Complex history of a chromosomal paralogy region: insights from amphioxus aromatic amino acid hydroxylase genes and insulin-related genes

Aromatic amino acid hydroxylase (AAAH) genes and insulin-like genes form part of an extensive paralogy region shared by human chromosomes 11 and 12, thought to have arisen by tetraploidy in early vertebrate evolution. Cloning of a complementary DNA (cDNA) for an amphioxus (Branchiostoma floridae) hydroxylase gene (AmphiPAH) allowed us to investigate the ancestry of the human chromosome 11/12 paralogy region. Molecular phylogenetic evidence reveals that AmphiPAH is orthologous to vertebrate phenylalanine (PAH) genes; the implication is that all three vertebrate AAAH genes arose early in metazoan evolution, predating vertebrates. In contrast, our phylogenetic analysis of amphioxus and vertebrate insulin-related gene sequences is consistent with duplication of these genes during early chordate ancestry. The conclusion is that two tightly linked gene families on human chromosomes 11 and 12 were not duplicated coincidentally. We rationalize this paradox by invoking gene loss in the AAAH gene family and conclude that paralogous genes shared by paralogous chromosomes need not have identical evolutionary histories.

Phylogenetic utility of more axillary growth (MAX4 ) - like genes: a case study in Digitalis / Isoplexis (Plantaginaceae)

We present the first assessment of phylogenetic utility of a potential novel low-copy nuclear gene region in flowering plants. A fragment of the MORE AXILLARY GROWTH 4 gene (MAX4, also known as RAMOSUS1 and DECREASED APICAL DOMINANCE1), predicted to span two introns, was isolated from members of Digitalis/Isoplexis. Phylogenetic analyses, under both maximum parsimony and Bayesian inference, were performed and revealed evidence of putative MAX4-like paralogues. The MAX4-like trees were compared with those obtained for Digitalis/Isoplexis using ITS and trnL-F, revealing a high degree of incongruence between these different DNA regions. Network analyses indicate complex patterns of evolution between the MAX4 sequences, which cannot be adequately represented on bifurcating trees. The incidence of paralogy restricts the use of MAX4 in phylogenetic inference within the study group, although MAX4 could potentially be used in combination with other DNA regions for resolving species relationships in cases where paralogues can be clearly identified.

Phylogenetic utility of MORE AXILLARY GROWTH4 (MAX4)-like genes: a case study in Digitalis/Isoplexis (Plantaginaceae)

We present the first assessment of phylogenetic utility of a potential novel low-copy nuclear gene region in flowering plants. A fragment of the MORE AXILLARY GROWTH 4 gene (MAX4, also known as RAMOSUS1 and DECREASED APICAL DOMINANCE1), predicted to span two introns, was isolated from members of Digitalis/Isoplexis. Phylogenetic analyses, under both maximum parsimony and Bayesian inference, were performed and revealed evidence of putative MAX4-like paralogues. The MAX4-like trees were compared with those obtained for Digitalis/Isoplexis using ITS and trnL-F, revealing a high degree of incongruence between these different DNA regions. Network analyses indicate complex patterns of evolution between the MAX4 sequences, which cannot be adequately represented on bifurcating trees. The incidence of paralogy restricts the use of MAX4 in phylogenetic inference within the study group, although MAX4 could potentially be used in combination with other DNA regions for resolving species relationships in cases where paralogues can be clearly identified.

Independent and combined analyses of sequences from all three genomic compartments converge on the root of flowering plant phylogeny

Plant phylogenetic estimates are most likely to be reliable when congruent evidence is obtained independently from the mitochondrial, plastid, and nuclear genomes with all methods of analysis. Here, results are presented from separate and combined genomic analyses of new and previously published data, including six and nine genes (8,911 bp and 12,010 bp, respectively) for different subsets of taxa that suggest Amborella + Nymphaeales (water lilies) are the first-branching angiosperm lineage. Before and after tree-independent noise reduction, most individual genomic compartments and methods of analysis estimated the Amborella + Nymphaeales basal topology with high support. Previous phylogenetic estimates placing Amborella alone as the first extant angiosperm branch may have been misled because of a series of specific problems with paralogy, suboptimal outgroups, long-branch taxa, and method dependence. Ancestral character state reconstructions differ between the two topologies and affect inferences about the features of early angiosperms.

Algorithmes de construction et correction d'arbres de gènes par la réconciliation

Les gènes, qui servent à encoder les fonctions biologiques des êtres vivants, forment l'unité moléculaire de base de l'hérédité. Afin d'expliquer la diversité des espèces que l'on peut observer aujourd'hui, il est essentiel de comprendre comment les gènes évoluent. Pour ce faire, on doit recréer le passé en inférant leur phylogénie, c'est-à-dire un arbre de gènes qui représente les liens de parenté des régions codantes des vivants. Les méthodes classiques d'inférence phylogénétique ont été élaborées principalement pour construire des arbres d'espèces et ne se basent que sur les séquences d'ADN. Les gènes sont toutefois riches en information, et on commence à peine à voir apparaître des méthodes de reconstruction qui utilisent leurs propriétés spécifiques. Notamment, l'histoire d'une famille de gènes en terme de duplications et de pertes, obtenue par la réconciliation d'un arbre de gènes avec un arbre d'espèces, peut nous permettre de détecter des faiblesses au sein d'un arbre et de l'améliorer. Dans cette thèse, la réconciliation est appliquée à la construction et la correction d'arbres de gènes sous trois angles différents: 1) Nous abordons la problématique de résoudre un arbre de gènes non-binaire. En particulier, nous présentons un algorithme en temps linéaire qui résout une polytomie en se basant sur la réconciliation. 2) Nous proposons une nouvelle approche de correction d'arbres de gènes par les relations d'orthologie et paralogie. Des algorithmes en temps polynomial sont présentés pour les problèmes suivants: corriger un arbre de gènes afin qu'il contienne un ensemble d'orthologues donné, et valider un ensemble de relations partielles d'orthologie et paralogie. 3) Nous montrons comment la réconciliation peut servir à "combiner'' plusieurs arbres de gènes. Plus précisément, nous étudions le problème de choisir un superarbre de gènes selon son coût de réconciliation.

Algorithmes de construction et correction d'arbres de gènes par la réconciliation

Les gènes, qui servent à encoder les fonctions biologiques des êtres vivants, forment l'unité moléculaire de base de l'hérédité. Afin d'expliquer la diversité des espèces que l'on peut observer aujourd'hui, il est essentiel de comprendre comment les gènes évoluent. Pour ce faire, on doit recréer le passé en inférant leur phylogénie, c'est-à-dire un arbre de gènes qui représente les liens de parenté des régions codantes des vivants. Les méthodes classiques d'inférence phylogénétique ont été élaborées principalement pour construire des arbres d'espèces et ne se basent que sur les séquences d'ADN. Les gènes sont toutefois riches en information, et on commence à peine à voir apparaître des méthodes de reconstruction qui utilisent leurs propriétés spécifiques. Notamment, l'histoire d'une famille de gènes en terme de duplications et de pertes, obtenue par la réconciliation d'un arbre de gènes avec un arbre d'espèces, peut nous permettre de détecter des faiblesses au sein d'un arbre et de l'améliorer. Dans cette thèse, la réconciliation est appliquée à la construction et la correction d'arbres de gènes sous trois angles différents: 1) Nous abordons la problématique de résoudre un arbre de gènes non-binaire. En particulier, nous présentons un algorithme en temps linéaire qui résout une polytomie en se basant sur la réconciliation. 2) Nous proposons une nouvelle approche de correction d'arbres de gènes par les relations d'orthologie et paralogie. Des algorithmes en temps polynomial sont présentés pour les problèmes suivants: corriger un arbre de gènes afin qu'il contienne un ensemble d'orthologues donné, et valider un ensemble de relations partielles d'orthologie et paralogie. 3) Nous montrons comment la réconciliation peut servir à "combiner'' plusieurs arbres de gènes. Plus précisément, nous étudions le problème de choisir un superarbre de gènes selon son coût de réconciliation.