Endurtekin mynstur þróunar höfuðbeina bleikju - erfðir og þroskunarfræðileg gangvirki - verkefnislok

31.1.2014

Samfara geysihröðum tækniframförum í sameindalíffræði, erfðatækni og í meðhöndlun viðamikilla erfðafræðilegra gagna hafa opnast nýir möguleikar á að afla gagna um erfðamengi lífvera og tjáningu gena. Tjáning gena á fósturskeiði er afar áhugaverð sér í lagi vegna þess að mörg lykileinkenni koma fram snemma m.a. vistfræðilega mikilvæg einkenni er varða fæðuöflunarfæri og hreyfifæri.Frá sjónarhóli þróunarfræði er mjög mikilvægt að öðlast skilning á því hvort og þá hvernig breytileiki í byggingu eða virkni tiltekinna þroskunargena kemur fram í svipfari (byggingu líkamshluta, lífeðlisfræði eða atferli) og hvernig náttúrulegt val og aðrir þróunarkraftar geta verkað á slík gen.

Heiti verkefnis: Endurtekin mynstur þróunar höfuðbeina bleikju - erfðir og þroskunarfræðileg gangvirki
Verkefnisstjóri: Sigurður S. Snorrason, Líffræðistofnun Háskóla Íslands
Tegund styrks: Öndvegisstyrkur
Styrkár: 2010-2012
Fjárhæð styrks. 48,572 millj. kr. alls
Tilvísunarnúmer Rannís: 100204

Vistfræðilegar rannsóknir hafa sýnt að í íslenskum vötnum hafa stofnar bleikju þróast hratt frá lokum síðustu ísaldar og fram hefur komið óvanalega mikill breytileiki í stærð, útliti og lifnaðarháttum og algengt er að finna mismunandi afbrigði í sama vatninu. Eitt besta dæmið um slíkt eru bleikjuafbrigðin fjögur í Þingvallavatni. Það vekur athygli hversu stuttan tíma þetta hefur tekið og að iðulega virðist þróunin vera sambærileg í sambærilegum vistkerfum, t.d. er algengt að finna dvergvaxnar bleikjur í ferskvatnslindum eldvirka beltisins. Í rannsóknum okkar erum við að nýta okkur þau tækifæri sem felast í þessari stóru „náttúrulegri tilraun“ sem bleikjan á Íslandi hefur farið í gegnum til þess að leita svara við ýmsum grundvallarspurningum er tengjast tilurð og viðhald fjölbreytileika.

Öndvegisverkefnið snýst um að kanna að hve miklu leyti og hvernig má rekja náttúrulegan breytileika í höfuðbeinum og vöðvum mismunandi bleikjuafbrigða til mismunandi tjáningar gena snemma á þroskaferlinum. Með dýpri skilningi á þeim þroskunarferlum sem búa að baki ofangreinds breytileika vonumst við til að geta fundið og skilgreint kerfi þroskunargena sem eru í lykilhlutverki í þróun mismunandi afbrigða bleikjunnar.

Rannsóknir okkar byggja mikið á raðgreiningu svo kallaðs tjáningarmengis, en með því má í raun mæla tjáningu allra gena sem eru virk í sýni sem tekið er á tilteknum tímapunkti þroskaferils. Við höfum nú yfir að ráða tjáningarmengi fyrir fjögur þroskastig þriggja bleikjuafbrigða úr Þingvallavatni auk eldisbleikju frá bleikjukynbótastöðinni að Hólum í Hjaltadal. Í hverju sýni er um að ræða gríðarlegan fjölda virkra gena og því um afar viðamikil og verðmæt gögn að ræða. Fyrstu skimanir þessara gagna hafa leitt í ljós mikinn fjölda áhugaverðra gena sem eru breytilega tjáð m.t.t. afbrigða og þroskunarskeiða. Við erum nú að rannsaka nánar hlutverk valinna gena með það að markmiði að greina hvort og þá hvernig þau tengjast mismunandi þroskun sköpulags hjá bleikjuafbrigðunum.

Segja má að sú innsýn sem verkefnið hefur þegar veitt okkur opni margar leiðir til áframhaldandi rannsókna, m.a. rannsóknir sem miða að því að skilgreina stýrikerfi þroskunar mismunandi hluta fæðuöflunarfæra, nánar tiltekið; hvaða gen koma við sögu, hvað stjórnar staðbundinni virkni þeirra í fóstrum, hver áhrif þeirra eru á önnur gen. Þá munum við leggja mikla áherslu á að finna þann erfðabreytileika sem tengist tilteknum mismun á tjáningu en með slíka vitneskju að vopni má kortleggja breytileikan innan og milli stofna bleikju á landinu. Verkefnið hefur nú þegar getið af sér nokkrar umsóknir um frekari rannsóknir.

Að því marki sem verkefnið nær að opna okkur dyr að því gangvirki þroskunar sem getur skýrt fjölbreytileika í sköpulagi og stærð bleikju hefur það ótvírætt vísindalegt gildi. Þessir þættir tengjast

báðir lifnaðarháttum og möguleikum tegundarinnar í náttúrunni og í ræktun til manneldis. Á víðari grunni erum við að leggja til þekkingu er snertir spurningar er varða tilurð og viðhald fjölbreytileika í náttúrunni almennt. Þá má telja líklegt að þekking sú sem aflast um stjórn þroskunar í bleikjunni geti einnig gagnast í læknavísindum því margt er skylt með stýrikerfum þroskunar hjá hryggdýrum.

Verkefnið hefur auk ofangreindra gagna gefið af sér eftirfarandi afurðir: 

1) 2 útgefnar greinar í alþjóðlegum vísindaritum:

• Ahi E.P., Guðbrandsson J., Kapralova K.H., Franzdóttir S.R., Snorrason S.S., Maier V.H., Jónsson Z.O. (2013) Validation of reference genes for expression studies during craniofacial development in arctic charr, PLOS ONE, June 1013, 8(6), e66389, 11pp.
• Kapralova K.H., Guðbrandsson J., Reynisdottir S., Santos C.B., Baltanas V.C., Maier V.H., Snorrason S.S., Palsson A. Differentiation at the MHCIIα and Cath2 loci in sympatric Salvelinus alpinus resource morphs in Lake Thingvallavatn, PLOS ONE, 8(7),e69420, 16pp.

2) Nokkrar námsritgerðir BS. nema og erlendra skiptinema:

• Xin Zhao, Erasmus skiptinemi. Titill: Tail Development in Different Morphs of Arctic Charr, janúar. 2012 (http://hdl.handle.net/1946/12040 ).
• Sophie Steinhaeuser, Skiptinemi frá University of Bremen. Characterization of natterin-like genes in Arctic Charr (Salvelinus alpinus), juní 2013.
• Ragnar Óli Vilmundarson BS-nemi. Population genetics of developmental genes in arctic charr. 2011. (http://hdl.handle.net/1946/8581).
• Cristina Bajo Santos Erasmus skiptinemar. (A study of parasites and MHCIIα in Arctic charr(Salvelinus alpinus) 2011. (http://hdl.handle.net/1946/8801).
• Javier Negueruela Escudero, Erasmus skiptinemi. (Variation in the D-loop of Arctic Charr (Salvelinus alpinus) morphs from Lake Thingvallavatn) 2011. (http://hdl.handle.net/1946/8810).
• Vanessa Calvo Erasmus-skiptinemi.(Age distribution and MHC2 alfa variation in arctic charr from Lake Thingvallavatn) 2011 (http://hdl.handle.net/1946/10805).
• Vanessa Calvo Erasmus skiptinemi Study of variation in microRNA regions and early head development in Arctic charr (Salvelinus alpinus) 2012 (http://hdl.handle.net/1946/12519).
• Baldur Kristjánsson BS-nemi. Morphometric analysis of Icelandic charr in lake Þingvallavatn 2012 (http://hdl.handle.net/1946/11570).
• Jannika Neeb (Berlin) Sumarþjálfun Maí-Ágúst 2013. Aðstoðaði við svipgerðagreiningar og mælingar á genatjáningu.

3) Framlög á alþjóðlegum ráðstefnum og vinnufundum

• Ehsan Pashay Ahi, Jóhannes Guðbrandsson, Kalina H. Kapralova, Sigríður R. Franzdóttir, Sigurður S. Snorrason, Valerie H. Maier, Zophonías O. Jónsson, Gene expression study of craniofacial divergence in Arctic charr ecomorphs during embryonic development, 2013, 9th Ecology & Behaviour Meeting, Strassbourg, France, Poster presentation
• Kalina H. Kapralova, Sigrun Reynisdottir, Ragnar O. Vilmundarson, Cristina B. Santos, Johannes Gudbrandsson,Valerie Maier, Sigurdur S. Snorrason and Arnar Palsson, Genetic variation in mitochondrial and immunological genes between two resource morphs of Arctic  charr in Lake Thingvallavatn, XIIIth ESEB Congress - Tuebingen 20-25 August 2011, Poster presentation
• Kalina H. Kapralova. EMBO Practical Course: Analysis of Small Non-Coding RNAs: From Massively Parallel Sequencing to In-Situ Hybridization, from Discovery to Validation EMBL Heidelberg, Germany Saturday 21 April - Friday 27 April 2012, http://www.embl.de/training/events/2012/RNA12-01/programme/index.html
• Kalina H. Kapralova, Sigríður Rut Franzdóttir, Hákon Jónsson, Sigurður S. Snorrason, Zophonias O. Jonsson, miRNAs in development of Icelandic Arctic charr ectomorphs, New Model Systems for Linking Evolution and Ecology, EMBL, Heidelberg, May 1-4 2013, Oral presentation
• Sigurður S. Snorrason, Zophonias O. Jónsson and Jóhannes Guðbrandsson. Overview of the project “Genetic and developmental mechanisms underlying the rapid and repeated evolution of diverse cranial morphologies in arctic charr” given in two oral presentations (SSS and ZOJ) and a poster (JOG) at an international workshop on “patterns and processes of intraspecific divergence and their relevance to aquatic biological diversity” held at the University of StAndrews 25.-27. February 2013.
• Að auki hafa doktorsnemar, nýdoktorar og aðstandendur verkefnisins flutt marga fyrirlestra tengda verkefninu á innlendum ráðstefnum og málfundum. 

Auk ofangreinds skal nefna eftirfarandi afurðir:

1) Tilbúin handrit

• Kapralova K.H., Franzdóttir S.R., Jónsson H., Snorrason S.S., and Jónsson Z.O. Patterns of miRNA expression in Arctic charr development, var sent til PLOS ONE, 11.12. 2013

2) Nokkur handrit í lokavinnslu

• Ahi E.P. et al. Transcriptional dynamics of a conserved gene co-expression network associated with benthic-limnetic craniofacial divergence in Arctic charr. Verður sent til birtingar í janúar 2014.
• Guðbrandsson, J. et al. Genetic and expression divergence between small benthic and aquaculture arctic charr (Salvelinus alpinus) . Verður sent til birtingar í febrúar 2014.
• Kapralova, K.H. et al. Bones in motion: morphometrics of craniofacial development of Arctic charr sympatric morphs, Verður sent til birtingar í febrúar 2014. 

3) Doktorsgráður (áætluð lok)

• Kalina H. Kapralova (vormisseri 2014)
• Ehsan Pashay Ahi (haustmisseri 2014)
• Jóhannes Guðbrandsson (haustmisseri 2014