Stepwise loss of motilin and its specific receptor genes in rodents

Specific interactions among biomolecules drive virtually all cellular functions and underlie phenotypic complexity and diversity. Biomolecules are not isolated particles, but are elements of integrated interaction networks, and play their roles through specific interactions. Simultaneous emergence or loss of multiple interacting partners is unlikely. If one of the interacting partners is lost, then what are the evolutionary consequences for the retained partner? Taking advantages of the availability of the large number of mammalian genome sequences and knowledge of phylogenetic relationships of the species, we examined the evolutionary fate of the motilin (MLN) hormone gene, after the pseudogenization of its specific receptor, MLN receptor (MLNR), on the rodent lineage. We speculate that the MLNR gene became a pseudogene before the divergence of the squirrel and other rodents about 75 mya. The evolutionary consequences for the MLN gene were diverse. While an intact open reading frame for the MLN gene, which appears functional, was preserved in the kangaroo rat, the MLN gene became inactivated independently on the lineages leading to the guinea pig and the common ancestor of the mouse and rat. Gain and loss of specific interactions among biomolecules through the birth and death of genes for biomolecules point to a general evolutionary dynamic: gene birth and death are widespread phenomena in genome evolution, at the genetic level; thus, once mutations arise, a stepwise process of elaboration and optimization ensues, which gradually integrates and orders mutations into a coherent pattern.

The origin of new genes: Glimpses from the young and old

Genome data have revealed great variation in the numbers of genes in different organisms, which indicates that there is a fundamental process of genome evolution: the origin of new genes. However, there has been little opportunity to explore how genes with new functions originate and evolve. The study of ancient genes has highlighted the antiquity and general importance of some mechanisms of gene origination, and recent observations of young genes at early stages in their evolution have unveiled unexpected molecular and evolutionary processes.

HSPC117 deficiency in cloned embryos causes placental abnormality and fetal death

Somatic cell nuclear transfer (SCNT) has been successfully used in many species to produce live cloned offspring, albeit with low efficiency. The low frequency of successful development has usually been ascribed to incomplete or inappropriate reprogramming of the transferred nuclear genome. Elucidating the genetic differences between normal fertilized and cloned embryos is key to understand the low efficiency of SCNT. Here, we show that expression of HSPC117, which encodes a hypothetical protein of unknown function, was absent or very low in cloned mouse blastocysts. To investigate the role of HSPC117 in embryo development, we knocked-down this gene in normal fertilized embryos using RNA interference. We assessed the post-implantation survival of HSPC117 knock-down embryos at 3 stages: E9 (prior to placenta formation); E12 (after the placenta was fully functional) and E19 (post-natal). Our results show that, although siRNA-treated in vivo fertilized/produced (IVP) embryos could develop to the blastocyst stage and implanted without any difference from control embryos, the knock-down embryos showed substantial fetal death, accompanied by placental blood clotting, at E12. Furthermore, comparison of HSPC117 expression in placentas of nuclear transfer (NT), intracytoplasmic sperm injection (ICSI) and IVP embryos confirmed that HSPC117 deficiency correlates well with failures in embryo development: all NT embryos with a fetus, as well as IVP and ICSI embryos, had normal placental HSPC117 expression while those NT embryos showing reduced or no expression of HSPC117 failed to form a fetus. In conclusion, we show that HSPC117 is an important gene for post-implantation development of embryos, and that HSPC117 deficiency leads to fetal abnormalities after implantation, especially following placental formation. We suggest that defects in HSPC117 expression may be an important contributing factor to loss of cloned NT embryos in vivo. (C) 2010 Elsevier Inc. All rights reserved.

家马核基因组中线粒体核内插入序列分析

在各种真核生物核基因组中,存在一些由线粒体基因组转移进入核基因组中的DNA片段,这些被认为是分子化石的片段叫做线粒体核内插入序列(Numt).由于Numt与真实的线粒体序列高度相似,因此它的存在必然会成为PCR扩增线粒体DNA的不利因素.利用已经公布的家马(Equus caballus)基因组序列(2007年9月公布,GenBank登录号为NC 009144--NC 009175)对家马Numt进行了深入分析,其发现200个可能的Numt,长度范围为29到3727bp,其中有10个的长度大于800bp.分析结果显示由于不存在线粒体控制区域的疑似Numt,因此对基于此区域的群体遗传学研究不会产生影响.本研究还发现在家马进化过程中,第1号和27号染色体更倾向于接受线粒体序列的转移.以上结果将为今后马科动物的研究提供重要的参考信息,有助于避免在线粒体DNA研究中由于Numt污染的存在而得出错误的实验结果.

Molecular evidence for diphyly of the Asian catfish family Amblycipitidae (Teleostei: Siluriformes) and exclusion of the South American Aspredinidae from Sisoroidea

Amblycipitidae Day, 1873 is an Asian family of catfishes (Siluriformes) usually considered to contain 28 species placed in three genera: Amblyceps (14 spp.), Liobagrus (12 spp.) and Xiurenbagrus (2 spp.). Morphology-based systematics has supported the monophyly of this family, with some authors placing Amblycipitidae within a larger group including Akysidae, Sisoridae and Aspredinidae, termed the Sisoroidea. Here we investigate the phylogenetic relationships among four species of Amblyceps, six species of Liobagrus and the two species of Xiurenbagrus with respect to other sisoroid taxa as well as other catfish groups using 6100 aligned base pairs of DNA sequence data from the rag1 and rag2 genes of the nuclear genome and from three regions (cyt b, COL ND4 plus tRNA-His and tRNA-Ser) of the mitochondrial genome. Parsimony and Bayesian analyses of the data indicate strong support for a diphyletic Amblycipitidae in which the genus Amblyceps is the sister group to the Sisoridae and a clade formed by genera Liobagrus and Xiurenbagrus is the sister group to Akysidae. These taxa together form a well supported monophyletic group that assembles all Asian sisoroid taxa, but excludes the South American Aspredinidae. Results for aspredinids are consistent with previous molecular studies that indicate these catfishes are not sisoroids, but the sister group to the South American doradoid catfishes (Auchenipteridae + Doradidae). The redefined sisoroid clade plus Bagridae, Horabagridae and (Ailia + Laides) make up a larger monophyletic group informally termed "Big Asia." Likelihood-based SH tests and Bayes Factor comparisons of the rag and the mitochondrial data partitions considered separately and combined reject both the hypothesis of amblycipitid monophyly and the hypothesis of aspredinid inclusion within Sisoroidea. This result for amblycipitids conflicts with a number of well documented morphological synapomorphies that we briefly review. Possible nomenclatural changes for amblycipitid taxa are noted.

PCR survey of Hox genes in the goldfish Carassius auratus auratus

A tetraploidization event took place in the cyprinid lineage leading to goldfishes about 15 million years ago. A PCR survey for Hox genes in the goldfish Carassius auratus auratus (Actinopterygii: Cyprinidae) was performed to assess the consequences of this genome duplication. Not surprisingly, the genomic organization of the Hox gene clusters of goldfish is similar to that of the closely related zebrafish (Danio rerio). However, the goldfish exhibits a much larger number of recent pseudogenes, which are characterized by indels. These findings are consistent with the hypothesis that dosage effects cause selection pressure to rapidly silence crucial developmental regulators after a tetraploidization event.

C-values of seven marine mammal species determined by flow cytometry

C-values, which estimate genome size, have puzzled geneticists for years because they bear no relationship to organismal complexity. Though C-values have been estimated for thousands of species, considerably more data are required in order to better understanding genome evolution. This is particularly true for mammals, in which C-values are known for less than 8% of the total number of mammalian species. Among marine mammals, a C-value has been estimated only for the bottlenose dolphin (Tursiops truncatus). Thus examination of additional species of marine mammals is necessary for comparative purposes. It will enable a better understanding of marine mammal genome evolution, and it is also relevant to conservation, because larger genome size has been linked to increased likelihood of extinction in some plant and animal groups. Our study presents C-values of seven marine mammal species, including five cetacean species that are endangered to varying degrees. Similarly to the results for other groups, our results suggest that larger genome size in cetaceans is related to an increased likelihood of extinction.

Mitochondrial DNA polymorphism A4917G is independently associated with age-related macular degeneration.

The objective of this study was to determine if MTND2*LHON4917G (4917G), a specific non-synonymous polymorphism in the mitochondrial genome previously associated with neurodegenerative phenotypes, is associated with increased risk for age-related macular degeneration (AMD). A preliminary study of 393 individuals (293 cases and 100 controls) ascertained at Vanderbilt revealed an increased occurrence of 4917G in cases compared to controls (15.4% vs.9.0%, p = 0.11). Since there was a significant age difference between cases and controls in this initial analysis, we extended the study by selecting Caucasian pairs matched at the exact age at examination. From the 1547 individuals in the Vanderbilt/Duke AMD population association study (including 157 in the preliminary study), we were able to match 560 (280 cases and 280 unaffected) on exact age at examination. This study population was genotyped for 4917G plus specific AMD-associated nuclear genome polymorphisms in CFH, LOC387715 and ApoE. Following adjustment for the listed nuclear genome polymorphisms, 4917G independently predicts the presence of AMD (OR = 2.16, 95%CI 1.20-3.91, p = 0.01). In conclusion, a specific mitochondrial polymorphism previously implicated in other neurodegenerative phenotypes (4917G) appears to convey risk for AMD independent of recently discovered nuclear DNA polymorphisms.

Identification of dopamine receptors across the extant avian family tree and analysis with other clades uncovers a polyploid expansion among vertebrates.

Dopamine is an important central nervous system transmitter that functions through two classes of receptors (D1 and D2) to influence a diverse range of biological processes in vertebrates. With roles in regulating neural activity, behavior, and gene expression, there has been great interest in understanding the function and evolution dopamine and its receptors. In this study, we use a combination of sequence analyses, microsynteny analyses, and phylogenetic relationships to identify and characterize both the D1 (DRD1A, DRD1B, DRD1C, and DRD1E) and D2 (DRD2, DRD3, and DRD4) dopamine receptor gene families in 43 recently sequenced bird genomes representing the major ordinal lineages across the avian family tree. We show that the common ancestor of all birds possessed at least seven D1 and D2 receptors, followed by subsequent independent losses in some lineages of modern birds. Through comparisons with other vertebrate and invertebrate species we show that two of the D1 receptors, DRD1A and DRD1B, and two of the D2 receptors, DRD2 and DRD3, originated from a whole genome duplication event early in the vertebrate lineage, providing the first conclusive evidence of the origin of these highly conserved receptors. Our findings provide insight into the evolutionary development of an important modulatory component of the central nervous system in vertebrates, and will help further unravel the complex evolutionary and functional relationships among dopamine receptors.

Phylogenomic analyses data of the avian phylogenomics project.

BACKGROUND: Determining the evolutionary relationships among the major lineages of extant birds has been one of the biggest challenges in systematic biology. To address this challenge, we assembled or collected the genomes of 48 avian species spanning most orders of birds, including all Neognathae and two of the five Palaeognathae orders. We used these genomes to construct a genome-scale avian phylogenetic tree and perform comparative genomic analyses. FINDINGS: Here we present the datasets associated with the phylogenomic analyses, which include sequence alignment files consisting of nucleotides, amino acids, indels, and transposable elements, as well as tree files containing gene trees and species trees. Inferring an accurate phylogeny required generating: 1) A well annotated data set across species based on genome synteny; 2) Alignments with unaligned or incorrectly overaligned sequences filtered out; and 3) Diverse data sets, including genes and their inferred trees, indels, and transposable elements. Our total evidence nucleotide tree (TENT) data set (consisting of exons, introns, and UCEs) gave what we consider our most reliable species tree when using the concatenation-based ExaML algorithm or when using statistical binning with the coalescence-based MP-EST algorithm (which we refer to as MP-EST*). Other data sets, such as the coding sequence of some exons, revealed other properties of genome evolution, namely convergence. CONCLUSIONS: The Avian Phylogenomics Project is the largest vertebrate phylogenomics project to date that we are aware of. The sequence, alignment, and tree data are expected to accelerate analyses in phylogenomics and other related areas.

The identification and characterization of inter- and intra-species genetic diversity derived from retrotransposons in humans

Retrotransposons, which used to be considered as “junk DNA”, have begun to reveal their immense value to genome evolution and human biology due to recent studies. They consist of at least ~45% of the human genome and are more or less the same in other mammalian genomes. Retrotransposon elements (REs) are known to affect the human genome through many different mechanisms, such as generating insertion mutations, genomic instability, and alteration in gene expression. Previous studies have suggested several RE subfamilies, such as Alu, L1, SVA and LTR, are currently active in the human genome, and they are an important source of genetic diversity between human and other primates, as well as among humans. Although several groups had used Retrotransposon Insertion Polymorphisms (RIPs) as markers in studying primate evolutionary history, no study specifically focused on identifying Human-Specific Retrotransposon Element (HS-RE) and their roles in human genome evolution. In this study, by computationally comparing the human genome to 4 primate genomes, we identified a total of 18,860 HS-REs, among which are 11,664 Alus, 4,887 L1s, 1,526 SVAs and 783 LTRs (222 full length entries), representing the largest and most comprehensive list of HS-REs generated to date. Together, these HS-REs contributed a total of 14.2Mb sequence increase from the inserted REs and Target Site Duplications (TSDs), 71.6Kb increase from transductions, and 268.2 Kb sequence deletion of from insertion-mediated deletion, leading to a net increase of ~14 Mb sequences to the human genome. Furthermore, we observed for the first time that Y chromosome might be a hot target for new retrotransposon insertions in general and particularly for LTRs. The data also allowed for the first time the survey of frequency of TE insertions inside other TEs in comparison with TE insertion into none-TE regions. In summary, our data suggest that retrotransposon elements have played a significant role in the evolution of Homo sapiens.

Identification et caractérisation de facteurs impliqués dans la réplication et la stabilité des génomes des organelles de plantes

Comparativement au génome contenu dans le noyau de la cellule de plante, nos connaissances des génomes des deux organelles de cette cellule, soit le plastide et la mitochondrie, sont encore très limitées. En effet, un nombre très restreint de facteurs impliqués dans la réplication et la réparation de l’ADN de ces compartiments ont été identifiés à ce jour. Au cours de notre étude, nous avons démontré l’implication de la famille de protéines Whirly dans le maintien de la stabilité des génomes des organelles. Des plantes mutantes pour des gènes Whirly chez Arabidopsis thaliana et Zea mays montrent en effet une augmentation du nombre de molécules d’ADN réarrangées dans les plastides. Ces nouvelles molécules sont le résultat d’une forme de recombinaison illégitime nommée microhomology-mediated break-induced replication qui, en temps normal, se produit rarement dans le plastide. Chez un mutant d’Arabidopsis ne possédant plus de protéines Whirly dans les plastides, ces molécules d’ADN peuvent même être amplifiées jusqu’à cinquante fois par rapport au niveau de l’ADN sauvage et causer un phénotype de variégation. L’étude des mutants des gènes Whirly a mené à la mise au point d’un test de sensibilité à un antibiotique, la ciprofloxacine, qui cause des bris double brin spécifiquement au niveau de l’ADN des organelles. Le mutant d’Arabidopsis ne contenant plus de protéines Whirly dans les plastides est plus sensible à ce stress que la plante sauvage. L’agent chimique induit en effet une augmentation du nombre de réarrangements dans le génome du plastide. Bien qu’un autre mutant ne possédant plus de protéines Whirly dans les mitochondries ne soit pas plus sensible à la ciprofloxacine, on retrouve néanmoins plus de réarrangements dans son ADN mitochondrial que dans celui de la plante sauvage. Ces résultats suggèrent donc une implication pour les protéines Whirly dans la réparation des bris double brin de l’ADN des organelles de plantes. Notre étude de la stabilité des génomes des organelles a ensuite conduit à la famille des protéines homologues des polymérases de l’ADN de type I bactérienne. Plusieurs groupes ont en effet suggéré que ces enzymes étaient responsables de la synthèse de l’ADN dans les plastides et les mitochondries. Nous avons apporté la preuve génétique de ce lien grâce à des mutants des deux gènes PolI d’Arabidopsis, qui encodent des protéines hautement similaires. La mutation simultanée des deux gènes est létale et les simples mutants possèdent moins d’ADN dans les organelles des plantes en bas âge, confirmant leur implication dans la réplication de l’ADN. De plus, les mutants du gène PolIB, mais non ceux de PolIA, sont hypersensibles à la ciprofloxacine, suggérant une fonction dans la réparation des bris de l’ADN. En accord avec ce résultat, la mutation combinée du gène PolIB et des gènes des protéines Whirly du plastide produit des plantes avec un phénotype très sévère. En définitive, l’identification de deux nouveaux facteurs impliqués dans le métabolisme de l’ADN des organelles nous permet de proposer un modèle simple pour le maintien de ces deux génomes.

Implication des protéines RECA dans le maintien de la stabilité du génome des chloroplastes d’Arabidopsis thaliana.

La stabilité génomique des organelles de plantes suscite un grand intérêt dans le domaine de la biologie végétale. En effet, plusieurs études récentes suggèrent que ce type d’instabilité génomique pourrait mener à l’isolation de traits intéressants en l’agronomie. Plusieurs protéines sont d’ailleurs déjà été identifiés comme étant impliqués dans le maintien de la stabilité de ces génomes, tels que MSH1, la famille des POLI, OSB1, les protéines Whirly et les Recombinases A (RECA). Le génome nucléaire d’Arabidopsis thaliana encode trois protéines s’apparentant à la Recombinase A bactérienne et qui sont ciblées à la mitochondrie et/ou au chloroplaste, soit RECA1, RECA2 et RECA3. Globalement, ces gènes partagent une similarité de séquence de 61% avec leur homologue bactérien chez Escherichia coli. Chez les bactéries ces protéines jouent un rôle essentiel dans la recombinaison homologue et sont impliquées dans la réparation de l’ADN. Chez Arabidopsis, il a été démontré que RECA2 et RECA3 sont nécessaires au maintien de l’intégrité du génome mitochondriale. Toutefois leur contribution à la stabilité du génome chloroplastique ainsi que le rôle de RECA1 restent obscures. Le but de ce projet est donc de déterminer la contribution éventuelle des protéines RECA d’Arabidopsis dans la réparation de l’ADN chloroplastique et plus précisément le rôle du gène RECA1. Nous énonçons l’hypothèse que les RECA de plantes se comportent effectivement comme leurs orthologues bactériens en étant impliqués dans la recombinaison homologue. Dans le cadre de ce projet, nous avons tenté d’isoler des lignées mutantes pour chacun des gènes RECA d’Arabidopsis. En somme, nous avons pu obtenir des lignées convenables pour notre étude que dans le cas du gène RECA1. Ces lignées ont été utilisées pour évaluer la contribution de ce gène à la stabilité du génome du chloroplaste. Ensuite, pour étudier la relation épistatique des gènes RECA1, WHY1 et WHY3, un croisement des différentes lignées mutantes pour ces gènes a été réalisé. Nous avons ensuite étudié la sensibilité de toutes ces lignées mutantes à la ciprofloxacine, un agent causant des bris double brin exclusivement dans les organelles de plantes. Finalement, iii nous avons testé la présence de réarrangements dans le génome du chloroplaste en condition normal ou en présence de stress génotoxique. Nos résultats démontrent que les protéines Whirly et RECA1 sont impliquées dans deux voies de réparation de l’ADN différentes et que les Whirly sont suffisantes pour s’occuper des bris d’ADN double brin en l’absence de RECA1. Nous démontrons également que l’absence de Whirly et RECA1 entraine une forte augmentation de la quantité de réarrangements dans le génome du chloroplaste. De plus nous proposons que la polymérase POLIB est impliquée dans la même voie de réparation que RECA1. Finalement nous proposons un modèle pour expliquer nos résultats et impliquons RECA1 dans un mécanisme de réparation d’ADN et aussi un rôle potentiel dans la réplication.

Algorithmes pour la reconstruction de génomes ancestraux

L’inférence de génomes ancestraux est une étape essentielle pour l’étude de l’évolution des génomes. Connaissant les génomes d’espèces éteintes, on peut proposer des mécanismes biologiques expliquant les divergences entre les génomes des espèces modernes. Diverses méthodes visant à résoudre ce problème existent, se classant parmis deux grandes catégories : les méthodes de distance et les méthodes de synténie. L’état de l’art des distances génomiques ne permettant qu’un certain répertoire de réarrangements pour le moment, les méthodes de synténie sont donc plus appropriées en pratique. Nous proposons une méthode de synténie pour la reconstruction de génomes ancestraux basée sur une définition relaxée d’adjacences de gènes, permettant un contenu en gène inégal dans les génomes modernes causé par des pertes de gènes de même que des duplications de génomes entiers (DGE). Des simulations sont effectuées, démontrant une capacité de former une solution assemblée en un nombre réduit de régions ancestrales contigües par rapport à d’autres méthodes tout en gardant une bonne fiabilité. Des applications sur des données de levures et de plantes céréalières montrent des résultats en accord avec d’autres publications, notamment la présence de fusion imbriquée de chromosomes pendant l’évolution des céréales.

Étude de l’évolution des génomes par duplications, pertes et réarrangements

La duplication est un des évènements évolutifs les plus importants, car elle peut mener à la création de nouvelles fonctions géniques. Durant leur évolution, les génomes sont aussi affectés par des inversions, des translocations (incluant des fusions et fissions de chromosomes), des transpositions et des délétions. L'étude de l'évolution des génomes est importante, notamment pour mieux comprendre les mécanismes biologiques impliqués, les types d'évènements qui sont les plus fréquents et quels étaient les contenus en gènes des espèces ancestrales. Afin d'analyser ces différents aspects de l'évolution des génomes, des algorithmes efficaces doivent être créés pour inférer des génomes ancestraux, des histoires évolutives, des relations d'homologies et pour calculer les distances entre les génomes. Dans cette thèse, quatre projets reliés à l'étude et à l'analyse de l'évolution des génomes sont présentés : 1) Nous proposons deux algorithmes pour résoudre des problèmes reliés à la duplication de génome entier : un qui généralise le problème du genome halving aux pertes de gènes et un qui permet de calculer la double distance avec pertes. 2) Nous présentons une nouvelle méthode pour l'inférence d'histoires évolutives de groupes de gènes orthologues répétés en tandem. 3) Nous proposons une nouvelle approche basée sur la théorie des graphes pour inférer des gènes in-paralogues qui considère simultanément l'information provenant de différentes espèces afin de faire de meilleures prédictions. 4) Nous présentons une étude de l'histoire évolutive des gènes d'ARN de transfert chez 50 souches de Bacillus.