Dissertation

Tierärztliche Hochschule Hannover / Bibliothek – School of Veterinary Medicine Hannover / Library

Philipp Hohenbrink

Evolutionary genetics of pheromonal communication in mouse lemurs

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-104829

title (ger.)

Evolutionsgenetik pheromongebundener Kommunikation bei Mausmakis 

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2014

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/hohenbrinkp_ss14.pdf

abstract (deutsch)

In dieser Arbeit wurde die Evolutionsgenetik des vomeronasalen Systems bei Mausmakis untersucht, nachtaktiven Primaten, die stark auf olfaktorische Signale angewiesen sind. Das vomeronasale System ist eines von zwei Systemen zur olfaktorischen Wahr-nehmung bei Säugetieren und wird hauptsächlich zur pheromongebundenen innerartlichen Kommunikation verwendet. Die meisten bisherigen Studien waren auf Nagetiere fokussiert, bei denen zwei Gen-Typen von Vomeronasalrezeptoren (VR) im Vomeronasalorgan (VNO, am Boden der Nasenhöhle) vorhanden sind: Vomeronasalrezeptor Typ 1 und Typ 2 (V1R und V2R). Die translatierten Proteine beider Typen sind strukturell unterschiedlich, allerdings liegen keine hinreichenden Informationen über die Evolution von VRs bei Primaten vor. Mausmakis haben von allen Primaten das größte Repertoire an V1Rs, wobei die Präsenz von funktionellen V2Rs bis jetzt nicht bestätigt wurde. Es wurden vier Studien ausgearbeitet, um spezifische Fragestellungen zu beantworten und verschiedene Aspekte der Evolution des V1R-Repertoires bei Mausmakis zu untersuchen.

            Die erste Studie untersuchte den Aufbau des V1R-Repertoires in der am besten untersuchten Mausmaki-Art, dem grauen Mausmaki, und identifizierte neun monophyletische Gen-Cluster. Es konnte gezeigt werden, dass sieben dieser neun Gen-Cluster unter starker positiver Selektion evolviert sind, was darauf hindeutet, dass Adaption von V1Rs die Evolution dieser Art beeinflusst hat. Vergleiche mit der Funktion von verwandten V1R Clustern in der Maus ließen auf einen potentiellen Zusammenhang zwischen der Funktion des Rezeptors und der Stärke an Selektion schließen. Positive Selektion wurde auch in fünf von sieben analysierten V1R Loci detektiert, die von sechs bis zehn verschiedenen Mausmaki-Arten sequenziert wurden, was auf anhaltende Selektion innerhalb der Gattung hindeutet und in Bezug zu sexueller Selektion oder eventuell auch zu Artbildungsprozessen stehen könnte.

            In der zweiten Studie wurde zum ersten Mal gezeigt, dass sich zwei intakte V2R Gene in den Genomen von drei Feuchtnasenaffen (Lemuren und Loris) befinden und beide im VNO des grauen Mausmakis exprimiert werden. Die Konservierung der V2R Gene steht im Kontrast zum hoch diversen V1R-Repertoire und weist auf unterschiedliche Evolution der beiden VR-Typen hin.

            Die Analyse der Expression wurde in der dritten Studie ausgeweitet, in der spezifische Expressionsmuster von 64 V1Rs und den zwei V2Rs im VNO und der Riechschleimhaut (MOE, in der oberen Nasenhöhle) in mehreren Mausmaki-Individuen untersucht wurde. Alle Loci wurden im VNO mindestens eines Tieres exprimiert, wobei die individuellen Anteile an exprimierten VR-Loci zwischen 83% und 97% schwankten. Unerwarteterweise wurde auch erhebliche Expression von VRs im MOE festgestellt, wobei hier die individuellen Anteile an exprimierten Loci zwischen 29% und 45% lagen. TRPC2, ein Kationenkanal-Protein, das unverzichtbar für die VR-übermittelte Signalübertragung ist, war in beiden Organen exprimiert, was auf mögliche Funktionalität der exprimierten VRs auch im MOE hinweist. Angesichts der Unterschiede in den Nervenbahnen von MOE und VNO Signalen, die zu höheren kortikalen Gehirnarealen respektive dem Limbischen System führen, ergibt sich die Möglichkeit, dass die Evolution von VR-Expression im MOE Mausmakis ermöglicht hat, die Verarbeitung von VR-vermittelten olfaktorischen Informationen zu diversifizieren.

            Die vierte Studie analysierte die genetische Diversität von VRs in wild lebenden Populationen zweier sympatrischer Mausmaki-Arten und half bei der Unterscheidung von Genen und Allelen. Im Gegensatz zu den Ergebnissen auf Artebene, welche eher die evolutionären Prozesse in der weiter zurückliegenden Vergangenheit wiedergeben (vorherige Kapitel), zeigte diese Studie, dass negative Selektion der treibende Selektionsdruck während der jüngeren Vergangenheit von Mausmakis auf Populationsebene war. Zusätzlich konnten ein Vergleich der genetischen Diversität und eine demographische Modellierung von 15 V1Rs und den zwei V2Rs aufzeigen, dass beide sympatrischen Arten eine unterschiedliche demographische Geschichte vorweisen.

            Zusammenfassend haben die Studien die Komplexität des VR-Systems in diesen kleinen nachtaktiven Primaten aufgezeigt, welches unter variierendem Selektionsdruck evolviert ist. Allerdings fehlen bei Mausmakis zurzeit Informationen über spezifische Liganden der Rezeptoren, welche benötigt würden, um die genetischen Ergebnisse mit tatsächlicher ökologischer Funktion zu verbinden. Außerdem ist das Genom des grauen Mausmakis noch immer unvollständig sequenziert, wobei ein hochabdeckendes Genom für die Identifizierung des kompletten Repertoires an V1Rs und V2Rs notwendig ist. Zusätzlich würden Genom-Daten von anderen Lemuren oder Loris dazu beitragen, VR-Repertoires der Feuchtnasenaffen zu identifizieren und damit zeigen, ob die Komplexität, die in Mausmakis gefunden wurde, einzigartig ist oder kennzeichnend für Lemuren.

abstract (englisch)

This thesis investigated the evolutionary genetics of the vomeronasal system of mouse lemurs, nocturnal primates which rely heavily on olfactory signalling. The vomeronasal system is one of two systems for olfactory perception in mammals and is mainly used for pheromonal intraspecific communication. Most previous studies focused on rodents, where two types of vomeronasal receptor (VR) genes are present in the vomeronasal organ (VNO, located at the base of the nasal cavity): vomeronasal receptor type 1 and type 2 (V1R and V2R). The translated proteins are structurally different, but information about the evolution of VRs in primates is limited. Mouse lemurs have the largest repertoire of V1Rs among primates. However, the presence of functional V2Rs had not been reported. Four studies were designed to answer specific questions and to analyse separate aspects of the evolution of the VR repertoire in mouse lemurs.

            The first study investigated the structure of the V1R repertoire in the best studied mouse lemur species, the grey mouse lemur, and identified nine monophyletic gene clusters. It was shown that seven of nine gene clusters evolved under strong positive selection indicating that adaptation of V1Rs influenced the evolution of the species. Comparison with function of related V1R clusters in mice suggested a potential relationship between receptor function and strength of selection. Positive selection was also detected within five of seven analysed V1R loci sequenced from six to ten mouse lemur species, indicating ongoing selection within the genus, which may be related to sexual selection and, potentially, speciation processes.

            In the second study it was confirmed for the first time that two intact V2R genes are present in the genomes of three strepsirrhine primates (lemurs and lorisoids) and both were expressed in the VNO of the grey mouse lemur. The conservation of V2R genes contrasted to the highly diverse V1R repertoire and indicated divergent evolution of both types of VRs.

            The analysis of expression was expanded in the third study where specific expression patterns of 64 V1Rs and the two V2Rs were investigated in the VNO and in the main olfactory epithelium (MOE, located in the upper nasal cavity) from different mouse lemur individuals. All loci were expressed in the VNO of at least one animal which showed individual proportions of expressed VR loci of 83% to 97%. Unexpectedly, extensive expression of VRs was also detected in the MOE, with proportions of expressed loci in individuals ranging from 29% to 45%. TRPC2, a cation channel protein crucial for signal transduction via VRs, was coexpressed in both organs indicating likely functionality of expressed VRs also in the MOE. Given the differences in the neural pathways of MOE and VNO signals, which project to higher cortical brain centres or the limbic system, respectively, this raises the possibility that the evolution of MOE-expression of VRs enabled mouse lemurs to adaptively diversify the processing of VR-encoded olfactory information.

            The fourth study analysed the genetic variation of VRs within wild populations of two sympatric mouse lemur species and helped to distinguish genes from alleles. In contrast to the results on the species level that are rather reflecting evolutionary processes in the distant past (previous chapters), this study indicated that purifying selection is the prominent mode of selection in the more recent evolutionary past of mouse lemurs at the population level. Additionally, the comparison of the genetic diversity and demographic modelling of 15 V1Rs and the two V2R loci revealed signals of a divergent demographic history in the two sympatric species.

            In conclusion, the studies showed the complexity of the VR system in the small nocturnal primates that has evolved under varying selection pressures. However, information about specific corresponding ligands is currently lacking in mouse lemurs, which would be needed to combine the genetic results with the actual ecological function of VRs. Furthermore, the genome of the grey mouse lemur is incompletely sequenced and a high-coverage genome is necessary to identify the full repertoire of V1Rs and V2Rs. Additional genome data from other lemurs and lorisoids would help to identify VR repertoires among strepsirrhine primates and reveal if the complexity in mouse lemurs is unique or typical for lemurs.

keywords

Vomeronasal, Evolution, Mausmaki; vomeronasal, evolution, mouse lemur

kb

3.894