Articles

A new look at an old question: when did the second whole genome duplication occurred in vertebrate evolution?

Aby překlenuli velkou evoluční vzdálenost mezi současnými obratlovci a předky chordátů s neduplikovaným genomem, Sacerdot a jeho kolegové nejprve rekonstruovali genom předků amniotů. Za tímto účelem nejprve aplikovali algoritmus AGORA (Algorithm for Gene order Reconstruction in Ancestors), který již dříve vyvinuli, na pořadí genů, orientaci a genové stromy 61 genomů extantních živočichů z databáze Ensembl. Jednalo se o 40 savců, 3 ptáky, 2 plazy, 1 obojživelníka, 8 teleostů, 1 coelacanta, 2 pláštěnce, 1 nematoda a 1 mouchu. Bohužel databáze Ensembl neobsahuje genom žádné chrupavčité ryby (např. žraloka sloního, Callorhinchus milii, chiméry, která má nejpomaleji se vyvíjející známý genom obratlovce), ani genomy hemichordátů, ostnokožců nebo hlavonožců – bezobratlých deuterostomů, jejichž genomy neprošly značnou ztrátou genů a zhutněním, které je charakteristické pro genomy tunikátů.

Sacerdot a kol. pak v tomto genomu předků amniot identifikovali domnělé páry ohnologických genů a vytvořili soubory souvislých předků (Contiguous Ancestral Regions, CAR). Ohnology jsou homologní geny v rámci druhu, které jsou výsledkem WGD. Nakonec tyto CAR seskupili do souboru 51, který se významně rozdělil do 17 skupin po čtyřech neboli tetrád; očekávaný výsledek dvou kol WGD. Aby rozlišili vzor chromozomálních fúzí a štěpení během evoluce, chtěli porovnat těchto 17 tetrad s uspořádáním genů v neduplikovaném genomu předobratlovců. Genomy tunikátů se však vyvíjejí velmi rychle a značně se liší od genomů ostatních bezobratlých deuterostomů, zatímco publikovaná sestava genomu hlavonožce Branchiostoma floridae je pro tuto analýzu příliš fragmentovaná. Autoři proto porovnali svých 17 tetrád CAR se 17 vazbovými skupinami předků chordátů, které byly dříve určeny porovnáním syntézy genů na lidských chromozomech a na scaffoldech genomu B. floridae. Pozoruhodné je, že každá z těchto vazebných skupin chordátů korelovala s jednou převládající tetrádou CAR. Na základě tohoto srovnání dospěli k závěru, že genom předka obratlovců měl 17 chromozomů, které se poté zdvojily do 34 chromozomů prostřednictvím jednoho kola WGD (1R). Následně došlo k 7 chromozomovým fúzím, jejichž výsledkem bylo 27 chromozomů, které se na počátku obratlovců, před rozdělením agnátů a gnátů, opět zdvojily (2R WGD) na 54 chromozomů. Po 2R WGD došlo před vznikem předků kostnatých obratlovců k dalším čtyřem fúzím, po nichž následovala pátá fúze před vznikem amniot. Karyotyp předka kostnatých obratlovců tedy obsahoval 50 chromozomů a předek amniota měl 49 chromozomů (obr. 1b).

Kromě rekonstrukce duplikací, fúzí a fúzí chromozomů během evoluce může algoritmus AGORA vypočítat pořadí genů na chromozomech hypotetického předka amniota porovnáním pořadí genů na chromozomech jeho současných potomků . Tento rekonstruovaný genom předka amniotů obsahuje 80 % z 15 854 genů v CAR. Nerovnoměrné rozložení těchto genů na 49 chromozomech předka amniota by mohlo odrážet skutečnost nebo alternativně obtížnost rekonstrukce pořadí genů na chromozomech, které během evoluce prošly značným přeskupením genů.

I tak z analýzy vyčnívají dvě věci. První je, že porovnání genomu předků amniotů s CAR seskupenými do 17 tetrád se superskupinami sestavy genomu mihule (Petromyzon marinus) ukazuje jasný vzorec 1 až 4 odpovídající 2R WGD před rozdělením agnathan/gnathostom. To je v rozporu s výsledky Smithe a kol. kteří našli silné důkazy pro pouze 1R WGD u mihule ve srovnání s kuřetem. Tento rozpor by mohl být vysvětlen zahrnutím genomických dat z více druhů do rekonstrukce hypotetického genomu předka amniot, což je proces, který sám o sobě také eliminuje matoucí přestavby genomu, k nimž došlo u obratlovců po předkovi amniot. Je to pravděpodobně také díky zahrnutí fylogenetických dat k určení tetrád CAR, čímž se odhalily ohnologie, které se rozdělily na základně evoluce obratlovců.

Druhým výsledkem, který vyniká, je shoda mezi pořadím genů na lidských chromozomech a 17 chromozomech pre-1R. Když se 17 chromozomů pre-1R barevně označí (obr. 1b) a barvy jednotlivých genů se přenesou na pozice 8282 lidských genů, které vzešly z genů pre-1R, je patrný vzorec genomových duplikací a translokací. Například chromozom 1 v genomu pre-1R obsahuje geny Hox. Velký úsek lidského chromozomu 2 obsahuje klastr HoxD a mnoho dalších genů odpovídajících genům na chromozomu 1 pre-1R. Další 3 lidské Hox klastry se nacházejí na lidských chromozomech 7, 12 a 17. Kromě toho se na lidských chromozomech 1, 3, 10, 16 a 22 nachází značný počet homologů jiných genů z chromozomu 1 pre-1R, což svědčí o translokacích.

.