich die momentan meist genutzte experimentelle Plattform zunehmend als suboptimal erwiesen, denn sie basiert auf Gewinnung von Langerhassche Inseln durch enzymatische Isolierungsverfahren aus Spenderorganen; insbesondere für die Studien die sich methodologisch auf hoch-empfindliche Hochdurchsatzmethoden gründen. Frühere Arbeiten des Solimena-Labors mit Microarray-basierten transkriptomischen Signaturen haben deutlich gezeigt, was seit dem Aufkommen erschwinglicher omics-Methoden in diesem Bereich spekuliert wurde. Es hat sich gezeigt, dass diese hochsensiblen experimentellen Ansätze beeinträchtigt werden, vor allem durch die Verfahren, die zur Isolierung der Inseln aus der gesamten Bauchspeicheldrüse von Spendern erforderlich sind. Die Einführung von Signaturen, die eher ein Produkt des experimentellen Verfahrens als der biologischen Variabilität sind, stellte ein erhebliches Hindernis für die Interpretation der Daten dar, die aufgrund der verworrenen Natur der Auswirkungen der Krankheit auf die Zellbiologie selbst bereits komplex sind. Der Wert der Plattform „Studies of Islets in Living Donors' wurde durch das translationale Potenzial erhöht, das durch die verfügbaren klinischen Daten und die präoperative Erstellung von Stoffwechselprofilen definiert wird, die ansonsten durch den rechtlichen Rahmen für Organspenden stark eingeschränkt sind. In dieser Dissertation wurden LCM-Inseln von lebenden chirurgischen Spendern mit Hilfe von drei Hochdurchsatzmodalitäten profiliert: RNA-Sequenzierung, ungezielte massenspektrometrie-basierte Proteomik und enzymatische Methylierungssequenzierung. Für sich betrachtet, brachte jeder dieser Ansätze neue Erkenntnisse, und im Falle der RNA-Sequenzierung und der Proteomik wurden ausgewählte frühere Ergebnisse bestätigt. Die High-Level-Analyse der Insel-Transkriptome identifizierte eindeutig eine Untergruppe der Proben, die besonders stark mit Betazellen angereichert war, was durch die Dekonvolutionsanalyse bestätigt wurde. Dies ermöglichte vor allem die Identifizierung von differenziell regulierten Genen in den Inselzellen von Patienten mit gerstörten Glukosetoleranz, was einen neuen Einblick in die Entwicklung der Krankheit und nicht nur in die bereits vorhandene Krankheit bietet. Bei der differenziellen Expressionsanalyse wurde eine allgemeine Hochregulierung von Genen festgestellt, während die Gene-Set-Enrichment-Analyse dieser Daten auf Störungen bei Prozessen im Zusammenhang mit dem Energiestoffwechsel, der Translation und extrazellulären Interaktionen hinwies. Die gewichtete Genkorrelationsnetzwerkanalyse identifizierte ein Gen-Koexpressionsmodul, das stark mit der längerfristigen Blutzuckerkontrolle, gemessen durch HbA1c, korreliert. Das Proteom-Profiling deckte eine herausragende Ähnlichkeit zwischen den Proteomen der ND-Inseln und eine bemerkenswerte Streuung der T2D-Proben auf. Die Ergebnisse der differenziellen Abundanzanalyse sowie der anschließenden Anreicherungsanalysen bestätigten weitgehend die Ergebnisse der Transkriptomanalyse, obwohl die Korrelation zwischen den Transkriptomen und Proteomen insgesamt gering war. Dennoch wurden einige der interessanten Targets, die in der Transkriptomanalyse identifiziert wurden, wie z.B. ALDOB oder ACADS, durch die Proteomanalyse bestätigt, wobei zusätzliche Targets neu identifiziert wurden (z.B. CD90). Obwohl die aus den Methylierungssequenzierungsexperimenten gewonnenen Informationen höchstwahrscheinlich aufgrund der relativ geringen Anzahl der untersuchten Personen begrenzt sind, konnten dennoch aussagekräftige Beobachtungen gemacht werden. Das eindeutige Vorherrschen hypomethylierter Regionen in T2D-Inseln unterstützt die durch die anderen Analysen gewonnenen Erkenntnisse und unterstreicht die scheinbar unselektive Lockerung der Zügel bei der Genexpression, die zuvor angenommen wurde. Ausgewählte Targets aus den oben erwähnten bioinformatischen Analysen wurden in vitro untersucht, um ihre Rolle in der Betazellbiologie in T2D zu validieren. Die Überexpression von ALDOB unter in vitro Bedingungen ergab keinen dramatischen Phänotyp, und diese Ergebnisse können bestenfalls als Hinweise auf die Richtung der Stoffwechselstörung in Betazellen in T2D interpretiert werden. Insbesondere scheint die Histonacetylierung in T2D überzeugend verändert zu sein, was möglicherweise auf den veränderten Spiegel von ACADS und/oder seinem Paralogon ACADSB zurückzuführen ist und im Einklang mit der beobachteten allgemeinen Hochregulierung der Genexpression in T2D steht. Wichtig ist, dass Immunfluoreszenzexperimente, bei denen die CD90-Expression vollständig außerhalb des endokrinen Zellbereichs identifiziert wurde, die Bedeutung von Validierungsbemühungen in Verbindung mit omics-Experimenten zur Vermeidung von Interpretationen auf der Grundlage falsch positiver Ergebnisse hervorheben. Schließlich wurden Gewebeschnitte einer Untergruppe von Patienten, die durch RNA-Sequenzierung profiliert worden waren, mit einer maßgeschneiderten Bildanalyse-Pipeline auf das Vorhandensein von Insel-Amyloidose untersucht. Diese Daten wurden mit den klinischen Daten und mit einmalig verfügbaren transkriptomischen Profilen integriert. Sowohl die differentielle Expressionsanalyse als auch die GSEA identifizierten Signaturen, die im Zusammenhang mit der Inselamyloidose von Interesse sind (Zytokinrezeptorinteraktion, Proteintranslation und -verarbeitung). Diese Befunde sind jedoch nur begrenzt spezifisch für die Insel-Amyloidose, da sie meist auch in der Hauptanalyse zum Diabetes-Status zu finden sind. Die Identifizierung von traskriptomischen Veränderungen, die spezifisch für die Inselamyloidose sind und nicht direkt mit der Krankheit selbst zusammenhängen, ist daher mit dem derzeitigen Ansatz fraglich. Nichtsdestotrotz wurde ein Gen-Koexpressionsmodul identifiziert, das in signifikanter, wenn auch schwacher Weise mit der Inselamyloidose korreliert, was für künftige Studien zu dieser Entität spricht.

Tissue-resident stem cells are present in many adult organs, where they are important for organ homeostasis and repair in response to injury. However, the signals that activate these cells and the mechanisms governing how these cells self-renew or differentiate are highly context dependent and incompletely understood, particularly in non-hematopoietic tissues. In the skin, melanocyte stem cells (McSCs) are responsible for replenishing mature pigmented melanocytes. In mammals, these cells reside in the hair follicle bulge and bulb niches where they are activated during homeostatic hair follicle turnover and following melanocyte destruction, as occurs in vitiligo and other skin hypopigmentation disorders. Recently, we identified adult McSCs in the zebrafish. To elucidate mechanisms governing McSC self-renewal and differentiation fates we analyzed individual transcriptomes from thousands of melanocyte lineage cells during the regeneration process. We identified transcriptional signatures for McSCs, deciphered transcriptional changes and intermediate cell states during regeneration, and analyzed cell-cell signaling changes to discover mechanisms governing melanocyte regeneration. We identified KIT signaling via the RAS/MAPK pathway as a regulator of McSC direct differentiation. Analysis of the scRNAseq dataset also revealed a population of mitfa/aox5 co-expressing cells that divides following melanocyte destruction, likely corresponding to cells that undergo self-renewal. Our findings show how different subpopulations of mitfa-positive cells underlie regeneration and differentiation of at least one subpopulation requires reactivation of developmental KIT signaling to properly reconstitute the melanocyte stripe.

Les cytochromes P450 (CYP450) sont des hémoprotéines intervenant généralement dans la détoxication de l’organisme sous forme de biodégradation de molécules xénobiotiques et participent à la décomposition de certains médicaments. Cependant, les gènes codant pour les protéines CYP450 sont souvent sous-analysés dans les études génomiques à grande échelle en raison de leur difficulté d’analyse due à un haut taux de polymorphisme. Deux sous-familles seront étudiées plus en profondeur: les sous-familles CYP3A et CYP4F. La sous-famille CYP3A métabolise environ 50% des médicaments alors que les enzymes CYP4F, quant à eux, sont impliquées dans le métabolisme de composés endogènes, de nutriments et de médicaments. Les gènes de ces sous-familles sont fortement polymorphes et ce, à travers les populations humaines. Ainsi, la variabilité entre les différentes populations peut affecter la réponse aux médicaments et autres fonctions métaboliques. Dans ce projet, deux grands jeux de données, l’un en génétique des populations (le Projet des 1000 Génomes) et l’autre en transcriptomique (GTEx) seront utilisés afin d’identifier des signatures de sélection naturelle dans les gènes CYP3A et CYP4F, ainsi que leur impact sur l’expression génique de ces gènes. Nous avons détecté différentes forces de sélection (positive et balancée) dans les deux sous-familles. Certains polymorphismes identifiés comme étant sous pression sélective sont associés à une expression différentielle des gènes des deux sous-familles. Ce projet permet de mieux comprendre l’impact des mutations sous pression sélective se situant dans les gènes des sous-familles CYP3A et CYP4F. Cette caractérisation génétique permettra d’obtenir des prédictions plus fiables en pharmacogénomique et en génomique humaine, en raison de l’influence de ces gènes sur la réponse aux médicaments. / Cytochromes P450 (CYP450) are hemoproteins generally involved in the detoxification of the body of xenobiotic molecules and participate in the metabolism of many drugs. Genetic polymorphisms have been found to impact drugs responses and metabolic functions. However, genes encoding CYP450 proteins are often under-analyzed in large-scale genomic studies because the difficulty of analysis due to of their high rate of polymorphism. In this study, we investigate the genetic diversity for CYP450 genes. We found that two clusters, CYP3A and CYP4F, are notably differentiated across human populations with evidence for selective pressures acting on both clusters. The CYP3A subfamily metabolizes approximately 50\% of drugs while CYP4F enzymes are involved in the metabolism of endogenous compounds, nutrients and drugs. Indeed, we found signals of recent positive selection in CYP3A and CYP4F genes and signals of balancing selection in CYP4F genes. Futhermore, unusual linkage disequilibrium is detected in both cluster, suggesting co-evolution. eQTLs were also found in both clusters which indicate co-regulation and epistasis.

<p>Heterosis, or hybrid vigor, is a phenomenon observed in both plant and animal systems where hybrid offspring perform better when compared to their parents. For hybrid plants, this can result in increased biomass, crop yields, and vigor when compared to the inbred parents. Even though heterosis has been used in agriculture for over a century, the molecular mechanisms that result in hybrid vigor remain elusive even after years of investigation. A molecular understanding of heterosis is desirable because it will speed up the process of breeding compatible inbred lines for developing hybrid seeds, and it will provide us with the knowledge to potentially engineer inbred lines that can mimic the beneficial phenotypic effects of heterosis, eliminating the need for farmers to buy new hybrid seeds every year. The goal of this research project is to identify genes that are required for heterotic phenotypes in maize. Our working hypothesis is that a mutation in genes that are essential for heterosis will cause an altered heterotic phenotype in hybrid maize plants. To test this hypothesis, we applied combined approaches of EMS mutagenesis, trait phenotyping in field and controlled conditions, bulk segregant analysis, whole genome sequencing, and bioinformatics analysis. First, we applied a forward genetics approach to identify mutant hybrids with altered heterosis and detected potential causal genes <em>via</em> whole genome sequencing. We identified one mutation occurring in a protein coding gene (gene ID <em>Zm00001eb305590</em>) located in a region of interest on chromosome 7, whose genotypes across various samples assayed fit the observed segregation pattern of hybrid traits. This mutation leads to a moderate or high-level codon change, indicating that this gene may play a role in mediating heterosis in maize. By investigating this gene with further studies, the learned knowledge could speed up the process of hybrid maize breeding by selecting compatible inbred lines through sequencing or by engineering hybrids that have favorable alleles for this gene.</p>

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Both insect parasitic/entomopathogenic nematodes and plant parasitic nematodes are of great economic importance. Insect parasitic/entomopathogenic nematodes provide an environmentally safe and effective method to control numerous insect pests worldwide. Alternatively, plant parasitic nematodes cause billions of dollars in crop loss worldwide. Because of these impacts, it is important to understand how these nematodes evolve, and, in the case of entomopathogenic nematodes, how their bacterial symbionts evolve. This dissertation contains six chapters. Chapter one is a review of DNA markers and their use in the phylogenetic systematics of entomopathogenic and insect-parasitic nematodes as well as a review of phylogenetic, co-phylogenetic, and population genetic methodologies. Chapter two characterizes positive destabilizing selection on the luxA gene of bioluminescent bacteria. Our data suggests that bacterial ecology and environmental osmolarity are likely driving the evolution of the luxA gene in bioluminescent bacteria. Chapter 3 examines relationships among bacteria within the genus Photorhabdus. Our analyses produced the most robust phylogenetic hypothesis to date for the genus Photorhabdus. Additionally, we show that glnA is particularly useful in resolving specific and intra-specific relationships poorly resolved in other studies. We conclude that P. asymbiotica is the sister group to P. luminescens and that the new strains HIT and JUN should be given a new group designation within P. asymbiotica. Chapter 4 characterizes the morphology of the head and feeding apparatus of fungal feeding and insect infective female morphs of the nematode Deladenus siricidicola using scanning electron microscopy. Results showed dramatic differences in head, face, and stylet morphology between the two D. siricidicola female morphs that were not detected in previous studies using only light microscopy. Chapter five utilizes comparative transciptomics to identify putative plant and insect parasitism genes in the nematode Deladenus siricidicola. Results from this study provide the first transcriptomic characterization for the nematode Deladenus siricidicola and for an insect parasitic member of the nematode infraorder Tylenchomorpha. Additionally, numerous plant parasitism gene homologues were discovered in both D. siricidicola libraries suggesting that this nematode has co-opted these plant parasitism genes for other functions. Chapter six utilizes a phylogenomic approach to estimate the phylogeny of the nematode infraorder Tylenchomorpha.

Transcription factors (TFs) are key regulatory proteins that regulate transcriptionthrough precise, but highly variable binding events to cis-regulatory elements.The complexity of their regulatory patterns makes it difficult to determinethe roles of different TFs, a task which the field is still struggling with.Experimental procedures for this purpose, such as knock out experiments, arehowever costly and time consuming, and with the ever-increasing availabilityof sequencing data, computational methods for inferring the activity of TFsfrom such data have become of great interest. Current methods are howeverlacking in several regards, which necessitates further exploration of alternatives. A novel tool for estimating the activity of individual TFs over time fromlongitudinal mRNA expression data was in this project therefore put togetherand tested on data from Mus musculus liver and brain. The tool is based onprincipal component analysis, which is applied to data subsets containing theexpression data of genes likely regulated by a specific TF to acquire an estimationof its activity. Though initial tests on 17 selected TFs showed issues withunspecific trends in the estimations, further testing is required for a statementon the potential of the estimator. / Transcriptionsfaktorer (TFer) är viktiga regulatoriska protein som reglerar transkriptiongenom att binda till cis-regulatoriska element på precisa, menmycketvarierande vis. Komplexiteten i deras regulatoriska mönster gör det svårt attavgöra vilka roller olika TFer har, vilket är en uppgift som fältet fortfarandebrottas med. Experimentella procedurer i detta syfte, till exempel "knockout"experiment, är dock kostsamma och tidskrävande, och med den evigt ökandetillgången på sekvenseringsdata har metoder för att beräkna TFers aktivitetfrån sådan data fått stort intresse. De beräkningsmetoder som finns idag bristerdock på flera punker, vilket erfordrar ett fortsatt sökande efter alternativ. Ett nytt vektyg för att upskatta aktiviteten hos individuella TFer över tidmed hjälp av longitunell mRNA-uttrycksdata utvecklades därför i det här projektetoch testades på data från Mus musculus lever och hjärna. Verktyget ärbaserat på principalkomponentsanalys, som applicerades på set med uttrycksdatafrån gener sannolikt reglerade av en specifik TF för att erhålla en uppskattningav dess aktivitet. Trots att de första testerna för 17 utvalda TFer påvisadeproblem med ospecifika trender i upskattningarna krävs forsatta tester för attkunna ge ett tydligt svar på vilken potential estimatorn har.

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