Whole-genome analysis of the house mouse hybrid zone

• Thesis title in Czech: Genomová analýza hybridní zóny myší domácích
• Thesis title in English: Whole-genome analysis of the house mouse hybrid zone
• Key words: myš, hybridní zóna, genom, klina, selekce
• English key words: house mouse, hybrid zone, selection, genome
• Academic year of topic announcement: 2010/2011
• Thesis type: dissertation
• Thesis language: angličtina
• Department: Department of Zoology (31-170)
• Supervisor: doc. Mgr. Pavel Munclinger, Ph.D.
• Author: hidden - assigned by the advisor
• Date of registration: 18.10.2010
• Date of assignment: 18.10.2010
• Date and time of defence: 28.01.2016 13:00
• Date of electronic submission: 25.06.2015
• Date of proceeded defence: 28.01.2016
• Opponents: RNDr. Lukáš Choleva, Ph.D.

Preliminary scope of work

Hybridní zóny poskytují cennou příležitost ke studiu procesu speciace v reálném čase.
Dochází zde k porušení genových interakcí a následnému vzniku reprodukční izolace
v důsledku kontaktu předem netestovaných kombinací genů pocházejících z divergujících
populací. Dva druhy myší (Mus musculus musculus/Mus musculus domesticus) tvoří napříč
střední Evropou úzkou zónu sekundárního kontaktu, která, jak se předpokládá, je udržována
prostřednictvím rovnováhy mezi selekcí hybridů se sníženým fitness a disperzí jedinců.
V průběhu mého PhD studia jsem spolu s mými kolegy používal set asi 1400 SNP markerů
ke studiu celogenomové introgrese napříč dvěma/třema transekty v hybridní zóně myši
domácí. Naším cílem bylo identifikovat genomové oblasti obsahujících geny potenciálně
způsobující reprodukční izolaci mezi dvěma poddruhy myši domácí, charakterizovat jejich
rozložení v myším genomu a charakterizovat vlastnosti genomu typické pro tyto regiony. Náš
výzkum potvrdil na celogenomové škále významnost chromozomu X při evoluci reprodukční
izolace. Tento chromozom vykazoval introgresi odpovídající silné negativní epistázy a tato
introgrese byla konzistentní mezi oběma studovanými transekty, což poukazuje na společný
genetický základ reprodukční izolace mezi rozdílnými oběma transekty. Na rozdíl od
chromozomu X vykazovaly autozomy mnohem menší podíl markerů s negativní epistází a
pouze malý překryv mezi transekty. V proximální části chromozomu 11 jsme se zameřili na
oblast vykazující negativní epistázy v obou studovaných transektech, kde jsme identifikovali
gen 1700093K21Rik jako kandidátní speciační gen. Dále jsme znovu analyzovali data ve
třech transektech ve snaze identifikovat genomické oblasti s vysokou a nízkou introgresí a
charakterizovat genomické vlastnosti asociované s těmito oblastmi. Cílem bylo objasnit
význam různých evolučních procesů v evoluci reprodukční izolace u myši domácí. Oblasti
s nízkou introgresí vykazovaly vyšší genomovou diferenciaci a nízkou míru rekombinace.
Tyto oblasti také obsahovaly s větší pravděpodobností geny hrající roli uvnitř buňky. Oblasti
s vysokou mírou introgrese vykazovaly naopak nižší míru genomové diferenciace a vyšší
míru rekombinace a také vyšší prevalenci genů plnící úlohu na buněčné periferii. Na základě
našich výsledků se domníváme, že funkční organizace genomu by mohla být důležitým
činitelem při druhové divergenci a při evoluci reprodukční izolace.

Preliminary scope of work in English

Hybrid zones provide a valuable opportunity to study the process of speciation in real time.
Untested combinations of genes from diverging populations come to the contact here causing
a breakdown of genetic interactions and giving rise to reproductive isolation. Two house
mouse subspecies (Mus musculus musculus/Mus musculus domesticus) form a narrow zone of
secondary contact across Central Europe which is thought to be maintained by a balance
between selection against unfit hybrids and dispersion of individuals. During my PhD study
my collaborators and I used an array of ~ 1400 SNP markers to study patterns of
introgression on a genome-wide scale across two/three house mouse hybrid zone transects.
Our aim was to identify the genomic regions putatively harboring genes which are involved
in the reproductive isolation between the two subspecies, characterize their distribution in
mouse genome and assess genomic features associated with them. We were able to confirm
on a genome-wide scale the importance of the X chromosome in the evolution of
reproductive isolation. This chromosome exhibited introgression corresponding to strong
negative epistasis and the patterns were consistent between transects pointing out to a
common basis of reproductive isolation playing a role in two transects. Contrary to the X
chromosome, autosomes exhibited a much lower extent of markers under the epistasis, with a
small overlap between transects. Focusing on the specific autosomal region in the proximal
part of chromosome 11, which exhibited negative epistasis in both transects, we were able to
identify a particular gene, 1700093K21Rik, as a good candidate for the speciation gene. We
further re-analyzed data of three transects to identify genomic regions of high and low
introgression and characterized genomic features associated with these regions in order to
elucidate the role different processes play in the evolution of reproductive isolation in the
house mouse. We found that genomic regions of low introgression exhibited a higher
genomic differentiation and a low rate of recombination. These regions are also more likely
to accommodate genes acting in the interior of a cell. On the contrary, genomic regions of
high introgression exhibited lower genomic differentiation, a higher rate of recombination
and a higher prevalence of genes acting at cell periphery. We hypothesize that the functional
organization of genome is an important driver of species divergence and in the evolution of
reproductive isolation.