Trong quá trình tiến hóa từ những loài tetrapoda đầu tiên, các gen mới được tuyển dụng ngày càng trở thành các paralog của các gen hiện có và phân bố không ngẫu nhiên trong các nhiễm sắc thể

Wilfred D. Stein1, Moshe Hoshen2
1Silberman Institute of Life Sciences, Hebrew University, 91904, Jerusalem, Israel
2Bioinformatics Department, Jerusalem College of Technology, Tal Campus, Beit HaDfus 7, 95483, Jerusalem, Israel

Tóm tắt

Tóm tắt Đặt vấn đề Sự hiện diện hiện tại của các chuỗi gen toàn bộ của nhiều loài động vật trong toàn bộ lịch sử tiến hóa cho phép đặt ra câu hỏi về sự phân bố của các gen trên các nhiễm sắc thể. Liệu các gen mới được tuyển dụng, khi các nhánh mới xuất hiện, có phân bố ngẫu nhiên hay ở các vị trí không ngẫu nhiên? Kết quả Chúng tôi đã trích xuất các giá trị về tuổi thọ của các gen ở người và vị trí nhiễm sắc thể hiện tại từ các nguồn đã công bố. Phân tích định lượng cho thấy rằng sự phân bố của các gen được thêm mới giữa và trong các nhiễm sắc thể có vẻ ngày càng không ngẫu nhiên nếu quan sát các loài động vật dọc theo chuỗi tiến hóa từ các tổ tiên của tetrapoda cho đến các loài vượn lớn, trong khi các gen cổ xưa hơn thì phân bố ngẫu nhiên. Kết luận Sự ngẫu nhiên sẽ là kết quả của sự tiến hóa của nhiễm sắc thể, nhưng thời gian cho quá trình này ngày càng ít đi khi tiến hóa tiến triển. Nhiều sự tập trung của các gen mới được thêm vào phát sinh từ việc hình thành gen mới như các paralog trong các họ gen, gần vị trí của các gen đã được tuyển dụng trong phylostratum trước đó. Chúng tôi đưa ra ví dụ về các họ gen KRTAP, ZNF, OR và một số họ gen phụ khác. Chúng tôi cho thấy rằng sự tập trung cũng có thể phát sinh từ sự tiến hóa của chính các nhiễm sắc thể khi, như đối với các gen KRTAP, các khối gen trước đây nằm trên các nhiễm sắc thể khác nhau trở nên liên kết với nhau.

Từ khóa


Tài liệu tham khảo

Domazet-Loso T, Brajković JTD. A phylostratigraphy approach to uncover the genomic history of major adaptations in metazoan lineages. Trends Genet. 2007;23(11):533–9. https://doi.org/10.1016/j.tig.2007.08.014.

Domazet-Loso T, Tautz D. Phylostratigraphic tracking of cancer genes suggests a link to the emergence of multicellularity in metazoa. BMC Biol. 2010;8(1):66. https://doi.org/10.1186/1741-7007-8-66.

Sestak MS, Domazet-Loso T. Phylostratigraphic profiles in zebrafish uncover chordate origins of the vertebrate brain. Mol Biol Evol. 2015;32(2):299–312. https://doi.org/10.1093/molbev/msu319.

Arendsee Z, Li J, Singh U, Seetharam A, Dorman K, Wurtele ES. Phylostratr: a framework for phylostratigraphy. Bioinformatics. 2019;35(19):3517–627. https://doi.org/10.1093/bioinformatics/btz171.

Litman T, Stein WD. Obtaining estimates for the ages of all the protein-coding genes and most of the ontology-identified noncoding genes of the human genome, assigned to 19 phylostrata. Semin Oncol. 2018;46(1):3–9. https://doi.org/10.1053/j.seminoncol.2018.11.002.

Simonti CN, Capra JA. The evolution of the human genome. Curr Opin Genet Dev. 2015;35:9–15. https://doi.org/10.1016/j.gde.2015.08.005.

Vinogradov AE. DNA helix: the importance of being GC-rich. Mamm Genome. 2003;31(7):1838–44.

Plovesan A, Pelleri MC, Antonaros F, Strippoli P, Caracausi M, Vitale L. On the length, weight and GC content of the human genome. BMC Res Notes. 2019:1–7.

Khan I, Maldonado E, Vasconcelos V, O’Brien SJ, Johnson WE, Antunes A. Mammalian keratin associated proteins (KRTAPs) subgenomes: disentangling hair diversity and adaptation to terrestrial and aquatic environments. BMC Genomics. 2014;15(1):779. https://doi.org/10.1186/1471-2164-15-779.

Wu D-D, Irwin DM, Zhang Y-P. Molecular evolution of the keratin associated protein gene family in mammals, role in the evolution of mammalian hair. BMC Evol Biol. 2008;8(1):241–80. https://doi.org/10.1186/1471-2148-8-241.

Kasahara M. The 2R hypothesis: an update. Curr Opin Immunol. 2007;19(5):547–52. https://doi.org/10.1016/j.coi.2007.07.009.

Moyers BA, Zhang J. Evaluating Phylostratigraphic evidence for widespread de novo gene birth in genome evolution. Mol Biol Evol. 2016;33(5):1245–56. https://doi.org/10.1093/molbev/msw008.

Friedman R, Hughes AL. The temporal distribution of gene duplication events in a set of highly conserved human gene families. Mol Biol Evol. 2003;20(1):154–61. https://doi.org/10.1093/molbev/msg017.

Van Oss SB, Carvunis AR. De novo gene birth. PLoS Genet. 2019;15:e1008160.

Guerzoni D, McLysaght A. De novo genes arise at a slow but steady rate along the primate lineage and have been subject to incomplete lineage sorting. Genome Biol Evol. 2016;8(4):evw074.

Casola C. From De Novo to “ De Nono ”: The Majority of Novel Protein-Coding Genes Identified with Phylostratigraphy Are Old Genes or Recent Duplicates. Genome Biol Evol. 2018;10:2906–18.

Grimwood J, Gordon LA, Olsen A, Terry A, Schmutz J, Lamerdin J, et al. The DNA sequence and biology of human chromosome 19. 2004;428.

Schmutz J, Martin J, Terry A, Couronne O, Grimwood J, Lowry S, et al. The DNA sequence and comparative analysis of human chromosome 5. 2004;431.

Deakin JE, Delbridge ML, Koina E, Harley N, Alsop AE, Wang C, et al. Reconstruction of the ancestral marsupial karyotype from comparative gene maps. BMC Evol Biol. 2013;13:258.

Graves JAM. Weird mammals provide insights into the evolution of mammalian sex chromosomes and dosage compensation. J Genet. 2015;94(4):567–74. https://doi.org/10.1007/s12041-015-0572-3.

Holwerda S, de Laat W. Chromatin loops, gene positioning, and gene expression. Front Genet. 2012;3:1–13. https://doi.org/10.3389/fgene.2012.00217.

Fraser J, Ferrai C, Chiariello AM, Schueler M, Rito T, Laudanno G, et al. Hierarchical folding and reorganization of chromosomes are linked to transcriptional changes in cellular differentiation. Mol Syst Biol. 2015;11(12):1–14. https://doi.org/10.15252/msb.20156492.

Fujimoto S, Takase T, Kadono N, Maekubo K, Hirai Y. Krtap11-1, a hair keratin-associated protein, as a possible crucial element for the physical properties of hair shafts. J Dermatol Sci. 2014;74:39–47.

Cloete E, Khumalo NP, Ngoepe MN. The what, why and how of curly hair: a review. Proc Roy Soc A. 2019;475:20190516. https://doi.org/10.1098/rspa.2019.0516.

Bajdek P, Om MQ, Owocki K, Sulej T. Microbiota and food residues including possible evidence of pre-mammalian hair in upper Permian coprolites from. Lethaia. 2016;49(4):455–77. https://doi.org/10.1111/let.12156.

Ji Q, Luo Z, Yuan C, Wible JR, Zhang J, Georgi JA. The earliest known eutherian mammal. Nature. 2002;416(6883):816–22. https://doi.org/10.1038/416816a.

Khan I, Maldonado E, Vasconcelos V, O’Brien SJ, Johnson WE, Antunes A. Mammalian keratin associated proteins (KRTAPs) subgenomes: disentangling hair diversity and adaptation to terrestrial and aquatic environments. BMC Genomics. 2014;15:1–18.

Wu D-d, Irwin DM. Evolution of Trichocye keratin-associated proteins. Adv Exp Med Biol. 2018;1054:978–81.

Forslund SK. Advances and applications in the quest for Orthologs. Mol Biol Evol. 2019;36(10):2157–64. https://doi.org/10.1093/molbev/msz150.

Liebeskind BJ, McWhite CD, Marcotte EM. Towards consensus gene ages. Genome Biol Evol. 2016;8(6):1812–23. https://doi.org/10.1093/gbe/evw113.