Sammanfattning

Varje gen som leder till en metabolisk produkt, såsom proteiner, behöver uttryckas och översättas för att producera den slutliga metaboliten. Därmed behöver varje uttryckt gen regleras för att försäkra närvaron av metaboliten vid rätt tillfälle, i rätt mängd och i rätt cell. Reglerande sekvenser som styr genuttryck behöver således också finnas i varje genom. Om dessa reglerande sekvenser däremot är ändrade genom mutation eller andra modifikationer, kommer detta påverka uttrycket av genen vilken styrs av den ändrade sekvensen. Förändringar i genuttryck kan leda till morfologiska förändringar, vilka kan vara fördelaktiga eller ofördelaktiga. Naturligt urval kan i och med detta gynna eller missgynna varianter som påverkar genuttryck. På senare tid har allt fler studier undersökt vikten av variation i genuttrycksreglering under anpassning och evolution, men det finns fortfarande många obesvarade frågor om hur genetisk variation som styr genuttryck påverkas av selektion.

Målet med min avhandling var att undersöka hur egenskaper som DNA-tillgänglighet och DNA-metylering, som kan påverka genuttryck, är kopplade till genomiska selektionsmönster i vissa Brassicaceae-arter. Brassicaceae-familjen är en välstuderad växtfamilj som inkluderar många grödor såsom raps (Brassica napus), kål (Brassica oleracea) och rädisa (Raphanus sativus), men vissa intensivt studerade modellarter som backtrav (Arabidopsis thaliana) och rödlomme (Capsella rubella) finns också i den här familjen. Under min avhandling fokuserade jag huvudsakligen på den utkorsande arten storlomme (Capsella grandiflora) från släktet Capsella (lommar) som är nära besläktat med det välstuderade Arabidopsis-släktet, men jag undersökte också Arabidopsis thaliana och Arabidopsis lyrata i några av mina projekt.

I det första kapitlet i min avhandling identifierade jag tillgängliga DNAregioner i C. grandiflora-genomet. Med hjäp av populationsgenetiska analyser beskrev jag sedan skillnader i selektionsinverkan på tillgängliga och otillgängliga icke-kodande DNA-sekvenser. Tillgängliga DNA-sekvenser är regioner i genomet där DNA är packat på ett sätt som möjliggör bindning av DNA-bindande proteiner till deras avsedda DNA-sekvenser. Detta är viktigt för om gener ska uttryckas behöver gener och deras reglerande regioner vara tillgängliga för proteiner och transkriptionsfaktorer som behövs i expressionsprocessen. Följaktligen är tillgängliga icke-kodande DNA-sekvenser bra kandidatregioner i vilka genreglerande regioner kan vara belägna. I mitt första kapitel identifierade jag därför empiriskt tillgängliga kromatinregioner i C. grandiflora och undersökte hur selektion påverkar tillgängliga icke-kodande DNA-sekvenser. Genetiska varianter som tros påverka genuttryck segregerade på olika sätt mellan tillgängliga och otillgängliga icke-kodande DNA-sekvenser. Dessa fynd stöder idén att tillgängliga icke-kodande DNA-sekvenser är bra kandidatregioner för reglerande regioner och att dessa regioner förtjänar särskild hänsyn när man undersöker hur positiv och negativ selektion påverkar genomevolution.

I det andra kapitlet av min avhandling bekräftade jag giltigheten av Hollister och Gaut (2009) avvägningsmodell i den utkorsande arten C. grandiflora. Huvudtanken med denna modell är att varje organism har ett intresse av att förhindra förflyttning av själviska genetiska element såsom transposoner, som är DNA-sekvenser som kan hoppa från en plats i genomet till en annan. Växter kan förhindra sådana rörelser genom epigenetiska modifieringar (t.ex. metylering) av transposonsekvenser. Dock kan denna mekanism överskrida sitt mål och inducera epigenetiska modifieringar av DNA-sekvenser som ligger precis intill det avsedda transponerbara elementet. Om gener eller genreglerande sekvenser är lokaliserade i dessa regioner, kan den epigenetiska modifieringen av dessa gener och genreglerande sekvenser orsaka variationer i genuttryck. Dessa kan i sin tur utsättas för selektion och därför förväntas sådana transposoner som är i närheten av gener vara under starkare negativt urval än andra transponerbara element, vilket också var fallet i C. grandiflora.

I det tredje kapitlet i min avhandling belyste jag hur metylering av gener i A. thaliana kan påverka genuttrycksprocessen, med särskilt fokus på s.k. genkroppsmetylering. Genkroppsmetylering är en modifiering av DNA-sekvensen för gener, som går ut på att lägga till en metylgrupp till vissa cytosiner i gener. Fram till idag är det dock inte känt om denna ändring har någon funktion, och i sådant fall vilken. Emellertid har det föreslagits att dessa modifieringar är negativt korrelerade med graden av stokastiskt genuttryck eller felaktig transkription. För att få ytterligare insikter om detta ämne beskrev jag i mitt tredje kapitel en korrelation mellan genkroppsmetylering och genuttryckskonsistens och felaktig transkription i A. thaliana. Likväl visade sig inte nivån av stokastiskt genuttryck vara korrelerad med genkroppsmetylering, efter beaktande av andra förväxlingsfaktorer som kan påverka stokastiskt genuttryck.

I det fjärde kapitlet i min avhandling undersöker jag hur evolutionära förändringar i populationsstorlek kan påverka hur selektion påverkar genomisk variation i två Brassicaceae-arter. Jag studerade särskilt interaktionen mellan selektion och rekombination (länkat urval). Detta ger upphov till en situation där en mutation utan fitness-effekt påverkas av selektion då den är fysiskt kopplad till en annan mutation, som har en fitness-effekt och är under naturligt urval. I detta sista kapitel rapporterar jag att i den studerade C. grandiflora-populationen, som inte haft några större populationsstorleksförändringar i sin senaste evolutionära historia, har länkat urval en mycket starkare effekt på den observerade genetiska variationen än i den studerade A. lyrata-populationen, som haft en stark minskning av dess populationsstorlek under den senaste tiden.

I denna avhandling har jag undersökt samspelet mellan olika genomiska funktioner och förändringar av genuttryck för att förstå hur selektion på genuttrycksförändringar formar genomet hos vissa Brassicaceae-arter. Mina resultat tyder på att förändringar av genuttryck påverkas av naturligt urval och att naturligt urval på genreglerande regioner därmed formar hur den genetiska variationen fördelas över arvsmassan. I min avhandling bidrog jag med kunskap om rollen av förändringar i genuttryck under anpassning och evolution.