Molecular Evolution in non-bilaterian Metazoa with Emphasis on Phylum Porifera

Abstract

Die phylogenetischen Beziehungen der basalen Stämme innerhalb der Metazoa (Porifera, Placozoa, Cnidaria and Ctenophora) sind noch immer nicht abschliessend geklärt und Gegenstand wissenschaftlicher Diskussionen. Ein Grund für unser fehlendes Verständnis ist die einfache Organisation dieser Tiere, die nur wenige informative morphologische Merkmale besitzen. Die Betrachtung der molekularen Evolution stellt hier deshalb eine wertvolle und unabhängige Methodik dar. In der vorliegenden Arbeit wurde die molekulare Evolution dieser Tiere auf zwei verschiedenen Ebenen untersucht:1. Evolution von ribosomalen RNA (rRNA) Genen im Stamm Porifera 2. Evolution von mitochondrialen (mt) Genen im Stamm Porifera (Amphimedon) und Cnidaria (Hydra)In den Studien zur Evolution von rRNA Genen wurden besonders die speziellen Eigenschaften von rRNA berücksichtigt. Ihre Sekundärstruktur wird durch Wasserstoffbrücken zwischen komplementären Basen aufrechterhalten und ist essentiell für die Funktion der rRNA im Ribosom. Deshalb ist die Sekundärstruktur sehr viel konservierter als die Nukleotidabfolge dieser Moleküle. Zusätzlich koevolvieren die gepaarten Basen der rRNA, einem Fakt, dem Rechnung getragen werden muss durch Anwendung bestimmter Modelle der Nukleotidevolution (so genannte Doublet-Modelle). Mit diesen Methoden wurden rRNA Gene analysiert, um die Verwandtschaftsbeziehung zweier taxonomisch schwieriger Taxa innerhalb der Porifera zu untersuchen. In der ersten Studie wurden insbesondere die marinen haploscleriden Schwämme behandelt. Einige Arten dieser Gruppe besitzen in ihren Small Subunit (SSU) rRNA Genen hypervariable Insertionen, die zu variabel sind, um in herkömmlichen phylogenetischen Analysen genutzt werden zu können. In dieser Arbeit konnte aber gezeigt werden, dass die Sekundärstrukturen dieser Insertionen zusätzliche Unterstützung für molekulare Phylogenien liefern können, die aus der Analyse der konservierteren Bereiche des SSU rRNA Gens und anderer Loci berechnet wurden. Die zweite hier untersuchte Schwammgruppe ist die Klasse der Kalkschwämme (Calcarea), in der die verwandtschaftlichen Beziehungen unterhalb der Unterklassenebene nicht geklärt sind. In den beiden dazu präsentierten Studien konnte durch die Analyse von SSU und Large Subunit rRNA Genen viele unerwartete Verwandtschaftsbeziehungen nachgewiesen werden, wobei auch die Performanz von verschiedenen Doublet-Modelle in diesen Analysen untersucht wurde. Die resultierenden Phylogenien legen nahe, dass viele Taxa auf Ordnungs-, Familien- und Gattungsebene nicht monophyletisch sind. Nach diesen Ergebnissen benötigen die Kalkschwämme eine umfassende taxonomische Revision, die weder allein auf morphologische Merkmale basiert sein sollte, noch auf der Ebene einzelner Ordnungen, Familien oder Gattungen durchgeführt werden kann. Stattdessen ist ein übergreifender Ansatz auf Unterklassenlevel erfolgsversprechender, in dem sowohl molekulare als auch morphologische Merkmale berücksichtigt werden.Um zum Verständnis der Evolution mitochondrialer Genome beizutragen, wurden zwei komplette mt Genomsequenzen bestimmt. Das mt Genom des Demospongien Amphimedon queenslandica wies einige Unterschiede zu bereits bekannten Schwamm-mt-Genomen auf, so u.a. Unterschiede in der Genanordnung. Weiterhin fehlte atp9, ein Gen, welches in allen bisher bekannten Schwamm-mt-Genomen vorhanden ist. Es war aber möglich, atp9 in Kerngenom-Sequenzen aufzuspüren. Hier wird dieses Gen von Inverted Repeats flankiert. Solche Inverted Repeats sind auch typisch für spezielle transposable Elemente, so dass diese Beobachtung ein Hinweis auf einen von einem Transposon verursachten Transport von einem mt Gen auf das Kerngenom darstellen könnte. Die Evolution des mt Genomorganisation in basalen Metazoen wurde durch eine Studie des mt Genoms des Süßwasserpolypen Hydra magnipapillata untersucht. In dieser Gattung liegen die mt Genome als lineare DNA Moleküle vor, im Gegensatz zu den zirkulären mt Genomen anderer Metazoen. Zusätzlich ist das mt Genom in einigen Hydra-Arten wie H. magnipapillata auf zwei lineare mt Chromosomen aufgeteilt. Indem wir die komplette Sequenz eines solchen fragmentierten, linearen mt Genoms bestimmt haben, konnten wir zeigen, dass beide mt Chromosomen von H. magnipapillata identische Inverted Terminal Repeats aufweisen, ähnlich wie andere Cnidaria mit unfragmentierten linearen mt Genomen. Weiterhin besitzen beide mt Chromosomen jeweils am vorangehenden 5"- und 3"- Ende gleiche Sequenzen. Die vorgefundene Organisation der terminalen Sequenzen der mt Chromosomen bei H. magnipapillata dient wahrscheinlich der Aufrechterhaltung einer ausgeglichenen Replikation und Transkription der Gene beider mt Chromosomen. Eine ähnliche Organisation kann in anderen fragmentierten linearen mt Genomen von Metazoa und anderen Eukaryoten erwartet werden.Mit der vorliegenden Arbeit habe ich zur Evaluation verschiedener Methoden der molekularen Evolution der basal divergierenden Metazoa beigetragen. Weitere Studien dieser Art mit einzelnen Genen oder mit kompletten mt Genomen werden helfen, ein klares Bild über die Evolution und Verwandtschaftsbeziehungen an der Basis dieses Asts des "Tree of Life" zu gewinnen.