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Xmrk encodes a putative transmembrane glycoprotein of the tyrosine kinase family and is a melanoma-inducing gene in Xiphophorus. We attempted to investigate the biological function of the putative Xmrk receptor by characterizing its signalling properties. Since a potential Iigand for Xmrk has not yet been identified, it has been difficult to analyse the biochemical properlies and biological function of this cell surface protein. In an approach towards such analyses, the Xmrk extracellular domain was replaced by the closely related Iigand-binding domain sequences of the human epidennal growth factor receptor (HER) and the ligand-induced activity of the chimeric HER-Xmrk proteinwas examined. We show that the Xmrk protein is a functional receptor tyrosine kinase, is highly active in malignant melanoma and displays a constitutive autophosphorylation activity possibly due to an activating mutation in its extracellular or transmembrane domain. In the focus formation assay the HER-Xmrk chimera is a potent transfonning protein equivalent to other tyrosine kinase oncoproteins.
The Xiphophorus tumor system has provided the opportunity to reduce the enormous complexity of cancer etiology to a few biological elements basically involved in neoplasia. The development of a tumor requires an oncogene which, after impairment, deletion, or elimination of its regulatory genes is permitted to mediate neoplastic transformation. Emphasis is being placed today in cancer research on the actual oncogenes themselves, but, in our opinion, the most important genes involved in neoplasia are these regulatory genes. However, although detected by c1assical genetics in the Xiphophorus system, th ese genes are not at present open to a more fin ely detailed molecular biological analysis. Their actual mode of action is therefore still far from being understood.
Background
Xiphophorus fishes are represented by 26 live-bearing species of tropical fish that express many attributes (e.g., viviparity, genetic and phenotypic variation, ecological adaptation, varied sexual developmental mechanisms, ability to produce fertile interspecies hybrids) that have made attractive research models for over 85 years. Use of various interspecies hybrids to investigate the genetics underlying spontaneous and induced tumorigenesis has resulted in the development and maintenance of pedigreed Xiphophorus lines specifically bred for research. The recent availability of the X. maculatus reference genome assembly now provides unprecedented opportunities for novel and exciting comparative research studies among Xiphophorus species.
Results
We present sequencing, assembly and annotation of two new genomes representing Xiphophorus couchianus and Xiphophorus hellerii. The final X. couchianus and X. hellerii assemblies have total sizes of 708 Mb and 734 Mb and correspond to 98 % and 102 % of the X. maculatus Jp 163 A genome size, respectively. The rates of single nucleotide change range from 1 per 52 bp to 1 per 69 bp among the three genomes and the impact of putatively damaging variants are presented. In addition, a survey of transposable elements allowed us to deduce an ancestral TE landscape, uncovered potential active TEs and document a recent burst of TEs during evolution of this genus.
Conclusions
Two new Xiphophorus genomes and their corresponding transcriptomes were efficiently assembled, the former using a novel guided assembly approach. Three assembled genome sequences within this single vertebrate order of new world live-bearing fishes will accelerate our understanding of relationship between environmental adaptation and genome evolution. In addition, these genome resources provide capability to determine allele specific gene regulation among interspecies hybrids produced by crossing any of the three species that are known to produce progeny predisposed to tumor development.
Das maligne Melanom ist ein Hauttumor mit steigender Inzidenz und hohen Mortalitätsraten. Da die molekularbiologischen Ereignisse, die der Melanomentwicklung zugrundeliegen, nur unzureichend bekannt sind, gibt es kaum spezifische Therapieansätze. Zur Untersuchung der Melanomentwicklung eignet sich das Xiphophorus-Modell. In diesem System ist die Anwesenheit der RTK Xmrk ausreichend, um durch Aktivierung proliferativer und entdifferenzierender Signalwege und Apoptoseinhibition Melanome zu verursachen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass Xmrk auch die Migration der Melanozytenzellinie Melan a-Hm induzieren kann. Die Migration der durch Xmrk transformierten Zellen ist amöboid und unabhängig von MAPK- und PI3K-Signalwegen. Eine Funktion bei der Migration haben jedoch die Kinasen FAK und Fyn. Sie bilden möglicherweise einen Proteinkomplex, der für FAK und Src aus zahlreichen anderen Systemen bekannt ist und als Signalplattform für die Zellmigration fungiert. Diese Erkenntnisse können dazu beitragen, das Xiphophorus-Modell weiterzuentwickeln und die Grundlagen der Melanomgenese besser zu verstehen.
Swords are exaggerated male ornaments of swordtail fishes that have been of great interest to evolutionary biologists ever since Darwin described them in the Descent of Man (1871). They are a novel sexually selected trait derived from modified ventral caudal fin rays and are only found in the genus Xiphophorus. Another phylogenetically more widespread and older male trait is the gonopodium, an intromittent organ found in all poeciliid fishes, that is derived from a modified anal fin. Despite many evolutionary and behavioral studies on both traits, little is known so far about the molecular mechanisms underlying their development. By investigating transcriptomic changes (utilizing a RNA-Seq approach) in response to testosterone treatment in the swordtail fish, Xiphophorus hellerii, we aimed to better understand the architecture of the gene regulatory networks underpinning the development of these two evolutionary novelties. Large numbers of genes with tissue-specific expression patterns were identified. Among the sword genes those involved in embryonic organ development, sexual character development and coloration were highly expressed, while in the gonopodium rather more morphogenesis-related genes were found. Interestingly, many genes and genetic pathways are shared between both developing novel traits derived from median fins: the sword and the gonopodium. Our analyses show that a larger set of gene networks was co-opted during the development and evolution of the older gonopodium than in the younger, and morphologically less complex trait, the sword. We provide a catalog of candidate genes for future efforts to dissect the development of those sexually selected exaggerated male traits in swordtails.
The Xiphophorus melanoma system is a useful animal model for the study of the genetic basis of tumor formation. The development of hereditary melanomas in interspecific hybrids of Xiphophorus is connected to pigment cell specific overexpression of the mutationally activated receptor tyrosine kinase Xmrk. In purebred fish the oncogenic function of xmrk is suppressed by the molecularly still unidentified locus R. The xmrk oncogene was generated by a gene duplication event from the Xiphophorus egfrb gene and thereby has acquired a new 5’ regulatory sequence, which has probably altered the transcriptional control of the oncogene. So far, the xmrk promoter region was still poorly characterized and the molecular mechanism by which R controls xmrk-induced melanoma formation in Xiphophorus still remained to be elucidated. To test the hypothesis that R controls melanoma development in Xiphophorus on the transcriptional level, the first aim of the thesis was to gain a deeper insight into the transcriptional regulation of the xmrk oncogene. To this end, a quantitative analysis of xmrk transcript levels in different Xiphophorus genotypes carrying either the highly tumorigenic xmrkB or the non-tumorigenic xmrkA allele was performed. I was able to demonstrate that expression of the tumorigenic xmrkB allele is strongly increased in malignant melanomas of R-free backcross hybrids compared to benign lesions, macromelanophore spots, and healthy skin. The expression level of the non-tumorigenic xmrkA allele, in contrast, is not influenced by the presence or absence of R. These findings strongly indicate that differential transcriptional regulation of the xmrk promoter triggers the tumorigenic potential of these xmrk alleles. To functionally characterize the xmrk promoter region, I established a luciferase assay using BAC clones containing the genomic regions where xmrk and egfrb are located for generation of reporter constructs. This approach showed for the first time a melanoma cell specific transcriptional activation of xmrkB by its flanking regions, thereby providing the first functional evidence that the xmrk oncogene is controlled by a pigment cell specific promoter region. Subsequent analysis of different deletion constructs of the xmrkB BAC reporter construct strongly indicated that the regulatory elements responsible for the tumor-inducing overexpression of xmrkB in melanoma cells are located within 67 kb upstream of the xmrk oncogene. Taken together, these data indicate that melanoma formation in Xiphophorus is regulated by a tight transcriptional control of the xmrk oncogene and that the R locus acts through this mechanism. As the identification of the R-encoded gene(s) is necessary to fully understand how melanoma formation in Xiphophorus is regulated, I furthermore searched for alternative R candidate genes in this study. To this end, three genes, which are located in the genomic region where R has been mapped, were evaluated for their potential to be a crucial constituent of the regulator locus R. Among these genes, I identified pdcd4a, the ortholog of the human tumor suppressor gene PDCD4, as promising new candidate, because this gene showed the expression pattern expected from the crucial tumor suppressor gene encoded at the R locus.
Fische der Gattung Xiphophorus stellen eines der am besten untersuchten Modellsysteme zur Untersuchung genetischer Geschlechtsbestimmung innerhalb dieser Klasse von mehr als 24.000 Arten dar. X. maculatus kann männliche (XX/ XY) oder weibliche (WY/ YY) Heterogametie aufweisen. Zusätzlich sind atypische Geschlechtsbestimmungssysteme beschrieben worden, die auf autosomale Modifikatoren zurückgeführt wurden. Obwohl kürzlich das Mastergen der Geschlechtsbestimmung im Medaka (Oryzias latipes) als ein Mitglied der Dmrt-Genfamilie identifiziert wurde, konnte Dmrt1bY als Mastergen der Geschlechtsbestimmung von Xiphophorus und anderen Fischen ausgeschlossen werden. Xiphophorus wurde zum wissenschaftlichen Modellsystem, da bestimmte zwischenartliche Kreuzungshybride maligne Melanome entwickeln. Das dafür verantwortliche Onkogen Xmrk und sein physiologisches Gegenstück egfrb liegen eng gekoppelt (< 0,6 cM) in der Geschlechtsbestimmungsregion von X. maculatus. Die Kopplungsgruppe umfasst noch weitere Loci wie den geschlechtsbestimmenden Locus SD, den Locus RY für rötliche und gelb-bräunliche Farbmuster und den Locus Mdl, der außer schwarzen Pigmentflecken auch noch den Bildungsort und die Schwere der Melanome in Hybriden mit X. helleri steuert. Die enge Kopplung dieser Loci entspricht einem physikalischen Abstand von ca. 1 Megabase (Mb) und ermöglicht eine Strategie der positionellen Klonierung der von diesen Loci kodierten Gene. Die Analyse großer Cosmid- und BAC- (Bacterial Artificial Chromosome) Contigs, welche im Rahmen dieser Arbeit erstellt wurden und die mehr als 1 Mb sowohl des X- als auch des Y-Chromosoms des Platys X. maculatus abdecken, zeigte eine hohe Dichte von Retroelementen und anderen repetitiven Sequenzen, besonders im Bereich des dominanten Onkogens Xmrk und in einer durch das duplizierte Gen ps-criptY gekennzeichneten, Y-spezifischen Region. Außerdem konnte gezeigt werden, dass eines dieser Elemente (XIR) spezifisch auf dem Y-Chromosom akkumuliert, was möglicherweise einen frühen Schritt der Differenzierung der Geschlechtschromosomen des Platys darstellt. Es konnten mehrere Duplikationsereignisse in diese Region nachgewiesen werden. Erstens wurde egfrb dupliziert, dessen Kopie zum Onkogen Xmrk wurde. Zweitens konnte die mehrfache Duplikation eines Melanocortin-Rezeptorgens mc4r nachgewiesen werden, von dem 9 Kopien auf dem X-Chromosom in einer Tandem-ähnlichen Struktur vorliegen und mindestens 9 Kopien auf dem Y-Chromosom. Mindestens 11 der insgesamt 19 Kopien besitzen nicht unterbrochene offene Leseraster, deren konzeptionelle Translationsprodukte die strukturellen Charakteristika funktionaler Rezeptoren zeigen. Drittens wurde das autosomale Gen cript dupliziert und liegt nun in jeweils einer Kopie (ps-cript1) direkt stromabwärts von Xmrk auf beiden Geschlechtschromosomen und in einer zusätzlichen Kopie auf dem Y-Chromosom (ps-criptY), wo es eine Region mit Syntenie zum menschlichen Chromosom 2p markiert. Andere potentielle Gene zeigen Homologien zu den menschlichen Genen CHRNA, CHRND und TMEFF und lassen auf eine syntenische Region zum menschlichen Chromosom 2q schließen. Diese Region ist involviert in autosomale Geschlechtsumkehr im Mensch, allerdings wurde noch kein dafür verantwortliches Gen identifiziert. Die in dieser Arbeit vorgelegten Ergebnisse der Analyse von Sequenzen in der geschlechtsbestimmenden Region von X. maculatus bilden die Basis für ein tieferes Verständnis der Mechanismen, die zur Plastizität der von der Xmrk-SD-Region vermittelten Eigenschaften führen. Auf dieser Grundlage sollten zukünftige Arbeiten zur Identifizierung des Mastergens der Geschlechtsbestimmung führen. Die Identifizierung dieses neuen Gens könnte außerdem zur Aufklärung anderer Geschlechtsbestimmungsmechanismen innerhalb der Fische beitragen, was besonders im Hinblick auf kommerziell genutzte Arten z.B. in der Aquakultur großen Nutzen bringen kann. Einige der analysierten Gene der Xmrk-Region zeigen geschlechtsspezifische Expressionsmuster, allerdings steht die funktionelle Analyse noch am Anfang. Phänotypen, die mit Pigmentmusterbildung und dem Zeitpunkt der sexuellen Reifung in Zusammenhang stehen, könnten auf den in dieser Arbeit identifizierten Melanocortin-Rezeptoren (mc4r) beruhen. Ihre strukturellen Eigenschaften und Expressionsmuster weisen auf ihre mögliche Rolle in einem oder mehreren dieser Vorgänge hin. Verglichen mit den nicht duplizierten Melanocortin-Rezeptoren anderer Vertebraten könnte die ungewöhnlich hohe Anzahl an Kopien als Grundlage für evolutionäre Veränderungen dieser Gene dienen. Obwohl ihre Funktionalität noch gezeigt werden muss, könnten diese Kopien typische evolutionäre Veränderungen duplizierter Gene wie die Übernahme einer neuen Funktion durch das Codieren neuer Proteine nach Mutationen, die Reduktion ihrer Funktion durch die auf weniger Gewebe eingeschränkte Expression und den Verlust ihrer Funktion durch Mutationen, die das Leseraster unterbrechen, zeigen.
Melanome stellen die gefährlichste Form von Hautkrebs mit der höchsten Mortalitätsrate dar. Der Transformation normaler Melanozyten zu malignen Melanomen liegen komplexe molekulare und biochemische Veränderungen zu Grunde. Im Xiphophorus-Melanom-Modell ist die onkogene Rezeptortyrosinkinase "Xiphophorus melanoma receptor kinase" (Xmrk) der alleinige Auslöser der Melanominitiation und -progression. Die Aufklärung der Xmrk-vermittelten Signaltransduktion kann zum besseren Verständnis von Ereignissen, die auch bei der humanen Melanomentwicklung eine Rolle spielen, beitragen. In der vorliegenden Arbeit wurde mit Hilfe der Microarray-Technologie die Regulation der Genexpression durch Xmrk analysiert. Zu den nach Rezeptoraktivierung am stärksten herabregulierten Genen gehörten "son of sevenless homolog 1" (Sos1) und "ubiquitin-conjugating enzyme E2I" (Ube2i); stark hochreguliert waren "early growth response 1" (Egr1), "cysteine-rich protein 61" (Cyr61), "dual-specificity phosphatase 4" (Dusp4), "fos-like antigen 1" (Fosl1), "epithelial membrane protein" (Emp1), Osteopontin (Opn), "insulin-like growth factor binding protein 3" (Igfbp3) und "tumor-associated antigen L6" (Taal6). Die für die Regulation dieser Gene verantwortlichen Signalwege wurden durch die Anwendung von niedermolekularen Inhibitoren und siRNA identifiziert, wobei für die SRC-Kinase FYN eine zentrale Bedeutung bei der Xmrk-abhängigen Regulation der Genexpression festgestellt wurde. Darüber hinaus wurde die Expression der Gene in humanen Melanomzelllinien im Vergleich zu normalen humanen Melanozyten untersucht. Als besonders vielversprechende Kandidaten stellten sich dabei DUSP4 und TAAL6 heraus, deren Rolle in der humanen Melanominduktion und -progression Gegenstand zukünftiger Studien sein wird. In einem anderen Ansatz zur Aufklärung des Signalnetzwerkes sollten Zielproteine von Xmrk durch Protein-Protein-Interaktionsstudien mit Hilfe des Split-Ubiquitin-Systems ermittelt werden. Aufgrund ungünstiger Expressions- oder Faltungseigenschaften von Xmrk in diesem System war es aber nicht möglich, den Rezeptor als Köderprotein einzusetzen. Das für die Xmrk-vermittelte Melanomentstehung zentrale Protein FYN konnte jedoch als Köder etabliert und seine Wechselwirkung mit der Tyrosinkinase FAK analysiert werden. Es wurde gezeigt, dass der phosphorylierte Tyrosinrest an Position 397 von FAK für die Interaktion einer N-terminal trunkierten FAK-Variante mit FYN notwendig ist und dass diese Phosphorylierung in Hefe gewährleistet zu sein scheint. Die Suche nach neuen Interaktionspartnern von FYN mittels der Split-Ubiquitin-Technologie könnte Einblicke in weitere FYN-abhängige Ereignisse bieten, die zur Aufklärung seiner zentralen Rolle bei der Tumorentstehung dienen könnte.
Several species of the genus Xiphophorus are polymorphic for specific pigment patterns. Same of these give rise to malignant melanoma following the appropriate crossings. For one of these pattern Iod from the platyfish Xiphophorus maculatus the melanoma-inducing gene has been doned and found to encode a novel receptor tyrosine kinase, designated Xmrk. Using molecular probes from this gene in Southern blot analyses on single fish DNA preparations from 600 specimens of different populations of various species of the genus Xiphophorus and their hybrids, either with or without melanomapredisposing pattern, it was shown that all individuals contain the Xmrk gene as a proto-oncogene. It is located on the sex chromosome. All fish that carry a melanoma-predisposing locus which has been identified by Mendelian genetics contain an additional copy of Xmrk, closely linked to a specific melanophore pattern locus on the sex chromosome. The melanoma-inducing loci of the different species and populations are homologous. The additional copy of Xmrk obviously arose by a geneduplication event, thereby acquiring the oncogenic potential. The homology of the melanomainducing Iod points to a similar mechanism of tumor suppression in all feral fish populations of the different species of the genus Xiphophorus.
The observation of a slower migrating form of pp6oc-src in neural tissue of chicken and mouse has recently been shown to be due to an alternative transcript form of tbe c-src gene (Martinez et al.: Science 237:411-415, 1987; Levy et al.: Mol Cell Bio17:4142- 4145, 1987). An insertion of 18 basepairs between exons 3 and 4, presumed to be due to alternative splicing of a mini-exon, gives rise to six amino acid residues not found in the non-neuronal (termed flbroblastic) form of pp60\(^{c-src}\). Wehave addressed the question of the evolutionary origin of the c-src neuronal insert · and its functional signiflcance regarding neural-speciflc expression of the c-src gene. To this end we have investigated whether the c-src gene of a lower verlebrate (the teleost fish Xiphophorus) gives rise to a neural-specific transcript in an analogous manner. We could show that the fish c-src gene does encode for a "fibroblastic" and a "neuronal" form of transcript and that the neuronal transcript does indeed arise by way of alternative splicing of a mini-exon. The miniexon is also 18 basepairs long and we could demoostrate directly that this exon lies within the intron separating exons 3 and 4. For comparative purposes we have examined whether the fish c-yes gene, the member of the src gene family most closely related to c-src, also encodes a neural tissue-specific transcript. No evidence for a second transcript form in brain was obtained. This result suggests that the mini-exon arose within the c-src gene lineage sometime between the srclyes gene duplication event and the divergence of the evolutionary lineage giving rise to the teleost fish. Published genomic sequence of src-related genes in Drosophila and our own results with Hydra demoostrate no intron in these species at the analogous location, consistent with first appearance of this mini-exon sometime between 550 and 400 million years ago.