W-Elemente

Bioinformatische Analyse Weibchen-spezifischer, repetitiver Sequenzen 

Außergewöhnlich innerhalb des Stamms Plathelminthes ist die Gattung Schistosoma, die Spezies umfasst, welche einen Geschlechtsdimorphismus im Adultstadium aufweisen. Schon lange ist es von großem Interesse, Weibchen-spezifische Sequenzen zu detektieren und ihre Funktion zu analysieren^1-3. Genetisch betrachtet unterscheiden sich die Geschlechter u.a. im Karyotyp, Weibchen besitzen je ein W-, und ein Z-Chromosom, Männchen hingegen zwei Z-Chromosomen. Weite Teile der Z- und W-Chromosomen sind identisch. Jedoch befindet sich ein großer heterochromatischer Bereiche auf dem W-Chromosom, der so auf dem Z-Chromosom nicht vorkommt und somit Weibchen-spezifisch ist. In früheren Studien wurden repetitive Sequenzen in S. mansoni im heterochromatischen Bereich des W-Chromosoms detektiert und als Weibchen-spezifisch auftretende W-Elemente deklariert^1-3. Spätere Studien belegten jedoch, dass diese W-Elemente auch in Männchen vorkommen können. Dies legte die Vermutung illegitimer Rekombinationsvorgänge nahe^4,5. Weiterhin wurde die Möglichkeit diskutiert, dass diese Sequenzen transkribiert werden können⁶, einen mobilen, Transposon-ähnlichen Charakter aufweisen⁷ und an der Evolution der Geschlechtschromosomen beteiligt sind⁸.

In diesem Projekt wollen wir dem Phänomen mobiler W-Elemente weiter auf die Spur kommen. Hierzu werden W-Elemente im Rahmen von Genom- und Transkriptomanalysen bioinformatisch analysiert^9-12. Ziel ist, diese W-Elemente hinsichtlich ihrer Gruppenzugehörigkeiten, ihrer Aktivitäten in verschiedenen Stadien des Lebenszyklus von S. mansoni (Fig. 1) sowie zusätzlich auf struktureller Basis (Fig. 2) näher zu charakterisieren, um Hinweise auf ihr mobiles Verhalten und ihre mögliche Funktion zu bekommen.

Fig. 1: Beispielhafte Darstellung untersuchter RNA-Seq Datensätze im Genombrowser (IGV)13,14, um Transkriptprofile von W-Elementen zu analysieren. Die Striche deuten Transkripte eines W-Elements an, welche im jeweiligen RNA-Seq Datensatz vorkommen. Der repetitive Charakter der Weibchen-spezifischen Elemente kann anhand des wiederholten Strich-Musters erkannt werden. Es treten deutliche Unterschiede zwischen den verschiedenen Proben bezüglich der transkribierten Bereiche auf. So weisen Ovare ungepaarter Weibchen (sO1) die meisten Transkripte des W-Elements auf, deutlich mehr als Ovare gepaarte Weibchen (bO1). Testis ungepaarter Männchen (sT1) weisen im Gegensatz zu Testis gepaarter Männchen (bT1) Transkripte auf. In Cercarien sind die Transkriptmengen in beiden Geschlechter (Mcer1, Fcer1; M=männlich, F=weiblich, cer=Cercarien) fast identisch.

Fig. 2: Dotplot-Diagramm (links) und vergrößerte Bereiche (mittig, rechts) zur Untersuchung Weibchen-spezifischer repetitiver Einheiten in S.mansoni. Bei dieser Dotplot-Analyse wird eine Sequenz mit sich selbstverglichen, um bestimmte Muster innerhalb der Sequenz zu erkennen. Außerhalb der Hauptdiagonalen zeichnen sich repetitive Einheiten als Striche ab. So wurde in diesem Beispiel eine 403 bp lange Sequenz, welche 101-mal im W-Chromosom vorkommt, detektiert. Die Grafik wurde mit dem Programm Gepard V. 1.4015 erzeugt

¹Spotila LD, Rekosh DM, Boucher JM, LoVerde PT (1987) A cloned DNA probe identifies the sex of Schistosoma mansoni cercariae. Molecular and Biochemical Parasitology 26:17–20. doi:10.1016/0166-6851(87)90125-3

²Webster P, Mansour TE, Bieber D (1989) Isolation of a female-specific, highly repeated Schistosoma mansoni DNA probe and its use in an assay of cercarial sex. Molecular and Biochemical Parasitology 36:217–222. doi:10.1016/0166-6851(89)90169-2

³Drew AC, Brindley PJ (1995) Female-specific sequences isolated from Schistosoma mansoni by representational difference analysis. Molecular and Biochemical Parasitology 71:173–181. doi:10.1016/0166-6851(95)00048-6

⁴Grevelding CG (1995) The female-specific W1 sequence of the Puerto Rican strain of Schistosoma mansoni occurs in both genders of a Liberian strain. Molecular and Biochemical Parasitology 71:269–272. doi:10.1016/0166-6851(94)00058-u

⁵Quack T, Doenhoff M, Kunz W, Grevelding CG (1998) Schistosoma mansoni; The varying occurrence of repetitive elements in different strains shows sex-specific polymorphisms. Experimental Parasitology 89:222–227. doi:10.1006/expr.1998.4293

⁶Fitzpatrick JM, Johnston DA, Williams GW, Williams DJ, Freeman TC, Dunne DW, Hoffmann KF (2005) An oligonucleotide microarray for transcriptome analysis of Schistosoma mansoni and its application/use to investigate gender-associated gene expression. Molecular and Biochemical Parasitology 141:1–13. doi:10.1016/j.molbiopara.2005.01.007

⁷Grevelding CG (1999) Genomic instability in Schistosoma mansoni. MolBiochemParasitol 101(1-2): 207-216

⁸Lepesant JMJ, Cosseau C, Boissier J, Freitag M, Portela J, Climent D, Perrin C, Zerlotini A, Grunau ^C (2012) Chromatin structural changes around satellite repeats on the female sex chromosome in Schistosoma mansoni and their possible role in sex chromosome emergence. Genome Biology 13:R14. doi:10.1186/gb-2012-13-2-r14

⁹Lu Z, Sessler F, Holroyd N, Hahnel S, Quack T, Berriman M, Grevelding CG (2016) Schistosome sex matters; A deep view into gonad-specific and pairing-dependent transcriptomes reveals a complex gender interplay. Scientific Reports 6:31150 EP -. doi:10.1038/srep31150

¹⁰Picard MAL, Boissier J, Roquis D, Grunau C, Allienne J-F, Duval D, Toulza E, Arancibia N, Caffrey CR, Long T, Nidelet S, Rohmer M, Cosseau C (2016) Sex-biased transcriptome of Schistosoma mansoni; Host-parasite interaction, genetic determinants and epigenetic regulators are associated with sexual differentiation. PLoS Neglected Tropical Diseases 10:e0004930. doi:10.1371/journal.pntd.0004930

¹¹Protasio AV, Tsai IJ, Babbage A, Nichol S, Hunt M, Aslett MA, Silva N de, Velarde GS, Anderson TJC, Clark RC, Davidson C, Dillon GP, Holroyd NE, LoVerde PT, Lloyd C, McQuillan J, Oliveira G, Otto TD, Parker-Manuel SJ, Quail MA, Wilson RA, Zerlotini A, Dunne DW, Berriman M (2012) A systematically improved high quality genome and transcriptome of the human blood fluke Schistosoma mansoni.PLoS Neglected Tropical Diseases 6:e1455. doi:10.1371/journal.pntd.0001455

¹²Wang B, Collins JJ, Newmark PA (2013) Functional genomic characterization of neoblast-like stem cells in larval Schistosoma mansoni. eLife 2:e00768. doi:10.7554/eLife.00768

¹³James T. Robinson, Helga Thorvaldsdóttir, Wendy Winckler, Mitchell Guttman, Eric S. Lander, Gad Getz, Jill P. Mesirov. Integrative Genomics Viewer. Nature Biotechnology 29, 24–26 (2011)

¹⁴Helga Thorvaldsdóttir, James T. Robinson, Jill P. Mesirov. Integrative Genomics Viewer (IGV): high-performance genomics data visualization and exploration. Briefings in Bioinformatics 14, 178-192 (2013).

¹⁵Krumsiek J, Arnold R, Rattei T. Gepard: A rapid and sensitive tool for creating dotplots on genome scale. Bioinformatics 2007; 23(8): 1026-8. PMID: 17309896