Clusteranalyse und Phylogenomik eukaryotischer Gene prokaryotischen Ursprungs

Abstract

In dieser Arbeit wurde die Entstehung der primaren Plastiden in den Algen und Pflanzen aus Cyanobakterien und der sekundaren Plastide in den Chromalveolaten aus einer Grun- oder Rotalge mittels Endosymbiose mithilfe einer vergleichenden Genomanalyse naher untersucht. Zu diesem Zweck wurden 2.825.466 kernkodierte Proteine aus 710 vollstandig sequenzierten Genomen hinsichtlich ihrer Sequenzahnlichkeit und ihrer phylogenetischen Geschichte untersucht. Im Vordergrund standen die Fragen, den nachsten Verwandten der Plastiden unter den rezenten Cyanobakterien zu identifizieren, und eine Schatzung zu dem Anteil der cyanobakteriellen Gene in den Kerngenomen von sieben Algen und Pflanzen durchzufuhren. Auserdem sollten zehn vollstandig sequenzierte Chromalveolatengenome auf die Frage hin uberpruft werden, ob das Verhaltnis der Gene, die durch endosymbiontischen Gentransfer aus einer Grunalge oder einer Rotalge in das Genom gelangt sein konnten, eher fur eine Rot- oder eine Grunalge als sekundaren Endosymbionten spricht. Um die Sequenzen in moglichst naturliche Gruppen gemas ihren Ahnlichkeiten einteilen zu konnen, wurden globale Identitaten von 162 Millionen bidirektionalen besten BLAST-Treffer mithilfe des Programms needle berechnet, und dann verwendet, um hierarchische Clusterings nach dem Markov-Cluster-Algorithmus (mcl) mit einem Inflationsparameter von 2,0 und globalen Identitatsschwellenwerten von 0 % bis 70 % durchzufuhren. Aus den 176.758 erstellten Clustern wurden von denjenigen, die mehr als drei Sequenzen enthielten (90.354), multiple Alignments mit dem Programm MUSCLE berechnet. Von jedem dieser Alignments wurde ein neighbor-joining-Baum basierend auf dem JTT-Modell erstellt und fur jede Sequenz der Algen und Pflanzen und der Chromalveolaten die kleinste monophyletische Gruppe bestimmt. Unter diesen Proteinen wurden im Fall der Algen und Pflanzen diejenigen identifiziert, die in den berechneten Baumen in einer monophyletischen Gruppe mit Cyanobakterien vorkamen. Dies ist ein Hinweis auf einen potenziellen cyanobakteriellen Ursprung dieses Proteins. Fur die Proteine der Chromalveolaten wurden diejenigen Proteine bestimmt, die sich in einer monophyletischen Gruppe mit Proteinen der Grunalgen, Rotalge oder Pflanzen befanden, um so eine Aussage uber verschiedene Hypothesen zu der Entstehung der sekundaren Plastide in dieser Gruppe treffen zu konnen. Der Prozentsatz aller identifizierten transferierten Gene in den verschiedenen Algen und Pflanzen lag in der konservativsten Schatzung zwischen 7 % und 8 % in den drei Pflanzen und zwischen 10 % und 11 % in den Grunalgen und der Rotalge bezogen auf alle Baume, in denen ein Protein einer Pflanze oder Alge vorkam. In den Baumen, in denen sowohl Proteine der Algen und Pflanzen als auch der Cyanobakterien vorkamen, lagen die Werte zwischen 38 % und 44 %. Bei der Analyse der Haufigkeit des Auftretens der Cyanobakterien als nachster Nachbar, wurden insbesondere die Stickstoff fixierenden Cyanobakterien aller Gruppen gefunden. Insbesondere waren die Proteine von Acaryochloris marina und der Nostocales am haufigsten in einer monophyletischen Gruppe mit Proteinen der Algen und Pflanzen zu finden. Durch die Analyse der Proteine der Chromalveolaten konnten Berichte zu hohen Anteilen an “grunen” Proteinen fur die photosynthetischen Bacillariophyta (550, 506) und die Oomyceten (386, 367, 381) bestatigt werden. Die Ciliophora, die keine sekundare Plastide besitzen, zeigten um die Halfte weniger (210, 121) und die parasitischen Apicomplexa sehr wenige (41, 52, 45) “grune” Proteine. Demgegenuber stehen 425 und 324 “rote” Gene in den Bacillariophyta, 285, 299 und 209 Gene in den Oomyceten, 153 und 123 in den Ciliophora und 123, 120, 121 in den Apicomplexa. Diese Gruppe war die Einzige, die einen hoheren Anteil an “roten” als an “grunen” Proteinen aufwies. Trotz der vielen “grunen” Proteine ist die Hypothese, dass die photosynthetischen oder vormals photosynthetischen Chromalveolaten aufgrund ihrer Fahigkeit zur Photosynthese und aufgrund des sehr kleinen Rotalgengenoms viele “grune” Proteine haben, der Hypothese einer zweiten Endosymbiose mit einer Grunalge vorzuziehen. Die Monophylie der Chromalveolaten konnte nicht bestatigt - aber auch nicht vollstandig abgelehnt -werden, da viele Gruppen entweder durch die Pflanzen und Algen oder die Pilze und Tiere gestort werden. Dies spiegelt die stark unterschiedlichen Lebensweisen der Chromalveolaten wider.