Articles

En ny titt på en gammal fråga: när skedde den andra dupliceringen av hela genomet i ryggradsdjurens utveckling?

För att överbrygga det stora evolutionära avståndet mellan de nuvarande ryggradsdjuren och den ursprungliga chordaten med ett odublicerat genom rekonstruerade Sacerdot och kollegor först det ursprungliga amniotgenomet. För att göra detta tillämpade de först AGORA-algoritmen (Algorithm for Gene order Reconstruction in Ancestors) som de tidigare hade utvecklat på genordningarna, orienteringarna och genträden i 61 genomer av levande djur från Ensembl-databasen. Dessa omfattade 40 däggdjur, 3 fåglar, 2 reptiler, 1 amfibie, 8 teleoster, 1 coelacanth, 2 tunikater, 1 nematod och 1 fluga. Tyvärr innehåller Ensembl inte genomet hos någon broskfisk (t.ex. elefanthajen, Callorhinchus milii, en chimaera, som har det långsammaste kända genomet hos ryggradsdjur) eller hos hemichordater, tagghudingar eller cefalochordater – deuterostomer från ryggradslösa djur, vars genom inte har genomgått den avsevärda genförlust och kompaktering som är karakteristisk för tunikaternas genom.

Sacerdot et al. identifierade sedan förmodade ohnologgenpar i detta ursprungliga amniotgenom och skapade uppsättningar av Contiguous Ancestral Regions (CARs). Ohnologer är homologa gener inom en art som är resultatet av WGDs. Slutligen grupperade de dessa CARs till en uppsättning på 51 som signifikant föll i 17 grupper om fyra, eller tetrader, vilket är det förväntade resultatet av två omgångar av WGD. För att urskilja mönstret av kromosomala fusioner och fissioner under evolutionen ville de jämföra dessa 17 tetrader med organiseringen av gener i ett odubblerat genom från före ryggradslösa djur. Tunikaternas genomer utvecklas dock mycket snabbt och skiljer sig ganska mycket från andra ryggradslösa deuterostomer, samtidigt som den publicerade genomsamlingen av den cefalokordata Branchiostoma floridae är alltför fragmenterad för analysen. Författarna jämförde därför sina 17 tetrader av CARs med de 17 förhistoriska chordata-länkgrupper som tidigare bestämts genom att jämföra syntesen av gener på mänskliga kromosomer och på ställningar av B. floridae-genomet. Det är anmärkningsvärt att var och en av dessa chordatelänkgrupper korrelerade med en dominerande CAR-tetrad. De drog slutsatsen av denna jämförelse att arvsmassan hos de ursprungliga ryggradsdjuren hade 17 kromosomer som sedan duplicerades till 34 kromosomer genom en omgång WGD (1R). Därefter skedde 7 kromosomfusioner som resulterade i 27 kromosomer, som vid ryggradsdjurens ursprung, före agnathan/gnathosomuppdelningen, duplicerades igen (2R WGD) till 54 kromosomer. Efter 2R WGD skedde ytterligare fyra fusioner före det ursprungliga beniga ryggradsdjuret följt av en femte fusion före basen av amnioter. Den ursprungliga karyotypen hos de beniga ryggradsdjuren innehöll således 50 kromosomer och den ursprungliga amnioten hade 49 kromosomer (fig. 1b).

Förutom att rekonstruera duplikationer, fusioner och klyvningar av kromosomer under evolutionen kan AGORA-algoritmen beräkna genordningarna på kromosomerna hos den hypotetiska amniotens förfader genom att jämföra genordningarna på kromosomerna hos dess nuvarande ättlingar . Detta rekonstruerade arvsmassa från amnioten innehåller 80 % av de 15 854 generna i CARs. Den ojämna fördelningen av dessa gener på de 49 kromosomerna hos den ursprungliga amnioten skulle kunna återspegla verkligheten eller alternativt svårigheten att rekonstruera genordningen på kromosomer som hade genomgått en avsevärd genomfördelning under evolutionen.

Trots detta är det två saker som sticker ut i analysen. Det första är att en jämförelse av det ursprungliga amniotgenomet med CAR:erna grupperade i 17 tetrader med super-scaffolds i lamphönans (Petromyzon marinus) genomsammansättning visar ett tydligt 1-till-fyra-mönster som stämmer överens med 2R WGD före uppdelningen av agnathan/gnathostome. Detta strider mot resultaten från Smith et al. som fann starka bevis för endast 1R WGD hos nejonögon jämfört med kyckling. Denna diskrepans skulle kunna förklaras av att genomdata från fler arter har inkluderats i rekonstruktionen av den hypotetiska ursprungliga amniotens genom, en process som i sig också eliminerar förvirrande omarrangemang av genomet som har inträffat hos ryggradsdjur efter amniotens förfader. Det beror sannolikt också på att man har inkluderat fylogenetiska data för att bestämma CAR-tetraderna, vilket avslöjar ohnologer som divergerade vid basen av ryggradsdjurens evolution.

Det andra resultatet som sticker ut är överensstämmelsen mellan genordningen på människans kromosomer och de 17 pre-1R-kromosomerna. När de 17 pre-1R-kromosomerna färgkodas (fig. 1b) och färgerna för varje gen överförs till positionerna för de 8282 mänskliga gener som härstammar från pre-1R-generna, framträder mönstret av duplikationer och translokationer av arvsmassan tydligt. Till exempel innehåller kromosom 1 i pre-1R-genomet Hox-gener. Ett stort segment av människans kromosom 2 innehåller HoxD-klustret samt många andra gener som motsvarar dem på pre-1R-kromosom 1. De övriga tre mänskliga Hox-klustren finns på de mänskliga kromosomerna 7, 12 och 17. Dessutom finns ett betydande antal homologer till andra gener på pre-1R kromosom 1 på de mänskliga kromosomerna 1, 3, 10, 16 och 22, vilket tyder på translokationer.