Informație

18.4: Evoluția genomilor - Biologie


18.4: Evoluția genomilor

Evoluția numărului de organite per celulă

Organele cu propriile lor genome distincte, cum ar fi plastidele și mitocondriile, se găsesc în majoritatea celulelor eucariote. Pe măsură ce aceste organite și celulele lor gazdă au evoluat, partiționarea proceselor metabolice și codificarea produselor genetice care interacționează au creat o codependență obligatorie. Această relație a jucat un rol în modelarea numărului de organite din celule prin evoluție. Factori precum forțele evolutive stochastice care acționează asupra genelor implicate în biogeneza organelor, interacțiunile organelor-gene nucleare și limitările fizice pot, în diferite grade, să dicteze constrângerea selectivă în care se află numărul de organite per celulă. În special, coordonarea între expresia genei nucleare și organelare poate fi importantă în menținerea stoichiometriei produselor genetice, care poate avea un rol semnificativ în constrângerea evoluției acestei trăsături.

Cuvinte cheie: biologie celulară evolutivă mitocondriile organice biogeneză plastoid stoichiometrie.


18.4: Evoluția genomilor - Biologie

Evoluția genomului Similitudini genomice între speciile îndepărtate Asemănările genomice dintre speciile îndepărtate pot fi stabilite prin analiza genomului utilizând tehnologie avansată. OBIECTIVE DE ÎNVĂȚARE Discutați despre implicațiile evolutive ale similitudinilor observate ale genomului între speciile îndepărtate PRINCIPALELE TAKEAWAYS Puncte cheie Asemănările genomice dintre speciile îndepărtate pot fi explicate prin teoria th.

  • Sunteți aici: & # 160
  • Acasă
  • Umbrelă
  • Manuale
  • Bio581
  • Capitolul 1 Studiul vieții
  • 1.4 Rezumatul capitolului

Acest text se bazează pe Openstax Biology for AP Courses, Senior Contributor Authors Julianne Zedalis, The Bishop's School din La Jolla, CA, John Eggebrecht, Cornell University Contributor Authors Yael Avissar, Rhode Island College, Jung Choi, Georgia Institute of Technology, Jean DeSaix , Universitatea din Carolina de Nord la Chapel Hill, Vladimir Jurukovski, Suffolk County Community College, Connie Rye, East Mississippi Community College, Robert Wise, University of Wisconsin, Oshkosh

Această lucrare este licențiată sub o licență Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 Unported, fără restricții suplimentare


Evoluția cromozomului sexual monotrem

Pentru a elucida compoziția genomică detaliată a cromozomilor sexuali monotremi, am comparat regiunile care împart secvențe între cromozomii sexuali - adică PAR-urile - cu regiuni care au devenit diferențiate sexual (SDR). Limitele PAR arată o schimbare bruscă a raportului de acoperire a secvențierii femeie-bărbat, așa cum era de așteptat (Fig. 2a și Date extinse Fig. 4a). Ambele monotreme au prezentat, în general, niveluri de expresie a genelor nepărtinitoare între sexele din PAR, dar exprimarea pronunțată a părtinirii femeilor în cadrul SDR-urilor, indicând absența compensării complete a dozelor la nivelul întregului cromozom în monotreme, așa cum s-a sugerat anterior 9 (date extinse Fig. 4b).

A, Compoziția genomică a cromozomilor sexuali de ornitorinc. De la inele exterioare la interioare: cromozomii X cu PAR-urile (culori deschise) și SDR-urile (culori închise) au etichetat fragmentele de cromozom Y asamblate în cadrul SDR-urilor care arată nivelurile de divergență a secvenței la scară de culoare cu cromozomii X omologi de la femeie la mascul ( Rapoartele F / M) ale acoperirii scurte a secvențierii-citirii în ferestrele de 5 kb care nu se suprapun Rapoartele de expresie F / M (fiecare punct roșu este o genă) ale rinichiului adult și tendința de exprimare netezită și conținutul de GC în non-suprapunere 2- ferestre kb. În plus, am etichetat pozițiile pe inelul cromozomului X al perechilor de gametologi care au suprimat recombinarea înainte de divergența monotremelor („partajate”, triunghiuri portocalii) sau după divergență („independente”, triunghiuri albastre). b, Omologie între cromozomii X și Y ai ornitorincului. În special, majoritatea Y5 prezintă omologie cu X1 și X2, ceea ce sugerează o conformație inelară ancestrală a cromozomilor sexuali ai ornitorincului. De asemenea, am etichetat poziția genei putative care determină sexul AMH. Silueta de ornitorinc este creată de S. Werning și este reprodusă sub licența Creative Commons Attribution 3.0 Unported (http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/).

PAR-urile scurte ale cromozomilor de ornitorinc X2 – X5 au un conținut semnificativ mai mare de GC (test unilateral al sumei de rang Wilcoxon, P & lt 0,01) decât SDR-urile sau PAR-urile mai lungi (date extinse Fig. 4c), care probabil reflectă o conversie puternică a genei influențată de GC care este cauzată de o rată ridicată de recombinare 10. Acest lucru este similar cu modelul PARului uman scurt, bogat în GC, a cărui rată de recombinare este de 17 ori mai mare decât media la nivelul genomului 11. În special, secvențele ortologice de pui ale acestor monotreme PAR sunt toate localizate pe microcromozomi, care au, de asemenea, un conținut ridicat de GC 12 (testul cu o singură parte a sumei de rang Wilcoxon, P & lt 0,01) (Date extinse Fig. 4c, d). Acest peisaj de recombinare extrem de conservat ar putea fi parțial selectat în monotreme pentru menținerea polimorfismului secvenței și a dozei echilibrate a genelor MHC, care se află în PAR-urile perechilor cromozomului X3 – Y3 și Y4 – X5 în ornitorincul 13 (Date extinse Fig. 3a). Selecția regională pentru recombinare ridicată poate contracara, de asemenea, extinderea suplimentară a SDR-urilor pe acești cromozomi sexuali.

Cromozomii sexuali ai euterilor și ai păsărilor s-au format prin suprimarea treptată a recombinării, rezultând un model de divergență de secvență pereche între SDR numit „straturi evolutive” 14,15. Am identificat cel puțin șapte straturi în monotreme, numite S0 până la S6 de la cele mai vechi la cele mai tinere straturi (Fig. 2a și Date extinse Fig. 4a), prin clasarea nivelurilor lor de divergență de secvență sinonimă în perechi între gametologii X-Y și filogenia. (Date extinse Fig. 5a, b). Toate stratele, cu excepția celor mai recente (S5 și S6) sunt împărtășite de ornitorinc și echidna. Cu toate acestea, PAR-urile care mărginesc S5 și S6, precum și PAR-urile mai scurte ale cromozomilor X2 și X5 (date extinse Fig. 5c, d), s-au format independent după divergența lor. În ansamblu, distribuția straturilor evolutive a sugerat o ordine temporală de încorporare a diferiților autozomi ancestrali în lanțul cromozomului sexual: a început de la regiunea S0 a X1 conținând o genă care determină sexul (vezi mai jos), urmată de X2, X3 și X5. X4 și regiunile individuale ale X3 și X1 au suferit suprimarea recombinării după divergența monotremă.

În ciuda episoadelor de evoluție independentă, majoritatea regiunilor cromozomiale sexuale ale ornitorincului și echidnei sunt omoloage (date extinse Fig. 6a), sugerând că complexul s-a format în strămoșul monotrem 16. Pentru a-i reconstitui originea, am proiectat cromozomii sexuali ai ornitorincului pe omologii lor de pui (Tabelul suplimentar 39). Această hartă de omologie rafinată (Date extinse Fig. 4d) sugerează că atât fuziunile, cât și translocațiile reciproce între fragmentele ancestrale micro și macrocromozomiale au dat naștere la complexul cromozomului sexual monotrem. Cromozomii ornitorincului X conțin secvențe omoloage ale întregului sau parțial microcromozomilor de pui 11, 16, 17, 25 și 28. Acești microcromozomi au, de asemenea, ortologi în gar 17, sugerând că erau microcromozomi ancestrali vertebrați și fuzionați în monotremul ancestral sau cromozomi de mamifere. Dovezile translocațiilor reciproce au provenit din observația că părți din fiecare doi cromozomi sexuali vecini sunt omoloage cu două regiuni adiacente ale aceluiași cromozom de pui (date extinse Fig. 6c, d). De exemplu, cromozomii de ornitorinc X1 și X2 sunt ambii omologi cu părți ale microcromozomului 12 și cromozomului de pui, în timp ce X2 și X3 sunt ambii omologi cu cromozomul 2 din pui.

În special, X1 la un capăt al lanțului meiotic și Y5 la celălalt împărtășesc această relație care se suprapune alternativ și ambele sunt omoloage cu microcromozomul de pui 28. Într-adevăr, majoritatea genelor de pe Y5 nu se găsesc pe partenerul său de împerechere X5, ci pe X1 (Fig. 2b și Tabelul suplimentar 40). Cromozomii X1 și Y5 nu se împerechează la meioză, dar această omologie sugerează că originea complexului cromozomial sexual monotrem existent a implicat deschiderea „inelului” cromozomial ancestral pe măsură ce degenerarea a început 18. O genă conservatoare care determină sexul vertebratelor, hormonul anti-mulerian, este localizată pe cromozomul Y5 (AMHY) și S0 a cromozomului X1 (AMHX) 14 (Fig. 2b). Regiunea ancestrală de împerechere X1 – Y5 care cuprinde AMH ar putea fi, prin urmare, locul în care recombinarea omoloagă a fost suprimată pentru prima dată. Degenerarea cromozomului Y5 a provocat apoi pierderea omologiei cu X1 și a dus la ruperea inelului cromozomial. Într-adevăr, ratele de substituție sinonime (dS) între perechile de gametologe păstrate X1 – Y5 sunt semnificativ mai mari (testul sumelor clasificate Wilcoxon unilaterale, P & lt 0,01) decât cele ale oricăror alte perechi de cromozomi sexuali (date extinse Fig. 6e). O configurație a inelului cromozomial a fost raportată la plantele 19, dar nu la nicio specie de animal. Alternativ, structura inelului ancestral ar fi putut evolua după apariția perechii proto-X1 – Y5 prin translocații care implică alți autozomi, astfel încât alelele antagoniste sexual ar putea fi legate de genele care determină sexul 20.


Metode

Generarea genomului și adnotarea genei

Toți genomii Acari analizați în studiul nostru sunt disponibili ca resurse publice de la NCBI (ftp://ftp.ncbi.nlm.nih.gov/). Pașii pentru includere au fost după cum urmează: (1) Toate speciile de Arachnida din baza de date (înainte de 2020.06) au fost căutate ca candidați (2) genomul cu cel mai bun scor de completitudine a fost selectat ca reprezentant dacă au existat doi sau mai mulți genomi pentru o specie (3) speciile cu completitudinea genomului mai mică de 80% au fost eliminate (4) predicția genică a fost efectuată pentru genomurile lipsite de informații despre adnotarea genelor și (5) contigurile cu o lungime mai mică de 1 kb au fost excluse din întreaga analiză. Elementele repetitive din secvența genomului au fost identificate de RepeatMasker 63 (versiunea 4.0.7) cu Repbase (versiunea 16.02). Pentru predicția genelor, s-a utilizat conducta BRAKER 64 (versiunea 1.9), iar secvențele de proteine ​​ale păianjenului de catifea, acarianului scabiei, acarianului albinei, chiggerului, acarienii de catifea, acarianului păianjenului, acarianului prădător, acarianului prafului și genomului căpușei au fost aplicate ca referințe pentru predicția genei bazată pe omologie. Un link către rezultatele adnotate este furnizat în secțiunea Disponibilitate date.

Detectare pseudogenă

Pentru a reduce eterogenitatea datelor de fundal, am selectat cei trei genomi cu cea mai bună calitate (cei de D. farina, P. ovis, și S. scabiei) în grupul de tranziție ca reprezentanți. GeneWise (versiunea 2.4.1) a fost folosit pentru alinierea genelor, în timp ce secvențele de codificare a proteinelor unui păianjen (Stegodyphus mimosarum) au fost folosite ca referințe. Identitatea secvenței minime a fost setată la 80%, iar valoarea E a limitei a fost setată la 10 -5. Genele cu mutații de schimbare a cadrelor (SNP sau indels) sau codoni de oprire prematură au fost adnotate ca pseudogene.

Construcția arborelui filogenetic

Au fost excluse secvențele de proteine ​​cu lungime scurtă (& lt50 aminoacizi) sau codoni de oprire prematură. Genele ortologe au fost deduse de OrthoFinder (versiunea 2.3.8) cu software-ul DIAMOND (versiunea 0.9.24). O valoare așteptată a fost setată la 10 -5. Genele ortologe cu o singură copie au fost generate din rezultatul OrthoFinder și blocurile conservate ale fiecărei gene au fost extrase de Gblocks (versiunea 0.91b). Apoi, am combinat toate regiunile conservate din fiecare genă ortologă. Un total de 50.502 situri au fost concatenate pentru a construi o secvență supergenică pentru fiecare specie, care a fost adoptată pentru a construi arborele filogenetic. Filogenia supergenică a fost construită cu RAxML 65 (versiunea 8.2.12) sub modelul GTRGAMMA. Au fost efectuate un total de 200 de replici bootstrap, iar arborele cu cel mai mare scor de probabilitate a fost ales ca un arbore standard. Pe baza topologiei arborelui standard, lungimea ramurii fiecărei gene a fost estimată cu secvența sa. Apoi, genele cu lungimi de ramură extrem de părtinitoare au fost excluse. După îndepărtarea tuturor genelor părtinitoare, arborele speciei a fost reconstruit pe baza a 48.831 de situri conservate de RAxML cu 1.000 de replici bootstrap urmând comanda raxmlHPC-PTHREADS-SSE3 -x 12345 -p 12345 - # 1000 -m GTRGAMMA.

Estimarea timpului divergenței

MCMCTREE în PAML 66 (versiunea 4.9i) a fost folosit pentru calibrarea timpului de divergență prin metoda Monte Carlo a lanțului Markov. Timp fosil (Steganacarus magnus impotriva Hypochthonius rufulus: 394 - 571 Mya Dermatophagoides pteronyssinus impotriva Sarcoptes scabiei: 119 Mya și Ixodes scapularis impotriva Dermanyssus gallinae: 336 Mya) a fost determinată din baza de date Time Tree (http://www.timetree.org). A fost stabilit un model de ceas relaxat (ceas = 2) și s-a efectuat MCMC (burnin = 4.000.000 sampfreq = 100 nsample = 100.000). Alți parametri au fost setați implicit, iar programul Baseml a fost rulat în duplicat pentru a verifica convergența.

Analiza familiei genelor

Secvențele de proteine ​​din șaisprezece genomi Arachnida au fost generate din rezultatele adnotate. Am eliminat proteinele cu codoni de oprire prematură sau cu o lungime mai mică de 50 de aminoacizi. Proteinele rămase au fost utilizate pentru a efectua gruparea proteinelor prin OrthoFinder cu metoda DIAMOND generală și o valoare E = 10 -5. A fost generat un set de date de 39.474 clustere, iar unele dintre grupate au fost eliminate din cauza unui raport scăzut de adnotare de mai puțin de 50 la sută din toate speciile. Apoi, 5.718 familii de gene rămase au fost supuse analizei de extindere și contracție utilizând CAFÉ 67 (versiunea 4.2.1) și a fost adoptat un model stocastic de naștere și deces. Arborele filogenetic cu timp de divergență a fost obținut cu analiza MCMCTREE în PAML.

Identificarea genelor selectate pozitiv

Un total de 9.306 familii de gene au fost identificate de OrthoFinder și s-au generat 4.546 de gene ortologice cu o singură copie pentru a efectua o analiză de selecție pozitivă, care a adnotat cel puțin 60% din cei șaisprezece genomi. Secvențele genelor ortologe au fost aliniate de software-ul MAFFT (versiunea 7.455), iar un arbore genetic a fost generat din arborele speciei pe baza speciilor rămase. Modelul ramificației din PAML a fost utilizat pentru a detecta PSG-uri de-a lungul unor linii specifice cu modelul A (model = 2 și NSsites = 2). A fost efectuat un test al raportului de probabilitate (LRT) pentru a compara modelul A (site-uri cu selecție pozitivă în prim plan fix_omega = 0) cu modelul nul (site-urile ar putea evolua neutru / sub selecție de purificare fix_omega = 1 și omega = 1) prin programul codeml în PAML. The P valorile din LRT au fost evaluate prin statistici chi-pătrat, a fost calculată o rată de descoperire falsă (FDR), iar limita a fost setată la 0,1. Site-urile cu probabilitate posterioară Bayes empirică Bayes (BEB) mai mare de 95% au fost selectate ca situri selectate pozitiv în PAML. Analizele de îmbogățire KEGG și GO ale PSG-urilor au fost efectuate de KOBAS 3.0 68 cu limite de a P valoare & lt 0,05 în testele exacte ale lui Fisher și corectarea FDR P valoare & lt 0,1. Drosophila melanogaster genele au fost selectate ca set de fundal. Diagramele cu bule ale termenilor KEGG și GO îmbogățite semnificativ au fost generate folosind pachetul R ggplot.

Rata evolutivă a metabolismului grăsimilor

Pentru a investiga rata evolutivă a metabolismului grăsimilor în rândul acarienilor cu diete diferite, 122 de gene implicate în metabolismul lipidelor din baza de date KEGG (http://www.genome.jp/kegg/catalog/org_list.html) au fost incluse pentru analiză. Ramurile au fost împărțite în cinci grupuri cu diferite tipuri dietetice. Raporturile dN / dS ale grupurilor selectate au fost calculate de programul codeml cu modelul de ramură cu două raporturi (model = 2) în PAML, iar valorile dN / dS ale fundalului au fost detectate cu modelul cu un raport (model = 0 , NSsites = 0). Au fost generate distribuția densității valorilor dN / dS și un grafic de vioară cu valori dN / dS pentru diferite grupuri dietetice. Raporturile dN / dS au fost comparate cu cele ale datelor de fundal cu testul t Student.

Analiza expresiei genelor

Șaisprezece probe din patru populații de acarieni au fost descărcate din baza de date SRA (BioProject: PRJNA610897) 69, iar Trimmomatic (versiunea 0.36) a fost aplicat pentru a efectua controlul calității, inclusiv tăierea secvențelor adaptorului și eliminarea citirilor de calitate scăzută, cu parametrii „LEADING : 3 TRAILING: 3 SLIDINGWINDOW: 4: 20 MINLEN: 45 ”. Citirile calificate au fost mapate la referința acarianului păianjen folosind HISAT2 (versiunea 2.1.0). Fragmentele pe kilobază de transcriere pe milion de lecturi mapate (FPKM) au fost calculate de butoni 70 (versiunea 2.2.1). Apoi, expresia genică în toate cele șaisprezece probe a fost sortată în funcție de valorile mediane FPKM. Au fost selectate și analizate cele mai bine exprimate 200 și 50 de gene. O hartă de căldură a fost elaborată pe baza celor mai puternice 50 de gene exprimate folosind Heatmapper 71. Analizele de îmbogățire KEGG și GO au fost efectuate de KOBAS 3.0 cu limite de a P valoare & lt 0,05 în testele exacte ale lui Fisher și corectarea FDR P valoare & lt 0,1. Diagramele cu bule ale termenilor KEGG și GO îmbogățite semnificativ au fost generate folosind pachetul R ggplot.

Analiza familiei Serpin

Familia serpin a fost adnotată manual folosind metodele descrise în studiile anterioare 72. Secvențele proteice serpin ale Ixodes scapularis, Metaseiulus occidentalis, Dermanyssus gallinae, Tropilaelaps mercedesae, Varroa destructor, Varroa jacobsoni, Sarcoptes scabiei, Psoroptes ovis, Leptotrombidium delicense, Dinothrombium tinctorium, Tetranychus urticae, și Stegodyphus mimosarum din baza de date NCBI au fost utilizate ca secvențe de interogare. Apoi, secvențele de referință au fost aliniate la cele șaisprezece genomi folosind BLASTP (versiunea 2.2.29+). Loviturile explozive aparținând aceleiași proteine ​​de interogare au fost combinate într-o genă prezisă de la fiecare genom. Apoi, structura genică a fost prezisă de GeneWise, iar domeniile secvențelor au fost estimate pe baza bazei de date Pfam. În cele din urmă, un total de 2.748 de poziții în genele serpin din șaisprezece specii au fost aliniate cu ClustalW și apoi aplicate pentru a construi un arbore de maximă probabilitate în MEGA 73 (versiunea 10.0.1) cu 1.000 de replici bootstrap. Arborele rezultat a fost vizualizat în Figtree (versiunea 1.4.3).

Rezumatul raportării

Mai multe informații despre proiectarea cercetării sunt disponibile în Rezumatul raportării cercetărilor în natură, legat de acest articol.


Priveste filmarea: What is a Chromosome? (Ianuarie 2022).