Discovery and functional analysis of novel candidate genes and variants underlying craniofacial diversification in Cyprinodon pupfishes

鲤鱼颅面多样化的新候选基因和变异的发现和功能分析

基本信息

项目摘要

Project Summary: Craniofacial abnormalities are the most common form of human birth defects, but their molecular basis remains poorly understood. Highly conserved craniofacial developmental pathways shared across diverse vertebrate species have been shaped by adaptive evolution to produce a tremendous diversity of adaptive craniofacial phenotypes. Fundamental investigation of the genetic basis of these phenotypes will lead to better diagnosis, prevention, and treatment of human birth defects. Indeed, complementary or new information on the genetic basis of many human pathologies in model systems is often obtainable from naturally occurring systems that display analogous divergent phenotypes. These natural systems are now feasible for genomic and transgenic approaches and provide an opportunity for ‘evolutionary’ forward genetics. Here I propose to leverage my lab’s extensive experience developing a new vertebrate system from the ground up: highly divergent craniofacial morphology in Caribbean pupfishes. Our preliminary genome-wide divergence scans and association mapping have identified both well-known craniofacial candidate genes and ten new candidate genes associated with jaw length variation. Divergent genomic regions are often restricted to a single gene with only one or a few candidate variants in upstream regulatory or intronic regions. Our preliminary quantitative trait locus mapping also indicates that some of these regions explain up to 15% of jaw length variation in lab-reared F2 intercrosses. Thus, I hypothesize that fixed mutations in these species control spatiotemporal expression of both known and novel craniofacial genes underlying highly divergent craniofacial features in pupfishes. I propose to investigate the genetic basis of novel adaptive phenotypes in this non-model system using a combination of population genomics, de novo genome assembly, quantitative genetics, transcriptomics, in situ hybridization, and CRISPR-Cas9 genome editing. Our initial success in Caribbean pupfishes demonstrates the power of our approach and potential for expansion. Pupfish exhibit novel craniofacial traits; ongoing gene flow and strong selection provide an ideal natural ‘experiment’ for fine-mapping candidate variants associated with these traits. We are also pioneering in situ hybridization and CRISPR-Cas9 approaches in pupfishes. By integrating candidate gene and variant discovery in a natural system exhibiting diverse craniofacial features with powerful functional assays, the proposed research will demonstrate the feasibility and power of new non-model systems to gain novel insights into the developmental genetics of human diseases. 1
项目概要: 颅面畸形是人类出生缺陷最常见的形式,但其分子缺陷 高度保守的颅面发育途径的基础仍然知之甚少。 不同脊椎动物物种之间共享的基因已通过适应性进化而形成,从而产生了 适应性颅面表型的巨大多样性。 这些表型的遗传基础将有助于更好地诊断、预防和治疗 事实上,许多遗传基础上的补充或新信息。 模型系统中的人类病理通常可以从自然发生的系统中获得 这些自然系统现在对于基因组来说是可行的。 和转基因方法,并为“进化”正向遗传学提供机会。 在这里,我建议利用我的实验室开发新脊椎动物的丰富经验 从头开始的系统:加勒比海鱼的颅面形态高度分化。 我们初步的全基因组分歧扫描和关联图谱已经识别出两者 著名的颅面候选基因和十个与下颌相关的新候选基因 不同的基因组区域通常仅限于只有一个基因。 或我们初步的上游监管或内含子区域的一些候选变体。 数量性状基因座作图还表明,其中一些区域解释了高达 15% 的 实验室饲养的 F2 杂交中下颌长度的变化因此,我捕获了固定突变。 这些物种控制已知和新的颅面的时空表达 我建议研究河豚鱼颅面特征高度分化的基因。 使用非模型系统研究新的适应性表型的遗传基础 群体基因组学、从头基因组组装、定量遗传学的组合, 转录组学、原位杂交和 CRISPR-Cas9 基因组编辑。 我们在加勒比海鲳鱼中的初步成功证明了我们方法的力量和 鳉鱼表现出新颖的颅面特征和强大的基因流动; 选择为精细映射相关候选变体提供了理想的自然“实验” 凭借这些特征,我们还在原位杂交和 CRISPR-Cas9 方法方面处于领先地位。 通过将候选基因和变异发现整合到自然系统中 多样化的颅面特征和强大的功能分析,拟议的研究将 展示新的非模型系统的可行性和力量,以获得对 人类疾病的发育遗传学。 1

项目成果

期刊论文数量(25)
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专利数量(0)
Corrigendum to: Hydrodynamic simulations of the performance landscape for suction-feeding fishes reveal multiple peaks for different prey types.
勘误表:吸食性鱼类性能景观的水动力模拟揭示了不同猎物类型的多个峰值。
  • DOI:
    10.1093/icb/icaa122
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
  • 影响因子:
    2.6
  • 作者:
    Olsson,KarinH;Martin,ChristopherH;Holzman,Roi
  • 通讯作者:
    Holzman,Roi
Jaw size variation is associated with a novel craniofacial function for galanin receptor 2 in an adaptive radiation of pupfishes.
下颌尺寸的变化与甘丙肽受体 2 在河豚鱼适应性辐射中的一种新的颅面功能有关。
  • DOI:
    10.1101/2023.06.02.543513
  • 发表时间:
    2023
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Palominos,MFernanda;Muhl,Vanessa;Richards,EmilieJ;Miller,CraigT;Martin,ChristopherH
  • 通讯作者:
    Martin,ChristopherH
The behavioral origins of novelty: did increased aggression lead to scale-eating in pupfishes?
新奇的行为起源:攻击性的增加是否会导致鳉鱼吃鳞?
  • DOI:
    10.1093/beheco/ary196
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
  • 影响因子:
    2.4
  • 作者:
    St. John, Michelle E;McGirr, Joseph A;Martin, Christopher H
  • 通讯作者:
    Martin, Christopher H
Hydrodynamic Simulations of the Performance Landscape for Suction-Feeding Fishes Reveal Multiple Peaks for Different Prey Types
吸食性鱼类性能景观的水动力模拟揭示了不同猎物类型的多个峰值
  • DOI:
    10.1093/icb/icaa021
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
  • 影响因子:
    2.6
  • 作者:
    Karin H Olsson, Christopher H
  • 通讯作者:
    Karin H Olsson, Christopher H
Rapid adaptive evolution of scale-eating kinematics to a novel ecological niche
吃鳞运动学的快速适应性进化到新的生态位
  • DOI:
    10.1242/jeb.217570
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    St. John, Michelle E.;Holzman, Roi;Martin, Christopher H.
  • 通讯作者:
    Martin, Christopher H.
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