The role of whole genome duplication in vertebrate adaptation

Naturen myldrer av variasjon, og premisset for dette mangfoldet er forskjeller i DNAet - den genetiske koden. Dersom vi ønsker å forstå hvordan nye tilpasninger og nye arter oppstår, må vi også forstå hvordan ny DNA-variasjon oppstår gjennom mutasjoner og hvordan disse nye kode-variantene gir opphav til nye funksjoner. En av de mest spektakulære måtene DNAet kan endres på er gjennom spontan duplisering av arvestoffet, også kalt genomduplikasjon. Hvert gen får en kopi av seg selv på et annet kromosom. En sentral hypotese innen evolusjonsbiologien er at genomduplikasjoner fører til rask evolusjon av nye tilpasninger. Ideen er intuitiv: når ett gen blir til to, kan den ene kopien beholde den opprinnelige funksjonen, mens den andre kopien fritt kan endre funksjon, og bidra til nye tilpasninger. Denne hypotesen skal vi utforske i REWIRED prosjektet. Prosjektet bruker laksefiskene og deres genomduplikasjon fra 100 millioner år tilbake som modellsystem. Ved hjelp av nye statistiske metoder og bioinformatikk rekonstruerer vi evolusjon av genregulering i dupliserte gener og identifiserer hvile faktorer som påvirker genreguleringsevolusjon (for eksempel hvilket vev gener er uttrykt i og hva slags funksjon genene har). I siste del av prosjektet er vi nå i gang med å validere resultater fra databeregningene ved å utføre molekylærbiologiske eksperimenter i cellekulturer fra laksevev. Dette blir gjort med storskala reporter-assays som målte enhancer-funksjonaliteten til >4 millioner DNA sekvenser. Til sammen har resultatene fra dette prosjektet gitt ny forståelse om hvordan den mest ekstreme formen for DNA mutasjoner - genomduplikasjoner - er med på å legge til rette for evolusjon av nye egenskaper og tilpasninger.

The project has been important for the internationalization of the NMBU research group and expansion of the international network. This is exemplified by invitations to contribute to book chapters from leading researchers in the field and several invited talks on the project topic.

Genome evolution - changes in genome size, structure, and function over time - is among the most fundamental process shaping earths biodiversity. Understanding the drivers of genome evolution is therefore a key goal in evolutionary biology. One of the most dramatic genome evolution events is whole genome duplication (WGD). Intriguingly, WGD have played a crucial role in evolution of vertebrates. The complete functional redundancy following WGD has been hypothesized to catalyze evolution of novel adaptations, yet this is still hotly debated. The core of this debate boils down to the relative importance of adaptive versus neutral variation. A decade of research on vertebrate genomes, including our own work on salmonids, has revealed that accelerated evolution in one duplicate copy is a hallmark of genome evolution following WGDs. But does this increased rate of seemingly novel gene functions functional reflect the rise of novel adaptations - or simply loss of purifying selection due to redundancy (i.e. neutral evolution)? REWIRED will address this longstanding and fundamental crux in evolutionary biology by taking advantage of salmonid fish as an emerging and powerful study system. We will apply recently developed computational methods to new extensive functional genomics datasets. This will enable us to overcome existing methodological limitations and distinguish between adaptive and neutral divergence. Finally, we will use bold and innovative experimental approaches, combining state-of-the-art gene editing with detailed molecular phenotyping of in vitro tissue function. This allows us to move beyond statistical signals, linking novel adaptive gene regulation - "REWIRING" - with biological function. The project is expected to bring our knowledge of how WGDs have impacted shape vertebrate genome evolution from a descriptive- towards a mechanistic and functional understanding, and thus make significant impact to the field of genome- and evolutionary biology.