• search hit 1 of 1
Back to Result List

Unraveling evolution through Next Generation Sequencing

Entschlüsselung von Evolution durch Sequenzierung der nächsten Generation

  • The sequencing of the human genome in the early 2000s led to an increased interest in cheap and fast sequencing technologies. This interest culminated in the advent of next generation sequencing (NGS). A number of different NGS platforms have arisen since then all promising to do the same thing, i.e. produce large amounts of genetic information for relatively low costs compared to more traditional methods such as Sanger sequencing. The capabilities of NGS meant that researchers were no longer bound to species for which a lot of previous work had already been done (e.g. model organisms and humans) enabling a shift in research towards more novel and diverse species of interest. This capability has greatly benefitted many fields within the biological sciences, one of which being the field of evolutionary biology. Researchers have begun to move away from the study of laboratory model organisms to wild, natural populations and species which has greatly expanded our knowledge of evolution. NGS boasts a number of benefits over moreThe sequencing of the human genome in the early 2000s led to an increased interest in cheap and fast sequencing technologies. This interest culminated in the advent of next generation sequencing (NGS). A number of different NGS platforms have arisen since then all promising to do the same thing, i.e. produce large amounts of genetic information for relatively low costs compared to more traditional methods such as Sanger sequencing. The capabilities of NGS meant that researchers were no longer bound to species for which a lot of previous work had already been done (e.g. model organisms and humans) enabling a shift in research towards more novel and diverse species of interest. This capability has greatly benefitted many fields within the biological sciences, one of which being the field of evolutionary biology. Researchers have begun to move away from the study of laboratory model organisms to wild, natural populations and species which has greatly expanded our knowledge of evolution. NGS boasts a number of benefits over more traditional sequencing approaches. The main benefit comes from the capability to generate information for drastically more loci for a fraction of the cost. This is hugely beneficial to the study of wild animals as, even when large numbers of individuals are unobtainable, the amount of data produced still allows for accurate, reliable population and species level results from a small selection of individuals. The use of NGS to study species for which little to no previous research has been carried out on and the production of novel evolutionary information and reference datasets for the greater scientific community were the focuses of this thesis. Two studies in this thesis focused on producing novel mitochondrial genomes from shotgun sequencing data through iterative mapping, bypassing the need for a close relative to serve as a reference sequence. These mitochondrial genomes were then used to infer species level relationships through phylogenetic analyses. The first of these studies involved reconstructing a complete mitochondrial genome of the bat eared fox (Otocyon megalotis). Phylogenetic analyses of the mitochondrial genome confidently placed the bat eared fox as sister to the clade consisting of the raccoon dog and true foxes within the canidae family. The next study also involved reconstructing a mitochondrial genome but in this case from the extinct Macrauchenia of South America. As this study utilised ancient DNA, it involved a lot of parameter testing, quality controls and strict thresholds to obtain a near complete mitochondrial genome devoid of contamination known to plague ancient DNA studies. Phylogenetic analyses confidently placed Macrauchenia as sister to all living representatives of Perissodactyla with a divergence time of ~66 million years ago. The third and final study of this thesis involved de novo assemblies of both nuclear and mitochondrial genomes from brown and striped hyena and focussed on demographic, genetic diversity and population genomic analyses within the brown hyena. Previous studies of the brown hyena hinted at very low levels of genomic diversity and, perhaps due to this, were unable to find any notable population structure across its range. By incorporating a large number of genetic loci, in the form of complete nuclear genomes, population structure within the brown hyena was uncovered. On top of this, genomic diversity levels were compared to a number of other species. Results showed the brown hyena to have the lowest genomic diversity out of all species included in the study which was perhaps caused by a continuous and ongoing decline in effective population size that started about one million years ago and dramatically accelerated towards the end of the Pleistocene. The studies within this thesis show the power NGS sequencing has and its utility within evolutionary biology. The most notable capabilities outlined in this thesis involve the study of species for which no reference data is available and in the production of large amounts of data, providing evolutionary answers at the species and population level that data produced using more traditional techniques simply could not.show moreshow less
  • Die Sequenzierung des ersten menschlichen Genoms Anfang der 2000er Jahre förderte das Interesse an kostengünstigen und gleichzeitig schnelleren Sequenziertechniken. Dieses Interesse erreichte seinen derzeitigen Höhepunkt in der Einführung des sogenannten Next Generation Sequencings (NGS). Seitdem wurden zahlreiche NGS-Plattformen entwickelt, die alle dem gleichen Prinzip folgen, nämlich das Erzeugen großer Mengen genetischer Information zu relativ geringen Preisen verglichen mit herkömmlichen Methoden wie der Sanger-Sequenzierung. Die neue Leistungsfähigkeit von NGS bedeutete, dass Forscher nicht mehr länger an Organismen gebunden waren an denen bereits seit Jahren geforscht wurde (bspw. Modellorganismen oder der Mensch), sondern ermöglichte eine Verschiebung in Richtung neuerer und unterschiedlicher Arten von Interesse. Dieses Potential hat viele Wissenschaftsfelder positiv beeinflusst innerhalb der Biowissenschaften, u.a. das Feld der Evolutionsbiologie. Forscher haben angefangen sich zunehmend von Modellorganismen in LaboratorienDie Sequenzierung des ersten menschlichen Genoms Anfang der 2000er Jahre förderte das Interesse an kostengünstigen und gleichzeitig schnelleren Sequenziertechniken. Dieses Interesse erreichte seinen derzeitigen Höhepunkt in der Einführung des sogenannten Next Generation Sequencings (NGS). Seitdem wurden zahlreiche NGS-Plattformen entwickelt, die alle dem gleichen Prinzip folgen, nämlich das Erzeugen großer Mengen genetischer Information zu relativ geringen Preisen verglichen mit herkömmlichen Methoden wie der Sanger-Sequenzierung. Die neue Leistungsfähigkeit von NGS bedeutete, dass Forscher nicht mehr länger an Organismen gebunden waren an denen bereits seit Jahren geforscht wurde (bspw. Modellorganismen oder der Mensch), sondern ermöglichte eine Verschiebung in Richtung neuerer und unterschiedlicher Arten von Interesse. Dieses Potential hat viele Wissenschaftsfelder positiv beeinflusst innerhalb der Biowissenschaften, u.a. das Feld der Evolutionsbiologie. Forscher haben angefangen sich zunehmend von Modellorganismen in Laboratorien wegzubewegen hinzu wildlebenden, natürlich vorkommenden Populationen und Arten, was unser Verständnis von Evolution maßgeblich erweitert hat. NGS hat mehrere Vorteile aufzuweisen gegenüber den herkömmlichen Sequenziermethoden. Der wohl größte Vorteil ist die Gewinnung genetischer Daten für mehrere Genorte (Loci) gleichzeitig zu einem Bruchteil der bisherigen Kosten. Das ist besonders nützlich für die Untersuchung wildlebender Tiere da, selbst wenn nicht ausreichend viele Individuen vorliegen, die gewonnene Menge an Daten genaue und verlässliche Ergebnisse auf Populations- sowie Artebene für eine kleine Auswahl an Individuen liefert. Die Verwendung von NGS zur Untersuchung von Arten, für die bisher wenig oder gar keine vorherigen Forschungsergebnisse vorliegen sowie die Gewinnung neuartiger Informationen im Bereich Evolution ebenso wie die Erstellung eines Referenzdatensatzes, der der wissenschaftlichen Gemeinschaft zur Verfügung gestellt werden kann, waren der Fokus dieser Arbeit. Zwei Studien in dieser Arbeit setzten ihren Fokus in der Gewinnung noch nicht publizierter, mitochondrialer Genome, die mittels iterative mapping erstellt wurden und so das Vorhandensein einer Referenzsequenz eines nahen Verwandten der untersuchten Art unnötig machten. In beiden Fällen wurden Shotgun Sequenzierungsdaten verwendet. Die so gewonnenen mitochondrialen Genome wurden dann genutzt, um innerartliche Verwandtschaftsverhältnisse mit hilfe von phylogenetischen Analysen zu klären. Die erste Studie befasste sich mit der Rekonstruktion des kompletten mitochondrialen Genoms des Löffelhundes (Otocyon megalotis). Die phylogenetische Analyse des mitochondrialen Genoms positionierten den Löffelhund sicher als Schwestergruppe der Klade bestehend aus Marderhund und echten Füchsen innerhalb der Familie Canidae. Die zweite Studie hat sich ebenfalls mit der Rekonstruktion eines mitochondrialen Genoms auseinandergesetzt, diesmal von einer bereits ausgestorbenen Art Südamerikas, dem Macrauchenia. Da diese Studie auf sehr alter DNA (ancient DNA) basiert, schließt sie viele Parametertests, Qualitätskontrollen sowie strenge Filterkriterien ein um ein fast vollständiges mitochondriales Genom erhalten zu können, frei von den für ancient DNA typischen Kontaminationen. Phylogenetische Analysen positionieren Macrauchenia als Schwestergruppe zu allen anderen lebenden Vertretern der Perissodactyla mit einer Abspaltung vor ~66 Millionen Jahren. Die dritte und letzte Studie dieser Arbeit beinhaltet die de novo Konstruktionen von nukleären und mitochondrialen Genomen der Schabracken- und Streifenhyäne mit Fokus auf demographische, genetische Diversität sowie Populationsgenomische Analysen innerhalb der Schabrackenhyänen. Vorausgehende Studien an der Schabrackenhyäne gaben Hinweise für einen geringen Grad an genomischer Diversität und, waren vielleicht deshalb, bisher nicht in der Lage eine nennenswerte Populationsstruktur der Schabrackenhyäne aufzudecken. Zusätzlich wurde die genomische Diversität mit der von einer Reihe anderer Arten verglichen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Schabrackenhyäne die niedrigste genomische Diversität aufweist im Vergleich zu den in dieser Studie verwendeten Arten, was vielleicht mit einem kontinuierlichen und fortschreitenden Rückgang der effektiven Populationsgröße dieser Spezies zu erklären ist, der vor ca. einer Million Jahre eingesetzt hat und dramatisch zugenommen hat zum Ende des Pleistozän. Die Studien dieser Arbeit zeigen das Potential von NGS Sequenzierung und ihren Nutzen innerhalb der Evolutionsbiologie. Die nennenswertesten Anwendungen von NGS, die in dieser Arbeit hervorgehoben wurden, sind zum Einen der Nutzen für Organismen bzw. Arten für die es keine verfügbaren Referenzdaten gibt sowie zum Anderen die Gewinnung von großen Datenmengen, die die Grundlage bilden zur Beantwortung evolutionsbiologischer Fragestellungen auf Art- und Populationsebene, was vorhergegangene, traditionelle Methoden bisher nicht leisten konnten.show moreshow less

Download full text files

Export metadata

Metadaten
Author:Michael V. WestburyORCiDGND
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus4-409981
Advisor:Michael Hofreiter
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of first Publication:2018
Year of Completion:2018
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2018/04/13
Release Date:2018/05/16
Tag:Evolution; Hyäne; Sequenzierung der nächsten Generation
Evolution; Hyena; Next generation sequencing
Pagenumber:129
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Biochemie und Biologie
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 57 Biowissenschaften; Biologie / 570 Biowissenschaften; Biologie
Licence (German):License LogoKeine Nutzungslizenz vergeben - es gilt das deutsche Urheberrecht