Molecular characterization and annotation of paralogous and orthologous genes in teleost early developmental stages

Abstract

Embryogenesis is one of the most critical periods for all organisms’ lifetime, during which a cascade of important processes are implemented. With an extra round of whole-genome duplication in teleosts and high paralogous gene retention rates related to development, their embryogenesis remains an appealing field for investigation. In the present thesis, the molecular basis of embryogenesis was investigated in a non-model (European seabass, Dicentrarchus labrax) and a model teleost (three-spined stickleback, Gasterosteus aculeatus). The collection of the expression profiles during early development was followed by the examination of the expression pattern of paralogous genes and their reflected role throughout embryogenesis. Moreover, the different expression profiles of miRNAs throughout early development of the two teleosts were studied. After investigating the transcriptomes it became apparent that key periods of early development are characterized by the expression of specific gene groups. Searching a set of teleost-specific paralogous genes in the studied transcriptome of both species, resulted in a list of genes that were found either in duplicates or in a single copy, disclosing lineage-specific gene retention and species-specific particularities. The investigation of miRNAs expressed during European sea bass’s development resulted -for the first time- in the identification of 42 miRNAs. On the other hand, the exploration of the three-spined stickleback’s miRNome showed that early stages were served by a small set of miRNAs expressed in low amounts, while during the last studied stage both miRNA diversity and miRNA read number were high.

Η εμβρυογένεση είναι μία από τις κρισιμότερες περιόδους για τη ζωή όλων των οργανισμών, στη διάρκεια της οποίας υλοποιείται μία σειρά από σημαντικές διεργασίες. Η ύπαρξη ενός επιπλέον γύρου πολλαπλασιασμού του γονιδιώματος στους τελεόστεους ιχθείς καθώς και το υψηλό ποσοστό διατήρησης παράλογων γονιδίων σχετικών με την ανάπτυξη, καθιστά την εμβρυογένεσή τους ένα ιδιαίτερα ενδιαφέρον ερευνητικό πεδίο. Στην παρούσα διατριβή, διερευνήθηκε η μοριακή βάση της ανάπτυξης σε ένα μοντέλο (ακανθερό, Gasterosteus aculeatus) και ένα μη μοντέλο (Ευρωπαϊκό λαβράκι, Dicentrarchus labrax) είδος τελεόστεων. Μετά την συλλογή των προφίλ έκφρασης εξετάστηκε η έκφραση παράλογων γονιδίων και ο ρόλος τους κατά την εμβρυογένεση. Επιπλέον, μελετήθηκαν τα διαφορετικά προφίλ έκφρασης των miRNAs σε όλα τα πρώιμα αναπτυξιακά στάδια των δύο εξεταζόμενων ειδών. Από την μελέτη των μεταγραφωμάτων έγινε φανερό ότι οι βασικές περίοδοι πρώιμης ανάπτυξης χαρακτηρίζονται από την έκφραση συγκεκριμένων ομάδων γονιδίων. Από την αναζήτηση παράλογων γονιδίων στο μεταγράφωμα του Ευρωπαϊκού λαβρακιού και του ακανθερού, προέκυψε ένας κατάλογος γονιδίων που βρέθηκαν είτε διπλασιασμένα είτε σε ένα αντίγραφο αποκαλύπτοντας ειδο-ειδικές ιδιαιτερότητες. Η διερεύνηση των miRNAs που εκφράστηκαν κατά την ανάπτυξη του λαβρακιού οδήγησε στην αναγνώριση, για πρώτη φορά για αυτό το είδος, 42 miRNAs. Επιπλέον, η διερεύνηση του miRNome του ακανθερού έδειξε ότι τα πρώιμα αναπτυξιακά στάδια εξυπηρετήθηκαν από ένα μικρό σύνολο miRNAs εκφραζόμενα σε χαμηλές ποσότητες, ενώ στο τελευταίο υπό μελέτη σταδίο τόσο η ποικιλότητα όσο και ο αριθμός των αναγνώσεων των miRNA ήταν υψηλά.