Ulm, Univ., Diss., 2008.

Würzburg, University, Diss., 2005.

A large variety of sex determination systems have been described in fish. However, almost no information is available about sex determination in the classical fish models, the zebrafish Danio rerio and the pufferfish Takifugu rubripes. A DNA-binding protein gene called dmrt1bY (or DMY) has been recently described as an outstanding candidate for the primary sex-determining gene in the medaka fish Oryzias latipes. But this gene is not the universal master sex-determining gene in teleost fish, since dmrt1bY is not found in most other fishes. Hence, other fish models need to be examined including the platyfish Xiphophorus maculatus. Xiphophorus maculatus has three types of sex chromosomes (X, Y and W; females are XX, WX or WY; males are XY or YY). Its gonosomes are at an early stage of differentiation. The sex-determining locus on the sex chromosomes is flanked by two receptor tyrosine kinase genes, the Xmrk oncogene and its protooncogenic progenitor gene egfrb, which both delimit a region of about 0.6 centiMorgans. This situation should allow the positional cloning of the sex-determining gene (SD) of the platyfish. For this purpose, Bacterial Artificial Chromosome (BAC) contigs were assembled from a BAC library of XY males constructed in our laboratory, using the oncogene Xmrk, egfrb, as well as a Y-specific pseudogene called ps-criptY as starting points. The ps-criptY sequence was found to be closely linked to the SD gene, since no recombination was observed between SD and ps-criptY in more than 400 individuals tested. Two major BAC contigs for the X chromosome (about 2.5 Mb) and three major BAC contigs for the Y chromosome (about 3.5 Mb) were built up and analyzed by strategic sequencing. These are some of the largest contigs ever assembled for the sex chromosomes of a non-mammalian vertebrate species. The molecular analysis of the ps-criptY contig was the major objective of this work. The Y-specific ps-criptY contig has been extended over 1 Mb in this work with 58 identified molecular markers. Approximatively 700 kb of non-redundant sequences has been obtained from this contig by strategic sequencing. Numerous Y-linked markers from the contig including ps-criptY were also detected on the X chromosome. Nevertheless, major structural differences were observed between the X and Y chromosomes. Particularly, a large region, which is present at one copy on the X chromosome and contains several candidate genes, was found to be duplicated on the Y chromosome. Evidence for an inversion in the sex-determining region and for the Y-specific accumulation of a repeated sequence called XIR was also obtained. Such events might correspond to an initiation of differentiation between both types of gonosomes. Accumulation of transposable elements was also observed in the ps-criptY contig. A DNA transposable element, helitron, was isolated from the sex-determining region of X. maculatus. Three copies of helitron are located on the ps-criptY contig and one copy on the X-linked contig (helitron has roughly 15 copies per haploid genome). No in-frame stop codon, truncation or intron was found in these four copies, which present high nucleotide identities to each other. This suggests that helitron elements might be active or have been recently active in X. maculatus. A consensus open reading frame of helitron was also assembled from medaka (Oryzias latipes) genomic sequences. Two candidate genes from the ps-criptY contig are also located on the W chromosome in the X. maculatus Usumacinta strain (heterogamety). These markers show the relationship between the different types of gonosomes and allow to compare the male and female heterogameties in the platyfish. Several gene candidates were identified in the ps-criptY contig. However, some of them such as msh2, cript, igd and acr probably correspond to pseudogenes. Interestingly, a novel gene, called swimy, is exclusively expressed in spermatogonia of the adult testis. Swimy is a gene encoding a DNA-binding protein with several putative DNA-binding domains. The data suggest that swimy is a very promising candidate for the master SD gene. Another novel gene, which is called fredi and encodes a novel helix-turn-helix protein, is predominately expressed in the adult testis and currently under scrutiny. There is no doubt that the master SD gene of X. maculatus will be identified by positional cloning. Further molecular analysis of the contigs built in this work will shed new light on the molecular mechanism of sex determination and the evolution of sex chromosomes in fish. / In Fischen wurde eine große Anzahl Geschlechtsbestimmungssysteme beschrieben. Allerdings gibt es kaum Informationen über die Geschlechtsbestimmung der klassischen Modellorganismen, des Zebrafisches Danio rerio und des Pufferfisches Takifugu rubripes. Das für ein DNA-bindendes Protein kodierende Gen dmrt1bY (oder DMY) wurde kürzlich als ein herausragender Kandidat für das primäre Geschlechts-bestimmungsgen im Medaka Oryzias latipes beschrieben. Dieses Gen ist jedoch nicht das universelle Geschlechtsbestimmungsgen der echten Knochenfische (Teleostei), da dmrt1bY in den meisten anderen Fischen nicht identifiziert werden konnte. Deshalb dienen andere Fische wie der Platy Xiphophorus maculatus als Modelle. Xiphophorus maculatus besitzt drei Geschlechtschromosomen X, Y und W in einem frühen Stadium der Differenzierung (Weibchen sind XX, WX oder WY, Männchen XY oder YY). Der geschlechtsbestimmende Locus wird flankiert von zwei Rezeportyrosinkinase-Genen, dem Onkogen Xmrk und seinem Vorläufer, dem Proto-onkogen egfrb. Sie markieren eine Region von ca. 0.6 centiMorgan, was die positionelle Klonierung des geschlechtsbestimmenden Gens SD des Platys erlauben sollte. Zu diesem Zweck wurden BAC- (Bacterial Artificial Chromosome-) Contigs der X- und Y-Chromosomen aus einer genomischen Bibliothek erstellt, wobei Xmrk, egfrb und das Y-spezifische Pseudogen ps-criptY als Startpunkte gewählt wurden. Ps-criptY ist eng an SD gekoppelt, wie die Analyse von über 400 Individuen zeigte. Zwei BAC-Contigs des X-Chromosoms (ca. 2.5 Mb) und drei BAC-Contigs des Y-Chromosoms (ca. 3.5 Mb) wurden erstellt und durch strategisches Sequenzieren analysiert. Dies sind einige der größten geschlechtschromosomalen Contigs, die je für eine Wirbeltierart außerhalb der Säuger erstellt wurden. Der Aufbau und die molekulare Analyse des BAC-Contigs um ps-criptY war Hauptziel dieser Arbeit. Dieses Y-spezifische Contig wurde durch die Analyse von 58 molekularen Markern in dieser Arbeit um über eine Megabase erweitert. Fast 700 kb nicht-redundanter Sequenz konnten durch strategisches Sequenzieren analysiert werden. Obwohl eine Vielzahl von Markern des Y-Chromosoms inklusive ps-criptY ebenfalls auf dem X-Chromosom detektiert wurden, konnten große strukturelle Unterschiede der Geschlechtschromosomen nachgewiesen werden. Im besonderen konnte die Duplikation einer großen Region des X-Chromosoms, die mehrere Genkandidaten enthält, auf dem Y-Chromosom gezeigt werden. Außerdem konnte die Inversion dieser Region inklusive einer Akkumulation der repetitiven Sequenz XIR konnte belegt werden. Solche Ereignisse entsprechen einer beginnenden Differenzierung zwischen heteromorphen Geschlechtschromosomen. Außerdem wurde die Akkumulation transposabler Elemente im ps-criptY-Contig beobachtet. Eines dieser Elemente, helitron, konnte aus der geschlechtsbestimmenden Region von X. maculatus isoliert werden. Von den vier Kopien der geschlechts-bestimmenden Region (3 Kopien im ps-criptY-Contig des Y-Chromosoms, 1 Kopie im Xmrk-Contig des X-Chromosoms, 15 im gesamten Genom) enthielt keine ein vorzeitiges Stop-Codon, Unterbrechung oder sonstige Störung des offenen Leserasters. Dies könnte darauf hinweisen, dass die helitron-Elemente in X. maculatus noch aktiv sind oder bis vor kurzem waren. Ein Konsensus-ORF des helitron-Elements konnte auch aus Datenbank-Sequenzen des Medaka (Oryzias latipes) erstellt werden. Zwei Genkandidaten des ps-criptY-Contigs konnten auch auf dem W-Chromosom von X. maculatus (Rio Usumacinta, weibliche Heterogametie) nachgewiesen werden. Diese Marker zeigen die enge Beziehung zwischen den Geschlechtschromosomen des Platys und ermöglichen eine detaillierte Untersuchung von männlicher und weiblicher Heterogametie im Platy. Verschiedene Genkandidaten konnten im ps-criptY-Contig identifiziert werden. Allerdings zeigte die Analyse, dass einige davon, wie msh2, cript, igd und acr Pseudogene darstellen. Interessanterweise ist eines dieser Gene, swimy, ausschließlich in Spermatogonien exprimiert. Dieses neue Gen kodiert für ein Protein mit mehreren DNA-bindenden Domänen. Diese Daten machen swimy zu einem vielversprechenden Kandidaten für SD. Ein weiteres neues Gen, fredi, kodiert für ein Helix-Loop-Helix Protein, ist ebenfalls im adulten Hoden exprimiert und wird gerade eingehender analysiert. Zweifellos wird das geschlechtsbestimmende Gen in X. maculatus durch positionelle Klonierung identifiziert werden. Weitergehende molekulare Analysen der geschlechtschromosomalen Contigs werden Licht in die molekularen Grundlagen der Geschlechtsbestimmung und die Evolution der Geschlechtschromosomen in Fischen bringen.

Haploid vererbte Polymorphismen des Y-Chromosoms sind wichtige diagnostische Werkzeuge der forensischen Genetik und verwandter Disziplinen, insbesondere der Anthropologie. Geschlechtsspezifität und uniparentaler Erbgang der Merkmale ermöglichen eine Reihe von Untersuchungen, die mit autosomalen Markern erfolglos bleiben müssen. Kurze tandem-repetitive STR-Sequenzen, die polymorphen Marker der Wahl im forensischen Labor, sind auch auf dem Y-Chromosom nachzuweisen. Aufgrund der rekombinationsfreien, paternalen Vererbung des größten Teils des Y-Chromosoms werden locus-spezifische Allele hier en bloc, als hochinformativer Haplotyp, vererbt. Die forensische Untersuchung profitiert insbesondere auf dem Gebiet der Untersuchung biologischer Spuren von der Y-chromosomalen Diagnostik: vor allem in Vergewaltigungsfällen kann die männliche DNA-Fraktion der Abstrichpräparate unabhängig von der weiblichen des Opfers untersucht und individualisiert werden. Bei der Abstammungsuntersuchung wird in solchen Fällen die Y-chromosomale Analyse empfohlen, in denen der Vater (eines männlichen Kindes) nicht zur Verfügung steht und paternale Verwandte an seiner statt untersucht werden müssen. Von den 14 evaluierten Y-chromosomalen STR-Systemen sind 9 für die forensische Praxis ausgewählt und empfohlen worden. Sie bilden den sogenannten "minimal haplotype", der heute international für die o. g. Analysen verwendet und von der zuständigen Fachgesellschaft (International Society of Forensic Genetics) in ihren Richtlinien empfohlen wird. Wegen der immensen Haplotyp-Variabilität und des uniparentalen Erbgangs ist die Frequenzbestimmung, und damit die Entscheidungsfindung für rechtsmedizinische Gutachter, nur über den Zugang zu großen Datenbanken möglich. Zu diesem Zweck wurde an der Charité die "European Y-STR Haplotype Reference Database" eingerichtet, die Frequenzabfragen auf Grundlage des aktuellen Datenmaterials online ermöglicht (http://ystr.charite.de). Aufgrund des uniparentalen Erbmodus und der im Vergleich zu Autosomen verringerten effektiven Zahl von Y-Chromosomen in der Population muß mit einem meßbaren Einfluß genetischer Drift auf die Y-STR-Haplotyp-Verteilung in der Population gerechnet werden. Mit Hilfe der AMOVA (Analysis of Molecular Variance) - Methode konnten genetische Distanzen für eine repräsentative Auswahl von über 50 weltweit verteilter Populationen berechnet werden. Der AMOVA-Test ist unentbehrlich für die Überprüfung der Eignung von Referenzdatenbanken als Grundlage der Frequenzbestimmung von Y-STR-Haplotypen. / There are a number of merits that qualify the Y chromosome as a special forensic genetic tool: the male specificity for most of its length, the absence of recombination which provides unambiguous male lineage's and the small effective population size that tends to create population specific allele distributions of the Y chromosomes. Particularly in cases of rape and other sexual assault as well as in kinship testing, Y-STR haplotyping can help to close informativity gaps. Since the main goal of forensic genetics is individualization of persons or lineages of descent an analytical strategy for the male chromosome must enable the expert to differentiate between the majority of unrelated haplotypes. For this to achieve the choice of the sequence type and its variability (i.e. its mutation rate) as well as the number of individual sequences to be used for profiling is crucial. We have introduced a STR profile for the Y-chromosome consisting of 11 microsatellite sequences which is both informative for individualization purposes as well as for a genetic distance analysis of populations. The technical simplicity of the approach led to a rapid introduction of the technique in many of the forensic labs world-wide. Intense international collaboration facilitates the generation of large haplotype reference databases, most of them are online available and searchable (Europe: http://ystr.charite.de and USA: http://www.ystr.org/usa/). By use of haplotype specific parameters such as the molecular distance (which equals the minimum number of mutational steps separating two haplotypes) and the largest available haplotype databases a Bayesian approach to evaluate Y-STR haplotype matches has been proposed. Directly inspired by our work are the recommendations of the International Society of Forensic Genetics (ISFG). These guidelines state some basic principles on forensic analysis using Y-STR polymorphisms: the use of sequenced allelic ladders, the application of a repeat-based nomenclature and the use of suitable haplotype reference databases for statistical evaluation of matches. Still a matter of research , but of the utmost interest is the potential of the Y-chromosome analysis to unravel the ethnological background of a given male profile. A dual approach - that using Y-STRs as well as Y-SNPs - probably renders the maximum amount of information about the descent of a male lineage typed in a forensic specimen.