Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Những nghiên cứu so sánh về genom Lbx cho thấy sự bảo tồn của các olog Lbx giống nhau trong các loài động vật có xương sống
Tóm tắt
Các gen Lbx/gen bọ rùa có nguồn gốc như một phần của cụm gen homeobox Nk trong metazoan. Trong tất cả các động vật đã được nghiên cứu cho đến nay, cả các gen protostome và gen Lbx1 của động vật có xương sống đều đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của hệ thần kinh và cơ. Gần đây, tuy nhiên, đã phát hiện thêm các gen Lbx với các mẫu biểu hiện khác biệt trong amniote. Sớm trong quá trình tiến hóa của động vật có xương sống, hai đợt sao chép toàn bộ bộ gen được cho là đã diễn ra, trong đó đã sinh ra 4 gen Lbx. Các gen nào trong số này được duy trì ở các loài động vật có xương sống hiện còn, và các gen này cùng chức năng của chúng tiến hóa như thế nào là điều chưa được biết đến. Ở đây, chúng tôi đã tìm kiếm các gen Lbx trong bộ gen động vật có xương sống và phát hiện ra những thành viên mới của họ gen này. Chúng tôi cũng đã xác định được các gen đặc trưng liên quan đến các vị trí Lbx nhất định và lần theo các di tích của 4 Lbx paralogon (hai trong số đó giữ lại các gen Lbx) trong amniote. Ở teleost, đã trải qua một lần sao chép bộ gen bổ sung, đã tìm thấy 8 Lbx paralogon (ba trong số đó giữ lại các gen Lbx). Phân tích phát sinh chủng loại của các gen Lbx và các gen liên quan đến Lbx cho thấy rằng trong các loài động vật có xương sống hiện còn, chỉ có các gen kiểu Lbx1 và Lbx2 được duy trì. Trong số này, một số trình tự Lbx2 tiến hóa nhanh hơn và có khả năng đã trải qua sự chức năng hóa mới, trong khi các gen Lbx1 có thể đã duy trì nhiều đặc điểm hơn của gen Lbx tổ tiên. Các gen ở vị trí Lbx1 và các vị trí Lbx4 trước đây có mối quan hệ gần hơn, cũng như các gen ở vị trí Lbx2 và các vị trí Lbx3 trước đây. Điều này gợi ý rằng trong quá trình sao chép bộ gen thứ hai của động vật có xương sống, các paralogon Lbx1/4 và Lbx2/3 được tạo ra từ các vị trí Lbx bị sao chép trong sự kiện sao chép đầu tiên. Nghiên cứu của chúng tôi thiết lập lần đầu tiên lịch sử tiến hóa của các gen Lbx trong các loài động vật có xương sống, bao gồm thứ tự các sự kiện sao chép gen, mất mát gen và các mối quan hệ phát sinh chủng loại. Hơn nữa, chúng tôi đã xác định các đặc điểm di truyền cho từng Lbx paralogon mà có thể được sử dụng để lần theo các gen Lbx khi các bộ gen động vật có xương sống khác trở nên khả dụng. Đặc biệt, chúng tôi cho thấy rằng động vật có xương sống chỉ giữ lại bản sao của các gen Lbx1 và Lbx2, trong đó một số gen Lbx2 có sự khác biệt cao. Do đó, chúng tôi đã thiết lập một nền tảng trên đó chức năng tiến hóa của gen Lbx trong phát triển động vật có xương sống có thể được đánh giá.
Từ khóa
#Lbx #gen Lbx #động vật có xương sống #sao chép gen #di truyền học #tiến hóaTài liệu tham khảo
Jagla K, Bellard M, Frasch M: A cluster of Drosophila homeobox genes involved in mesoderm differentiation programs. Bioessays. 2001, 23: 125-133. 10.1002/1521-1878(200102)23:2<125::AID-BIES1019>3.0.CO;2-C.
Pollard SL, Holland PW: Evidence for 14 homeobox gene clusters in human genome ancestry. Curr Biol. 2000, 10: 1059-1062. 10.1016/S0960-9822(00)00676-X.
Luke GN, Castro LF, McLay K, Bird C, Coulson A, Holland PW: Dispersal of NK homeobox gene clusters in amphioxus and humans. Proc Natl Acad Sci USA. 2003, 100: 5292-5295. 10.1073/pnas.0836141100.
Holland PW, Booth HA, Bruford EA: Classification and nomenclature of all human homeobox genes. BMC Biol. 2007, 5: 47-10.1186/1741-7007-5-47.
Larroux C, Fahey B, Degnan SM, Adamski M, Rokhsar DS, Degnan BM: The NK homeobox gene cluster predates the origin of Hox genes. Curr Biol. 2007, 17: 706-710. 10.1016/j.cub.2007.03.008.
Schafer K, Braun T: Early specification of limb muscle precursor cells by the homeobox gene Lbx1h. Nat Genet. 1999, 23: 213-216. 10.1038/13843.
Gross MK, Moran-Rivard L, Velasquez T, Nakatsu MN, Jagla K, Goulding M: Lbx1 is required for muscle precursor migration along a lateral pathway into the limb. Development. 2000, 127: 413-424.
Brohmann H, Jagla K, Birchmeier C: The role of Lbx1 in migration of muscle precursor cells. Development. 2000, 127: 437-445.
Martin BL, Harland RM: A novel role for lbx1 in Xenopus hypaxial myogenesis. Development. 2006, 133: 195-208. 10.1242/dev.02183.
Gross MK, Dottori M, Goulding M: Lbx1 specifies somatosensory association interneurons in the dorsal spinal cord. Neuron. 2002, 34: 535-549. 10.1016/S0896-6273(02)00690-6.
Muller T, Brohmann H, Pierani A, Heppenstall PA, Lewin GR, Jessell TM, Birchmeier C: The homeodomain factor lbx1 distinguishes two major programs of neuronal differentiation in the dorsal spinal cord. Neuron. 2002, 34: 551-562. 10.1016/S0896-6273(02)00689-X.
Cheng L, Samad OA, Xu Y, Mizuguchi R, Luo P, Shirasawa S, Goulding M, Ma Q: Lbx1 and Tlx3 are opposing switches in determining GABAergic versus glutamatergic transmitter phenotypes. Nat Neurosci. 2005, 8: 1510-1515. 10.1038/nn1569.
Kruger M, Schafer K, Braun T: The homeobox containing gene Lbx1 is required for correct dorsal-ventral patterning of the neural tube. J Neurochem. 2002, 82: 774-782. 10.1046/j.1471-4159.2002.01078.x.
Neyt C, Jagla K, Thisse C, Thisse B, Haines L, Currie PD: Evolutionary origins of vertebrate appendicular muscle. Nature. 2000, 408: 82-86. 10.1038/35040549.
Dietrich S, Schubert FR, Healy C, Sharpe PT, Lumsden A: Specification of the hypaxial musculature. Development. 1998, 125: 2235-2249.
Schubert FR, Dietrich S, Mootoosamy RC, Chapman SC, Lumsden A: Lbx1 marks a subset of interneurons in chick hindbrain and spinal cord. Mech Dev. 2001, 101: 181-185. 10.1016/S0925-4773(00)00537-2.
De Graeve F, Jagla T, Daponte JP, Rickert C, Dastugue B, Urban J, Jagla K: The ladybird homeobox genes are essential for the specification of a subpopulation of neural cells. Dev Biol. 2004, 270: 122-134. 10.1016/j.ydbio.2004.02.014.
Kanamoto T, Terada K, Yoshikawa H, Furukawa T: Cloning and expression pattern of lbx3, a novel chick homeobox gene. Gene Expr Patterns. 2006, 6: 241-246. 10.1016/j.modgep.2005.08.004.
Chen F, Liu KC, Epstein JA: Lbx2, a novel murine homeobox gene related to the Drosophila ladybird genes is expressed in the developing urogenital system, eye and brain. Mech Dev. 1999, 84: 181-184. 10.1016/S0925-4773(99)00073-8.
Holland PW, Garcia-Fernandez J, Williams NA, Sidow A: Gene duplications and the origins of vertebrate development. Dev Suppl. 1994, 125-133.
Taylor JS, Braasch I, Frickey T, Meyer A, Peer Van de Y: Genome duplication, a trait shared by 22000 species of ray-finned fish. Genome Res. 2003, 13: 382-390. 10.1101/gr.640303.
Amores A, Force A, Yan YL, Joly L, Amemiya C, Fritz A, Ho RK, Langeland J, Prince V, Wang YL, et al: Zebrafish hox clusters and vertebrate genome evolution. Science. 1998, 282: 1711-1714. 10.1126/science.282.5394.1711.
Wittbrodt J, Meyer A, Schartl M: More genes in fish?. Bio-Essays. 1998, 20: 511-515.
Wolfe K: Robustness–it's not where you think it is. Nat Genet. 2000, 25: 3-4. 10.1038/75560.
Postlethwait JH: The zebrafish genome in context: ohnologs gone missing. J Exp Zoolog B Mol Dev Evol. 2007, 308: 563-577. 10.1002/jez.b.21137.
Taylor JS, Peer Van de Y, Braasch I, Meyer A: Comparative genomics provides evidence for an ancient genome duplication event in fish. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci. 2001, 356: 1661-1679. 10.1098/rstb.2001.0975.
Wotton KR, Shimeld SM: Comparative genomics of vertebrate Fox cluster loci. BMC Genomics. 2006, 7: 271-10.1186/1471-2164-7-271.
Mulley JF, Chiu CH, Holland PW: Breakup of a homeobox cluster after genome duplication in teleosts. Proc Natl Acad Sci USA. 2006, 103: 10369-10372. 10.1073/pnas.0600341103.
Hoegg S, Meyer A: Phylogenomic analyses of KCNA gene clusters in vertebrates: why do gene clusters stay intact?. BMC Evol Biol. 2007, 7: 139-10.1186/1471-2148-7-139.
Dehal P, Boore JL: Two rounds of whole genome duplication in the ancestral vertebrate. PLoS Biol. 2005, 3: e314-10.1371/journal.pbio.0030314.
Lundin LG: Evolution of the vertebrate genome as reflected in paralogous chromosomal regions in man and the house mouse. Genomics. 1993, 16: 1-19. 10.1006/geno.1993.1133.
Pebusque MJ, Coulier F, Birnbaum D, Pontarotti P: Ancient large-scale genome duplications: phylogenetic and linkage analyses shed light on chordate genome evolution. Mol Biol Evol. 1998, 15: 1145-1159.
Gibson TJ, Spring J: Evidence in favour of ancient octaploidy in the vertebrate genome. Biochem Soc Trans. 2000, 28: 259-264.
Abi-Rached L, Gilles A, Shiina T, Pontarotti P, Inoko H: Evidence of en bloc duplication in vertebrate genomes. Nat Genet. 2002, 31: 100-105. 10.1038/ng855.
Castro LF, Holland PW: Chromosomal mapping of ANTP class homeobox genes in amphioxus: piecing together ancestral genomes. Evol Dev. 2003, 5: 459-465. 10.1046/j.1525-142X.2003.03052.x.
Panopoulou G, Hennig S, Groth D, Krause A, Poustka AJ, Herwig R, Vingron M, Lehrach H: New evidence for genome-wide duplications at the origin of vertebrates using an amphioxus gene set and completed animal genomes. Genome Res. 2003, 13: 1056-1066. 10.1101/gr.874803.
Castro LF, Furlong RF, Holland PW: An antecedent of the MHC-linked genomic region in amphioxus. Immunogenetics. 2004, 55: 782-784. 10.1007/s00251-004-0642-9.
Vienne A, Rasmussen J, Abi-Rached L, Pontarotti P, Gilles A: Systematic phylogenomic evidence of en bloc duplication of the ancestral 8p11.21-8p21.3-like region. Mol Biol Evol. 2003, 20: 1290-1298. 10.1093/molbev/msg127.
Dear TN, Sanchez-Garcia I, Rabbitts TH: The HOX11 gene encodes a DNA-binding nuclear transcription factor belonging to a distinct family of homeobox genes. Proc Natl Acad Sci USA. 1993, 90: 4431-4435. 10.1073/pnas.90.10.4431.
Langenau DM, Palomero T, Kanki JP, Ferrando AA, Zhou Y, Zon LI, Look AT: Molecular cloning and developmental expression of Tlx (Hox11) genes in zebrafish (Danio rerio). Mech Dev. 2002, 117: 243-248. 10.1016/S0925-4773(02)00187-9.
Logan C, Wingate RJ, McKay IJ, Lumsden A: Tlx-1 and Tlx-3 homeobox gene expression in cranial sensory ganglia and hindbrain of the chick embryo: markers of patterned connectivity. J Neurosci. 1998, 18: 5389-5402.
Thompson JD, Gibson TJ, Plewniak F, Jeanmougin F, Higgins DG: The CLUSTAL_X windows interface: flexible strategies for multiple sequence alignment aided by quality analysis tools. Nucleic Acids Res. 1997, 25: 4876-4882. 10.1093/nar/25.24.4876.
Guindon S, Gascuel O: A simple, fast, and accurate algorithm to estimate large phylogenies by maximum likelihood. Syst Biol. 2003, 52: 696-704. 10.1080/10635150390235520.
Guindon S, Lethiec F, Duroux P, Gascuel O: PHYML Online–a web server for fast maximum likelihood-based phylogenetic inference. Nucleic Acids Res. 2005, 33: W557-559. 10.1093/nar/gki352.