Sequencing af genomet af kanal havkat tilladt os at finde de nødvendige gener til dannelse af skalaer • Tatyana Romanovskaya • Videnskabsnyheder om "Elements" • Genetik, Evolution, Iktyologi

Sekventering af genomet af kanal havkat fik os til at finde de gener, der var nødvendige for dannelsen af ​​skalaer

Fig. 1. Fiskarter, der er involveret i undersøgelsen: En – kanal havkat (Icalurus punctatus), udsigten fra den "blotte" hud (ingen skalaer) B – almindelig karpe (Cyprinus carpio), har typiske fiskeskalaer, den og D – henholdsvis leopard (Pastegoplichthys pardalis) og spiny eller stribet havkat (Platydoras armatulus) – to typer havkat, "klædt" i den anden erhvervede rustning i form af knogleskærme. Billede fra scotcat.com, lessonpaths.com, en.wikipedia.org og aqvafish.ru

Et team af amerikanske forskere meddelte den fuldstændige sekventering af genomet af kanal havkat. Somobodkampen skelnes fra andre benfisker ved fravær af ægte skalaer. den På samme tid blev der observeret gentagne begivenheder ved sekundær opkøb af knogleplader under udskiftning af disse ordrer under den divergerende udvikling af denne rækkefølge. Spørgsmålet om evolutionært fikserede molekylære genetiske faktorer, der bestemmer tilstedeværelsen eller fraværet af skalaer, er meget interessant, især da repræsentanter for flere andre fiskegrupper selvstændigt har mistet skalaerne. Forskere sammenlignede kanalstener med gener fra andre arter, der har eller ikke har skalaer. Derudover blev de gener, der er involveret i regenerering af skalaer i almindelig karpe, undersøgt.Som resultat heraf viste det sig, at dannelsen af ​​skalaer i knogler kræver deltagelse af nogle gener af SCPP familien, der tidligere var kendt for at være involveret i mineralisering af knogler og tænder hos hvirveldyr.

I dag er det velkendt, at mange nye gener opstår ved successive begivenheder med overlapning af forgængergener (og der kan ikke være en, men mange sådanne begivenheder) og den efterfølgende uafhængige udvikling af hver af eksemplerne. I løbet af denne udvikling erhverver gener enten helt nye funktioner (en sådan vej hedder neofunctionalization) eller forbedrer funktioner, der til en vis grad udføres af det oprindelige stamfund, mens de samtidig nægter at udføre andre originale funktioner (denne sti kaldes subfunctionalization). Som et resultat dannes en gruppe gener med åbenbart beslægtet slægtskab i fylogenetisk analyse, som hedder generens familie.

Et godt eksempel er SCPP-genfamilien (fra det engelske sekretoriske calciumbindende phosphoprotein-sekretoriske calciumbindende phosphoprotein), hvis evolutionære historie er tæt sammenvævet med udviklingen af ​​hvirveldyr.Det tidligste arbejde på denne generations evolutionshistorie blev offentliggjort i 2002 (se K. Kawasaki, K. M. Weiss, 2002. Den sekretoriske kalciumbindende phosphoprotein-genklynge). Et fælles stamfældament af denne familie anses for at være SPARC-genet (et udskilt surt protein, der er rigt på cystein), hvilket selvfølgelig allerede var til stede i genomet af den sidste fælles forfader for multicellulære. Dens homolog er fundet i genomerne af både sekundære og primære, og endda i udstikkende. Proteinerne kodet af dette gen og dets tidlige kopierede kopier udskilles af celler ind i det ekstracellulære rum, hvor de virker som chaperoner, der understøtter den korrekte konformation af collagenmolekyler. Yderligere duplikationer, der opstod under udviklingen af ​​hvirveldyr, førte til fremkomsten af ​​en ret omfattende familie af SCPP-proteiner, hvis medlemmer er forenet af to fælles egenskaber: alle er for det første i stand til effektivt at binde og bibeholde calcium og for det andet udskilles i det ekstracellulære miljø. Dette bestemmer deres vigtigste erhverv – levering af vævsmineralisering. I det humane genom er 23 gener af denne familie, et rekordnummer på 35, fundet i genomet af en pansret gedde (figur 2).

Fig. 2. De fuldstændige sammensætninger af SCPP-genfamilien og deres placering på kromosomerne af fire repræsentanter for hvirveldyr. Figur fra artikel I. Braasch et al., 2016. Det plettet gærgenombelyser udviklingen af ​​hvirveldyr og letter menneskelige til teleost sammenligninger

Divergerende udvikling har specialiserede medlemmer af SCPP-genfamilien til at udføre en række vigtige funktioner: de er involveret i dannelse af brusk og knoglevæv, dentin og tandemalje hos alle hvirveldyr, æggeskall i fugle og er også til stede i udskillelser af spytkirtler og brystkirtler hos pattedyr. Et af de velkendte mælkeproteiner i SCPP-familien er især kasein, som skyldes, at mælk er mættet med calcium, hvilket er nødvendigt for, at den unge kalv dyrker knogler og tænder. Købet af en ny funktion ("profession") og et nyt ekspressionsområde ("arbejdsplads") formidles ikke kun af akkumulering af punktmutationer i kodende og regulerende dele af duplikerede gener, men også ved udveksling af dele med helt forskellige gener fra andre familier. I nogle duplikerede gener overlapper funktionerne i nogen grad, hvilket helt forventes, da de er fælles. Denne omstændighed skaber "redundans", som tjener som en af ​​mekanismerne for levende organismers støjimmunitet.

Der er et andet interessant punkt, tilsyneladende også ret karakteristisk generelt for udviklingen af ​​genfamilier. De forskellige grene af den fylogenetiske træ eller at duplikerede kopier af gener i SCPP familien gik tabt, og samtidig var der en parallel fremkomsten af ​​nye dobbeltarbejde, ofte nye kopier overtog de funktioner, der blev gennemført før de andre, mistede gener. Dette førte til, at forskellige medlemmer af dyreriget af udviklingen og driften af ​​homolog (ens oprindelse, opbygning og funktioner) stoffer tilvejebringe forskellige sæt af gener (S. Bertrand, 2013. En dynamisk historie af genduplikationer og tab karakteriserer udviklingen af ​​SPARC familie i eumetazoans).

Den evolutionære historie SCPP familien (fig. 3) øge antallet af gener opstod som de ved tandem (intrakromosomal) dobbeltarbejde og fordi episoder genom-gentagelser ledsager udviklingen af ​​akkord (se. Genome Amphioxus hjalp afsløre hemmeligheden evolutionær succes hvirveldyr, "elementer", 23,06. 2008).

Fig. 3. Den evolutionære historie af SCPP-genfamilien. Denne illustration viser kun den første tandem-duplikation, der forekom i en fælles forfader for multicellulære dyr, men viser ikke de efterfølgende tandem-duplikationer,hvorved der i de forskellige grene af hvirveldyr fylogenetisk træ forlængelse forekom SCPP familie gener. Illustration af artiklen S. Bertrand et al., 2013. En dynamisk historie af genduplikationer og tab karakteriserer udviklingen af ​​SPARC familien i eumetazoans

En ny undersøgelse har fundet en anden faglige område, udvikling af repræsentanter for SCPP familie gener – nemlig dannelsen af ​​skæl i benfisk (Figur 1.). Fokus for forskningen viste sig en af ​​de arter af fisk, hvis vægt er bare fraværende – kanal havkat (Icalurus punctatus). Denne form for fiskeri er udbredt i amerikanske farvande, samt dyrket i dambrug.

I dag er det kendt 4100 arter af somoobraznyh, der repræsenterer omkring 12% af alle arter af benfisk. De fleste havkat hud nøgen, og dette træk de synes at have arvet fra en fælles forfader, der gav anledning til hele truppen. På samme tid, "vending" forekommer i nogle familier, så deres hud er dækket med knoklet plader (scutes), som er strukturelt forskellige fra skalaerne i de fleste andre benfisk, men udføre en lignende beskyttende funktion. Forfatterne forpligtede sig til at finde ud af, hvad der er den genetiske basis for den evolutionære transformation (fig. 4).

Fig. 4. Phylogenetiske forbindelser af bonyfiskernes familier. grå en skat svarende til ordenen af ​​somobiarius blev valgt (den fælles forfader af dette klade mistede sine skalaer), blå – filialer af familier, hvoraf alle repræsentanter har genopkøbte hudplader, rød – grene af familier, hvoraf nogle medlemmer igen købte knogleplader. skitseret Repræsentanter for de som familier, der blev genstand for den undersøgte undersøgelse. Figur fra den diskuterede artikel i Naturkommunikation

Til at begynde med blev genomet af kanalen havkat sekvenseret, som består af 29 kromosomer og er omkring 1 mia. Basepar. Som et resultat af analysen af ​​de opnåede data blev det forudsagt at han havde 26.661 gener, hvoraf de fleste har homologer i de tidligere sekventerede genomer af andre fisk (zebrafisk og fugufisk). De 1010 forudsagte kanalskallegener var fraværende i genomet af danioreoo – "guldstandarden" blandt de fiskegener, der hidtil er blevet klassificeret. Samtidig manglede kanalen havkattsgenom 931 gener til stede i zebrafisken. Efter at have analyseret genomerne af 150 individer af havkat, identificerede forfatterne en forholdsvis høj genetisk mangfoldighed af disse fisk.Polymorfe områder mødtes i gennemsnit med en frekvens på 1 for hver 98 nukleotider, med den højeste koncentration i 111 gener, hvoraf 40 er involveret i immunsystemet.

297 gener, der er almindelige for knogler, men som ikke findes i terrestriske hvirveldyr, blev fundet. Disse gener indbefattede især 24 gener af olfaktoriske receptorer, 69 gener af immunsystemet og 7 gener, der sikrer udviklingen af ​​finner. Derudover er der blevet identificeret 280 gener, der også er almindelige for benfisk, men mangler i de læsede genomer af bruskfisk eller hvirveløse hvirveldyr. Denne gruppe omfatter gener involveret i dannelse af knogler (9 gener, herunder medlemmer af SCPP-familien), udviklingen af ​​svømmeblæren (11 gener), nogle gener af immunsystemet (75 gener) og lipidmetabolisme (18 gener). Det viste sig, at den bruskfisk kun indeholder to parentalgener af SCPP-familien, SPARC og SPARCL1, mens der i tilfælde af knoglfisk gennemgik gentagne gentagelser. Det er sandsynligt, at disse genetiske ændringer er direkte relateret til udseendet af knogleskelet, der adskiller denne gruppe.

For at finde ud af, hvorfor kanalen havkat har ingen skalaer,Forfatterne tog først fem tidligere etablerede gener (EDA, EDAR, FGFR, LEF1, TCF7), mutationer, der kan føre til udseendet af "bare" morfer i forskellige fiskearter. De kontrollerede om disse gener er i genomet af kanalen havkat og om de er i driftstilstand. Det viste sig, at alle disse gener er til stede og normalt udtrykt i fiskens væv.

Så besluttede vi at se, hvilke gener der er tændt eller slukket i fiskens hud under regenerering af skalaer. Faktum er, at regenereringsprocesserne ofte ligner de processer med embryonisk udvikling af de tilsvarende strukturer, så ved at studere den første proces er det muligt at tegne indirekte konklusioner om den anden. Desværre var det ikke muligt at opnå regenerering af pladerne fra "pansrede" arter af havkat, derfor blev almindelig karpe tiltrukket af at gennemføre denne del af undersøgelsen. Ved anvendelse af teknologien for fuld-transkriptom-sekventering blev der opnået tre datasæt:
1) niveauer af genekspression i havrenes intakte hud;
2) niveauer af genekspression i den intakte hud af karpe;
3) niveauer af genekspression i karps hud i processen med regenerering af skalaer efter dets skade.

Som et resultat af en sammenlignende analyse blev 13 annoterede (kendte) gener identificeret,som arbejdede i karps hud, men virkede ikke i havkatts hud og ændrede udtrykket under regenerering af skalaer: udtrykket af ti af disse gener voksede, og udtrykket af tre mere tværtimod faldt. Den mest signifikante stigning i ekspression blev fundet i fem gener af SCPP familien (SCPP7, fa93e10, SCPP1, SCPP5 og GSP37) og to apolipoprotein gener. Forfatterne bemærker, at tiden, hvor øget ekspression af SCPP-familiens gener blev observeret, var godt koordineret med tidspunktet for begyndelsen og afslutningen af ​​regenereringsprocessen.

Endelig fokuserede forskerne på generne af SCPP-familien, idet de besluttede at sammenligne tilstanden af ​​disse gener i genomerne af et bredere sæt arter af "bar" og "klædt" fisk (figur 5). Det viste sig, at der i genomet af kanalen havkat er der kun tre SPPP gen gener, nemlig SPARCL1, ODAM og SPP1. På samme tid har mange andre gener af denne familie, der er tilgængelige i zebrafisken, ingen kanal havkat. For så vidt angår to gener, SCPP1 og SCPP5, er de begge tilstede i kanalen i havkatastrofen i form af elendige fragmenter, og promotoren af ​​disse gener tabte fuldstændigt bindingsstedet for transkriptionsfaktoren, der regulerer deres arbejde i andre fiskearter. Som et resultat af sammenligning af sæt af SCPP gener i 16 arter af knoglfisk, hvoraf fem ikke har skalaer,Det er disse to gener, SCPP1 og SCPP5, der er korrelativt relateret til det træk, der er undersøgt. Det ser ud til, at der kun er skalaer i de arter, der har begge disse gener i driftstilstand, mens i fisk, der har mistet deres skalaer, mangler begge eller i det mindste et af disse gener.

Fig. 5. Data om tilstedeværelsen i fiskgenomene af arbejdsgener fra SCPP-familien. Tegnet på tilstedeværelsen af ​​skalaer er mærket med følgende betegnelser: S – fælles skalaer, P-torner, BDP-knoglehudplader, Nej – nej skalaer. Figur fra den diskuterede artikel i Naturkommunikation

Det er sandsynligt, at der er andre genetiske faktorer forbundet med tegn på tilstedeværelse / fravær af skalaer hos repræsentanter for arten. Forskere gennemførte en fuld-genomisk og fuld-transkriptom undersøgelse for de to ovennævnte "klædte" havkat arter og fandt omkring 200 gener, der er til stede i disse arter, men ikke i kanalen havkat. Men for at finde ud af, hvilke af disse gener og præcis de er forbundet med det specifikke træk, der bliver undersøgt, kræver mange flere kloge eksperimenter og analyser.

De opnåede resultater tillader os ikke at besvare spørgsmålet, med hvilke genetiske ændringer var vægtenes forsvinden i artens fælles forfader.Det er trods alt klart, at han måtte holde begge gener (SCPP1 og SCPP5) i deres fulde form, da de er til stede i de moderne repræsentanter for denne ordre. Så historien er stadig ikke opgravet til slutningen. Faktummet af SCPP-genernes deltagelse i dannelsen af ​​skæller af benfisk er imidlertid allerede en opdagelse. Forresten er orthologerne til SSCP1- og SSCP5-generne, som et antal andre, fraværende i chelamantus og i de firebenede. Disse gener opstod tilsyneladende efter adskillelsen af ​​ray-finned og racemes.

Det skal bemærkes, at oplysninger om genomet af havkat, som nu er inkluderet i de genomiske databaser, i sig selv er af stor værdi for ny forskning om udviklingen af ​​knogler og hvirveldyr. Gennem de sidste par år er chimera genomerne også blevet fuldstændigt sekventeret. Callorhinchus milii, coelacanth og spotted carapace. En omhyggelig sammenligning af genene af disse repræsentanter for de tidlige stadier af udviklingen af ​​hvirveldyr lover at give en masse interessante oplysninger om historien om "vores" gren af ​​det fylogenetiske træ med alle sine fantastiske transformationer.

Kilde: Zhanjiang Liu, Shikai Liu, Jun Yao, Lisui Bao, Jiaren Zhang, Yun Li, Chen Jiang, Luyang Sun, Ruijia Wang, Yu Zhang, Tao Zhou, Qifan Zeng, Qiang Fu, Sen Gao, Ning Li, Sergey Koren, Yanliang Jiang , Aleksey Zimin, Peng Xu, Adam M. Phillippy, Xin Geng, Lin Song, Fanyue Sun, Chao Li, Xiaozhu Wang, Ailu Chen, Yulin Jin, Zihao Yuan, Yujia Yang, Suxu Tan, Eric Peatman, Jianguo Lu, Zhenkui Qin Rex Dunham, Zhaoxia Li, Tad Sonstegard, Jianbin Feng, Roy G. Danzmann, Steven Schroeder, Brian Scheffler, Mary V.Duke, Linda Ballard, Huseyin Kucuktas, Ludmilla Kaltenboeck, Haixia Liu, Jonathan Armbruster, Yangjie Xie, Mona L. Kirby, Yi Tian, ​​Mary Elizabeth Flanagan, Weijie Mu, Geoffrey C. Waldbieser. Kanalen havkat genomgen sekvens er i teleosts // Naturkommunikation. 2016. V. 7. Artikelnummer: 11757. DOI: 10.108 / ncomms11757.

Se også:
1) De archaiske gener af knogleganoider er mere forskelligartede end de yngre grupper af hvirveldyr, "Elements", 07/11/2016.
2) Firebenet tandemalje optrådte på skalaer af gamle fisk, "Elements", 09/30/2015.
3) Kimærgenomet bidrog til at forstå oprindelsen af ​​knogler, "Elements", 01/17/2014.

Tatyana Romanovskaya


Like this post? Please share to your friends:
Skriv et svar

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: