Der Verlust der Gene in Magen-Funktion während Schnabeltier Entwicklung beteiligt

Der Verlust der Gene in Magen-Funktion während Schnabeltier evolution
Zusammenfassung
Hintergrund
Das Schnabeltier verwickelt (Ornithorhynchus anatinus
) gehört zu den Säugetier-Unterklasse Prototheria, die von der Theria Linie früh in der Evolution der Säugetiere abwich . Die Schnabeltier Genomsequenz bietet eine einzigartige Gelegenheit, einige Aspekte der Biologie und Evolution der Tiere zu beleuchten.
Ergebnisse
Wir zeigen, dass mehrere Gene in Lebensmitteln Verdauung im Magen beteiligt haben in Schnabeltier gelöscht oder inaktiviert worden. Vergleich mit anderen Vertebraten Genomen zeigte, daß die Hauptgene in der Bildung und der Aktivität von Magensaft gebracht wurden in Schnabeltier verloren. Dazu gehören die Aspartyl Pepsin A Proteasen und pepsinogens B /C, die Salzsäure Sekretion stimulierenden Hormon Gastrin, und die α-Untereinheit des Magen-H + /K + - ATPase. Andere Gene in Magen-Funktionen beteiligt, wie beispielsweise die β-Untereinheit des H + /K + - ATPase und die Aspartylprotease Cathepsin E, haben aufgrund der Übernahme von loss-of-function Mutationen inaktiviert worden. Der beobachtete Verlust von Genen in Magen-Funktionen beteiligt sein könnten für die anatomische verantwortlich sein Alle diese Gene sind hoch bei den Wirbeltieren konserviert, ein einzigartiges Muster der Evolution im Schnabeltier Genom reflektieren nicht vorher in anderen Säugergenomen gesehen.
Fazit
und physiologische Unterschiede in Magen-Darm-Trakt zwischen Kloakentiere und andere Wirbeltiere, einschließlich der kleinen Größe, der Mangel an Drüsen und hohen pH-Wert des Magens Monotreme. Diese Studie trägt zu einem besseren Verständnis der Mechanismen, die die Entwicklung des Schnabeltier Genoms zugrunde liegen, könnten die weniger ist mehr erweitern Evolutionsmodell zu Kloakentiere und liefert neue Einblicke in die Bedeutung von Gen-Verlust Ereignisse während der Evolution der Säugetiere.
hintergrund und ein wichtiges Ziel bei der Sequenzierung verschiedener Genome ist es, die genetischen Veränderungen zu identifizieren, die für die physiologischen Unterschiede zwischen diesen Organismen verantwortlich sind. In diesem Zusammenhang hat der Vergleich zwischen Mensch und Nagetier Genome eine Expansion bei Nagetieren von Genen identifiziert, die bei der Befruchtung und der Spermienreifung, Wirtsabwehr, die Geruchswahrnehmung oder Entgiftung [1-3], was bestätigt, auf der genetischen Ebene die physiologischen Unterschiede eine Rolle spielen in diesen Prozessen zwischen Menschen und Nagetieren. Darüber hinaus hat die Entwicklung von spezifischen biologischen Prozesse während der Evolution, beispielsweise die Herstellung von Milch in Säugern wurde durch das Auftreten von neuen Genen begleitet, die in diesen neuen Funktionen, wie beispielsweise Casein und α-Lactalbumin [4] beteiligt sind. Daher scheint es, dass der Erwerb von neuen physiologischen Funktionen während Vertebraten Evolution durch die Erzeugung von neuen Genen angepasst diesen neueren Funktionen getrieben. Doch obwohl Gen gewinnt einen intuitiven Mechanismus für die Entwicklung neuer biologischer Funktionen darstellen, haben Gen Verluste auch im Verlauf der Evolution, wichtig sowohl quantitativ als auch qualitativ [5-9]. Die jüngste Verfügbarkeit von zahlreichen wirbel Genome hat die Möglichkeit eröffnet große evolutionäre Analyse durchzuführen, um differentielle Gene, die für die spezifischen Unterschiede in bestimmten biologischen Prozesse zu identifizieren.
Die Schnabeltier (Ornithorhynchus anatinus
) repräsentiert eine wertvolle Ressource für die molekularen Mechanismen zu entwirren, die während der Evolution der Säugetiere aktiv waren, sowohl auf ihre phylogenetische Position und auf das Vorhandensein von einzigartigen biologischen Eigenschaften [10]. Zusammen mit den echidnas, Schnabeltier bildet die Monotremata Unterklasse (prototherians); Dies ist einer der zwei Unterklassen, in die Säugetiere unterteilt sind, zusammen mit therians, die weiter in marsupials (metatherians) unterteilt sind und plazentalen Säugetieren (eutherians) [11]. Das Auftreten von Säugetier-spezifischen Eigenschaften wie homeothermy, die Anwesenheit von Fell und Brustdrüsen macht dieses Organismus ein Schlüsselelement in der genetischen Faktoren aufzuklären, die in der Erscheinung dieser biologischen Funktionen beteiligt sind. Da jedoch der letzte Säugetier gemeinsamen Vorfahren, mehr als 166 Millionen Jahren (MYA) [12, 13], haben andere Eigenschaften entstanden, wie das Vorhandensein von Giftdrüsen oder Elektrorezeption und einige wirbel Eigenschaften verloren gegangen, was die Abwesenheit von Erwachsenen die Zähne oder eine funktionelle Magen [14, 15]. in dieser Arbeit
zeigen wir, dass es eine selektive Löschung und Deaktivierung im Schnabeltier Genom von mehreren Genen wurde, die in der Aktivität des Magens beteiligt sind, einschließlich alle Gene Pepsin Proteasen kodieren, die in der anfänglichen Verdau von Proteinen im sauren pH des Magens für die Sekretion von Säure in diesem Organ (Figur 1) erforderlich, sowie die Gene beteiligt sind. Der Verlust und die Inaktivierung dieser Gene stellen eine molekulare Basis für das Verständnis der Mechanismen, die für die Abwesenheit in Schnabeltier eines funktionellen Magen verantwortlich sind, und unser Wissen über die Entwicklung von Säugetiergenomen zu erweitern. Abbildung 1 Schema des eutherian Magen-Darm-System, Magen-Drüsen und spezifische Zelltypen zeigt. Proteine, die durch jeden Zelltyp sezerniert und direkt in der Verdauung beteiligt sind angegeben, Hervorhebung in rot jene Proteine, die in Schnabeltier fehlen. * Magen-Intrinsic-Faktor von Belegzellen in Menschen produziert wird, sondern in der Bauchspeicheldrüse von Kloakentiere und andere Säugetiere.
Ergebnisse und Diskussion
Während der ersten Annotation und Charakterisierung des Schnabeltier im Schnabeltier Genom
von Pepsin Gene Verlust Genom, bemerkten wir die Abwesenheit von mehreren Proteasegene in diesem Organismus, die in anderen Säugerspezies vorhanden waren [2, 10]. Die meisten dieser verloren Protease-Gene kodieren für Mitglieder von sich schnell entwickelnden Protease Familien, einschließlich Proteasen, die in immunologischen Funktionen, Spermatogenese oder Befruchtung beteiligt sind [2, 16]. Wenn wir jedoch eine weitere detaillierte Analyse aller dieser Protease-Gene verloren in Schnabeltier durchgeführt, beobachteten wir, dass diese Codierung drei großen Magen Aspartylproteasen (Pepsin A, Pepsin B und gastricsin /Pepsinogen C) waren ebenfalls von der Schnabeltier Genomassemblierung abwesend . Diese Proteasen sind verantwortlich für die proteolytische Spaltung von Nahrungsproteinen bei dem sauren pH des Magens, und wurden durch die Evolution hoch konserviert, von Fisch an Säugetiere und Vögel [17]. Die Gene, die für diese Proteasen (PGA
, PGB
und PGC
) in unterschiedlichen chromosomalen Loci hat Gesamtstruktur, deren in den meisten Wirbeltiergenomen gut konserviert, einschließlich Schnabeltier (Abbildung 2). Daher erschien es unwahrscheinlich, daß ihre Abwesenheit in Schnabeltier der Unvollständigkeit des Genoms Anordnung in einer spezifischen chromosomalen Region zurückzuführen sein könnte. Darüber hinaus Analyse von mehr als 2 Millionen Spuren Sequenzen nicht in der Montage und expressed sequence tag (EST) Sequenzen von verschiedenen Schnabeltier Gewebe [10] auch nicht die Existenz irgendeines dieser pepsinogen Gene zu enthüllen, die Hypothese verstärkt, dass sie gewesen war, spezifisch in das Genom dieses Säugers gelöscht. Abbildung 2 Löschen von Pepsin-kodierenden Gene im Genom Schnabeltier. (A) Syntenie Karte der Loci enthält, PGB und PGC

in Vertebraten zeigt eine starke Konservierung der Gene, die für Pepsinogen C und seine flankierenden Gene, mit Ausnahme von Schnabeltier, bei dem PGC
spezifisch gewesen gelöscht. Die Figur zeigt auch, wie das Gen, kodierend Pepsinogen B in therians als Ergebnis einer Duplizierung von PGC-Mail an einen nahegelegenen Ort erschien, durch eine Translokation gefolgt. Die entsprechende Region im Schnabeltier Genom fehlt jede Pepsin-kodierenden Gens. Funktionelle pepsinogen Gene sind in blau gefärbt, während pepsinogen Pseudo in rot sind. Für Mensch und Hund, die eine Translokation des PGB
Locus unterzog, Chromosomen werden auf der linken Seite angezeigt. Die Genomsequenzen analysiert sind von Platypus (Ornithorhynchus anatinus
), Mensch (Homo sapiens
), Hund (Canis familiaris
), Opossum (Monodelphis domestica
), Eidechse (Anolis carolinensis
) , Huhn (Gallus gallus
) und Frosch (Xenopus tropicalis
). (B) Syntenie Karte des PGA
Locus in verschiedenen Wirbeltierarten zeigt die Streichung dieser Magen-Protease-Gens im Genom Schnabeltier. Bakterielle künstliche Chromosomen (BACs) und Fosmide in der Studie verwendet werden, an der Spitze jeder Platte angegeben. . Gene Farben und Maßstab sind die gleichen wie in das Panel ein
Um diese Möglichkeit zu untersuchen weiter, verglichen wir zunächst die genomische Organisation dieser drei Aspartylprotease Gene - PGA
, PGB
und PGC
- in die Genome von Mensch, Hund, Opossum, Huhn, Eidechse und Frosch [18-21]. Es ist gut bekannt, dass die Gene, codierend pepsinogens während Vertebraten evolution mehreren Erweiterungen unterzogen wurden, was auf die Anwesenheit von mindestens drei bis sechs verschiedene Funktionselemente in den Genomen dieser Organismen (Abbildung 2a). Zusätzlich hat resultierte eine Duplikation Ereignis in PGC
in der therian lineage in der Bildung von PGB
, die wahrscheinlich ersetzt die Funktion von PGC
hat in Opossum und Hund, und im letzteren sein funktionelle erscheint, , die wurde von pseudogenization inaktiviert. Die Loci diese pepsinogen Gene enthaltenden hoch wurden durch die Evolution konserviert, und ihre flankierenden Gene sind sowohl in Ordnung und Nukleotid-Sequenz in wirbel Genome (Abbildung 2a).
Analyse von Schnabeltier künstlichen Bakterienchromosomen (BACs) und /oder auch perfekt konserviert Fosmide diesen Bereichen entsprechen ergeben, dass die Gene, die die pepsinogen Gene in anderen Spezies konserviert sind und Karte mit dem entsprechenden syntenische Bereich des Schnabeltier Genoms (Abbildung 2) flankieren. Jedoch konnte eine DNA-Sonde Pepsin A gegen Maus entsprechend mit den analysierten Schnabeltier BACs oder Fosmide von Interesse Spanning die Regionen zu hybridisieren (Zusätzliche Datendatei 1 zu sehen). Darüber hinaus vollständige Sequenzierung der genomischen Schnabeltier Regionen flankiert von TFEB
und FRS3
sowie von C1orf88
und CHIA2
jeweils alle Gene, die für Pepsinogen C oder Pepsin B zu erkennen ist fehlgeschlagen. Zusätzlich und um die Möglichkeit zu testen, dass Pepsinogen Gene zu anderen Loci während Schnabeltier evolution umgesetzt worden, eine Southern-Blot-Analyse mit der gleichen Sonde wurde unter Verwendung von genomischer Gesamt-DNA durchgeführt. Diese Analyse ergab in Abwesenheit von Hybridisierung, wenn genomische DNA von Schnabeltier und einer echidna Spezies (Tachyglossus aculeatus
) verwendet wurden, während die gleichen Sonde ohne weiteres zwei Bänder Hybridisierung nachgewiesen in weitere evolutionär entfernten Spezies wie lizard (Podarcis hispanica
) und Huhn (Daten nicht gezeigt).
Zusammen zeigen diese Daten, dass die Gene, die diese codieren, Magen-Proteasen spezifisch in das Genom von Monotremata gelöscht wurden, wahrscheinlich in wichtigen Unterschieden in der Verdauung von Nahrungsproteinen in diesen Spezies führt, wenn verglichen mit anderen Wirbeltieren.
Verlust oder Inaktivierung von Genen Schnabeltier verwickelt in die Sekretion von Magensäure
Pepsinogene von Hauptzellen in den oxyntic Drüsen des Magens als inaktive Vorstufen synthetisiert werden, die aktiviert werden, wenn sie auf den niedrigen pH-Wert des ausgesetzt sind Magenflüssigkeit [22]. Die Sekretion von Salzsäure wird durch den Magenhormon Gastrin stimuliert, die durch enteroendokrinen G-Zellen freigesetzt wird, die in Pylorusdrüsen in Reaktion vorhanden sind Säuren und verdauliche Proteine ​​zu Aminogruppen. Um zu versuchen, die obigen Feststellungen auf das Fehlen von Pepsin Gene in Schnabeltier zu erweitern, werteten wir als nächstes die Möglichkeit, dass das Gen, das für Gastrin (GAST
) könnte auch aus dem Schnabeltier Genom fehlen.
Nach vergleichenden Genomanalyse im Anschluss an die gleiche Strategie, wie im Fall von Pepsinogen Gene, konnte wir keinen Beweis für das Vorhandensein von GAST zu erfassen
in Schnabeltier (Zusätzliche Datendatei 1 zu sehen), was darauf hindeutet, dass die Säuresekretion könnte auch in dieser Spezies nicht beeinträchtigt werden. Übereinstimmend mit dieser Beobachtung parallel genomische Analyse zeigte auch, dass die α-Untereinheit des H + /K + - ATPase (ATP4A
), die für die Ansäuerung des Mageninhalts durch Belegzellen verantwortlich ist, auch aus dem Schnabeltier Genom gelöscht. Dieses Gen, das von Fisch bis amniotes vorhanden ist, wurde durch die Evolution hoch konserviert, sondern ist von der Schnabeltier Genomassemblierung (Abbildung 3a) fehlen. Auch ähnlich wie im Fall von Pepsin Gene, die ATP4A
-flanking Gene (TMEM147
und KIAA0841
), die in Fisch vorhanden sind, therians und Huhn, wurden leicht in Schnabeltier identifiziert. Somit Analyse eines Klons Fosmid in dieser Region mit einer Sonde entsprechen, für den proximalsten Gen (TMEM147
) ergab Nachweis eines spezifischen Hybridisierungsbande in Schnabeltier (Zusätzliche Datendatei 1 zu sehen). Jedoch konnte keine Hybridisierungsbanden in Schnabeltier detektiert werden Fosmid KAGG-0404B19 oder genomische Gesamt-DNA von Schnabeltier und T. aculeatus
wenn ein Mensch abgeleitet ATP4A
Sonde, die sonst spezifischen Banden in Maus, Huhn erkannt und Eidechse (Zusätzliche Datendatei 1 und Daten nicht gezeigt). Diese Ergebnisse erweitern die obigen Feststellungen auf Magen-Protease-Gene und zeigen, dass andere Gene im Verdauungsaktivität von Magensaft beteiligt auch selektiv aus den Genomen von Monotremata gelöscht. Figur 3 Abwesenheit eines funktionellen Magensäure sezernierende H + /K + -ATPase in Monotremata. (A) Die phylogenetische Baum, um die Verteilung einer funktionellen α-Untereinheit des H darstellt + /K + -ATPase-Gen (ATP4A
) in Vertebraten in rot was die Abwesenheit dieses Gens in Schnabeltier. Der Prozentsatz der Identität auf Proteinebene von ATP4A von Mensch (Homo sapiens
), Hund (Canis familiaris
), Opossum (Monodelphis domestica
), Eidechse (Anolis carolinensis
), Huhn (Gallus gallus
) und Frosch (Xenopus tropicalis
) in gelben Kästen gezeigt. (B) Genstruktur von ATP4B
und Aminosäuresequenz Ausrichtung der angegebenen Exons mit ATP4B aus verschiedenen Wirbeltierarten, einschließlich der Knochenfische stickleback (Gasterosteus aculeatus
). Elektropherogramme und Sequenz Übersetzung von Schnabeltier ATP4B
Exons 3, 4, und 7 das Vorhandensein von vorzeitigen Stopp-Codons zeigt und eine Frameshift (roter Pfeil). MYA, Millionen Jahren.
Nächstes untersuchten wir die Möglichkeit, die Mechanismen unterscheiden sich von denen der spezifischen Deletion von Magen-Gene beteiligt auch auf den scheinbaren Verlust in Schnabeltier von evolutionär konservierten Verdauungsfunktionen beitragen könnten. Diese Analyse führte uns zu dem Schluss, dass zwei gut Magen-Gene bekannt - nämlich CTSE
und ATP4B
[23-25], die die Aspartylprotease Cathepsin E und die β-Untereinheit des H + /K kodieren + - ATPase, bzw. - wurden von pseudogenization inaktiviert. So beobachteten wir zunächst, dass die Schnabeltier Genom enthält Sequenzen mit hoher Ähnlichkeit zu den beiden Magen-Gene in den entsprechenden syntenische Regionen, was darauf hindeutet, dass CTSE
und ATP4B
tatsächlich funktionelle Gene in Schnabeltier sein könnte. Jedoch weitere detaillierte Analyse der Nukleotidsequenz zeigte, daß CTSE
in dieser Spezies sowohl auf Anwesenheit eines vorzeitigen Stopcodon in Exon 7 (Lys295Ter) und zum Verlust von sechs der neun Exons nonfunctional ist. In ähnlicher Weise hat das codierende Gen ATP4B wurde in den Exons 3 und 4 (Tyr98Ter und Lys153Ter), sowie eine Rasterverschiebungs in Exon 7 (Abbildung 3b) aufgrund des Vorhandenseins eines vorzeitigen Stopcodons in Schnabeltier pseudogenized. Diese Beobachtung, zusammen mit dem Verlust von ATP4A
in Schnabeltier, bestätigt das Fehlen eines funktionalen H + /K + - ATPase in diesem Vertebraten und stellt zumindest ein Teil der Erklärung für das Fehlen von Säure Sekretion im Schnabeltier Magen; Dies ist ein charakteristisches Merkmal der Kloakentiere, deren Magensaft pH-Wert über 6 [14].
Verlust von Magen-Gene während der Schnabeltier Evolution
Der Säugetier Magen ist mit einem Drüsenepithels ausgekleidet, die vier großen Zelltypen enthält [26] : Schleim, parietalen, Chef und enteroendokrinen Zellen. Die oben dargestellten Daten zeigen, dass die Gene verschiedene Produkte dieser vier Hauptzelltypen des Magen Drüsenepithel kodieren, während monotreme evolution (Abbildung 1 und Tabelle 1) selektiv deletiert oder inaktiviert worden ist. Obwohl die Gene Proteasen codieren, wurde gezeigt, unterworfen werden, um Prozesse von Gen-Gewinn /Verlust Ereignisse in beiden wirbel und wirbellosen Genome [5, 16, 27], haben wir feststellen, dass diese Gen Verlust in Schnabeltier Magen-Gene beobachtet Ereignisse stellen keine Allgemeine Verfahren alle Proteine ​​beeinflussen, die in der Verdauung beteiligt sind, weil Analyse von Genen in Magen-Darm-Funktionen beteiligt ergeben, dass diese Proteasen codieren, und Hormone im Darm oder exokrinen Pankreas von eutherians ausgedrückt werden perfekt in Schnabeltier (Figur 1) erhalten. Es scheint daher, dass es einen selektiven Verlust von Schnabeltier Gene war verantwortlich für die biologische Aktivität von Magen juice.Table 1 Zusammenfassung von Genen in Magen-Funktion in Schnabeltier verwickelt
Protein
Gene
-Status in Schnabeltier Genom

bestätigende Beweise
ATPase, H + /K + Austausch von α-Polypeptid
ATP4A
Absent
Southern-Blot-
ATPase, H + /K + Austausch, β-Polypeptid
ATP4B
Pseudogen
PCR /direkte Sequenzierung
Cathepsin E
CTSE
Pseudogen
PCR /direkte Sequenzierung
Gastrin
GAST
Absent
Southern-Blot-
Neurogenin 3
Ngn3
Absent
Southern-Blot-
Pepsin A
PGA
Absent
Southern-Blot /Sequenzierung
Pepsin C
PGC
Absent
Southern-Blot /Sequenzierung
Magen-Intrinsic Faktor
GIF
Gegenwart (Ausdruck Pankreas)
RT-PCR
Chymosin
CYMP
Gegenwart (Ausdruck nicht erkannt)
Sequencing /RT-PCR
RT, -PCR, Transkription-Polymerase-Kettenreaktion umkehren.
weiter diese Frage zu untersuchen, führten wir als nächstes eine detaillierte Suche nach dem mutmaßlichen Auftreten im Schnabeltier Genom von funktionellen Genen, die für Proteine, die von Magendrüsen abgesondert. Diese Suche führte uns zu der Identifizierung von zwei Genen mit interessanten Eigenschaften in dieser Hinsicht. Das Gen, das für Magen-Intrinsic-Faktor (GIF
), die für die Aufnahme von Vitamin B 12 notwendig ist, ist eines der besten in Schnabeltier konserviert. Dieses Protein wird durch Haupt oder Parietalzellen in den meisten eutherians sezerniert wird, aber es wird hauptsächlich von Pankreaszellen in Hunden sowie in Opossum hergestellt, in dem kein Magen Expression nachgewiesen werden kann [28, 29]. Es ist daher wahrscheinlich, dass die Expression dieses Gens vor dem prototherian-therian Spaltung Pankreas war und der intrinsische Faktor könnte noch von der Bauchspeicheldrüse in Schnabeltier sezerniert werden, wo sie ihre physiologische Funktion ausüben können.
Diese Möglichkeit zu untersuchen, haben wir geführt RT-PCR-Analyse von spezifischen Primern für GIF Karten und RNA aus verschiedenen Geweben von entweder Schnabeltier oder echidna (T. aculeatus
) verwendet wird. Dadurch konnten wir feststellen, dass GIF
Ausdruck in der Bauchspeicheldrüse nachgewiesen werden kann, und eine geringere Expression auch in der Leber als auch in Echidna Gehirn nachgewiesen werden konnte, während keine Expression im Muskel oder Gehirn von Schnabeltier erkannt wurde (Zusätzliche Datendatei 2 zu sehen ). Daher zeigen diese Ergebnisse, dass, ähnlich dem Fall von marsupials das GIF
Gen auch von der Bauchspeicheldrüse in Monotremata exprimiert wird. Eine ähnliche Situation im Falle von Chymosin auftreten könnte, einer Aspartylprotease, die durch begrenzte Proteolyse von Casein κ [30] in Milchgerinnungsteilnimmt. Chymosin ist in Hühner- und in den meisten Säugerarten, auch wenn es durch pseudogenization in Menschen und anderen Primaten inaktiviert worden [2, 31]. Unsere genomische Analyse nachgewiesen auch ein Gen, das eine vollständige offene Leserahmen enthält, die eine funktionelle Chymosin-Gen im Schnabeltier Genom darstellen könnten. Dieses Ergebnis, zusammen mit dem Fehlen von löslichen Pepsine und Cathepsin E in Schnabeltier, legt nahe, dass Chymosin könnte die einzige Aspartylprotease mit Fähigkeit zur Verdauung im Magen Schnabeltier beizutragen. Dennoch ist es sehr unwahrscheinlich, dass Chymosin für den Mangel an Pepsin-Aktivität in Schnabeltier Magen wegen seiner viel geringeren proteolytische Aktivität, wenn sie mit dem von Pepsin [30] verglichen kompensieren. Darüber hinaus könnte der hohe pH-Wert von Schnabeltier Magen die Zymogenaktivierung und proteolytischen Aktivität dieses Peptidase verhindern. Schließlich ist es möglich, dass, ähnlich dem Fall des intrinsischen Faktors könnte Schnabeltier Chymosin auch von anderen Geweben hergestellt werden. In dieser Hinsicht haben wir nicht in der Lage, die Expression dieses Gens in einem der Gewebe oben analysiert zu erkennen (Daten nicht gezeigt), obwohl seine putative Teilnahme an der Verdauung von Nahrungsproteinen sollte weiter charakterisiert werden.
Der Verlust der Magen Funktion in prototherians ist einzigartig unter den Wirbeltieren, weil dieses Organ für mehr als 400 Millionen jahrelang funktionsfähig gewesen ist, vom Fisch bis zum therians und Vögel, und es hat sich auf bestimmte Ernährungsgewohnheiten angepasst worden, bei der Bildung von mehreren Kammern bei Vögeln und Wiederkäuer resultierende [ ,,,0],32]. Im Gegensatz dazu ist der Magen Schnabeltier vollständig aglandular und ist auf eine einfache Erweiterung der unteren Speiseröhre verringert worden [14, 15]. Es ist bemerkenswert, dass einige Fischarten wie Zebrabärbling (Danio rerio
) und Kugelfisch (Takifugu rubripes
) haben auch ihre Magendrüsen im Laufe der Evolution verloren, obwohl diese Tatsache offenbar nicht in den Verlust von so vielen Magen-Gene geführt hat in diesen Teleosteer wie in Schnabeltier [33, 34]. Auf der anderen Seite, die kleine Magen, hoher pH-Wert der Magenflüssigkeit, und das Fehlen von Magendrüsen in echidna, zusammen mit der Feststellung, dass einige der gastrischen Gene in Schnabeltier verloren in
T. aculeatus auch abwesend sind, deuten darauf hin, dass die Verlust der Magen-Funktion und Magen-Gene in Kloakentiere aufgetreten vor dem Platypus-echidna Split, mehr als 21 MYA [10]. Jedoch ist es schwierig, ob der Verlust von Magen-Gene in Schnabeltier zu bestimmen, einen selektiven Vorteil während der Evolution übertragen, oder ob sie als Ergebnis eines entspannten constraint durch zusätzliche Änderungen in dieser Spezies verloren.
In dieser Hinsicht ist es möglich, dass der Verlust der Magen Gene in Monotremata könnte einen selektiven Vorteil dieser Population gegen Parasiten oder Krankheitserreger, die auf die Gegenwart eines sauren pH-Wert im Magen für die Infektion oder Ausbreitung, oder die Verwendung von Zelloberflächenproteinen beruhen verliehen haben wie ATP4A, ATP4B oder CTSE als Rezeptoren für die Infektion. Sollte dies der Fall sein, dann stellen würde dies ein deutliches Beispiel für die "weniger ist mehr" Hypothese [35, 36], die postuliert, dass der Verlust eines Gens könnte einen selektiven Vorteil unter bestimmten Bedingungen verleihen. Trotzdem in Abwesenheit von zusätzlichen Daten, es kann nicht ausgeschlossen werden, dass weitere Veränderungen im Verdauungssystem von Monotremata irrelevant die Funktion der Gene in dieser Arbeit beschrieben, hergestellt, und sie wurden wegen einer entspannten constraint zur Akkumulation von schädlichen Mutationen unterworfen . eine interessante Frage an dieser Stelle ist jedoch, ob zusätzliche Strategien, die von Schnabeltier angenommen wurden in Abwesenheit einer Reihe von Magen-Enzyme effiziente Proteinverdauung zu erreichen. Veränderungen der Ernährungsgewohnheiten, wie Fütterung auf Insektenlarven, die leicht verdaut werden; das Vorhandensein von spezifischen anatomischen Strukturen, wie Platten oder Backentaschen Schleifen, die die Nahrungsmittel Verreiben und Lagerung ermöglichen; und das mutmaßliche Auftreten eines Merkmals Magen-Darm-Flora in Schnabeltier könnten Mechanismen dar, durch welche diese Spezies den Verlust eines funktionellen Magen überwunden hat.
Eine weitere Frage von dieser vergleichenden Genomanalyse erhöht ist, ob der Verlust aller der oben diskutierten Gene Ursache oder Folge dieser besonderen Schnabeltier Magen-Phänotyp. Deletion des Gens für Gastrin könnte zu diesem Prozess beigetragen haben, weil Mäuse einen Mangel an Gastrin eine Atrophie der Schleimhaut oxyntic aufweisen, mit einer reduzierten Anzahl von Scheitel- und enteroendokrinen Zellen, achlorhydria und verminderte Mukosadicke [37-39]. Zusätzlich Inaktivierung von ATP4B
wurde in der Struktur der Belegzellen [25] eine signifikante Abnahme der Pepsin-produzierenden Hauptzellen und Veränderungen zu erzeugen gezeigt. Außerdem Verlust von PGA könnte
auch in Schnabeltier beobachtet zur Magenatrophie beitragen, da diese Protease vor kurzem für die Verarbeitung und die Aktivierung der Morphogen sonic hedgehog (Shh) im Magen [40] erforderlich werden sollte, wurde gezeigt. Daher Deletion oder Inaktivierung von Gastrin, die Säure absondernden ATPase und Pepsin A trugen zu einer wesentlichen Verringerung der Bildung von Magendrüsen in Monotremata haben könnte. Dennoch können wir die Möglichkeit nicht zu verwerfen, daß die Magen-Funktion durch einen anderen unabhängigen Mechanismus verloren war, und - in Abwesenheit eines Selektionsdrucks, die die Gene für Proteine ​​kodieren, in der Magen-Funktion beteiligt zu halten - wurden diese Gene durch pseudogenization und /oder Deletion verloren Veranstaltungen. Jedoch kann die exklusive Fehlen dieser Gene nicht die signifikante Verringerung der Größe im Magen Schnabeltier beobachtet erklären, was vermuten lässt, dass andere Faktoren für dieses charakteristische Merkmal verantwortlich sein könnte.
Diese Möglichkeit zu bewerten, wählten wir zunächst eine Reihe von Genen, die zuvor zu beeinflussen Magen Größe bei Mäusen beschrieben und untersucht seine vermeintliche Anwesenheit und Konservierung der Sequenz im Genom Schnabeltier (Zusätzliche Datendatei 3). Diese Analyse erlaubte uns, zu bestimmen, dass das codierende Gen Neurogenin-3 wurde in Schnabeltier (Zusätzliche Datendatei 1 und Tabelle 1).
Neurogenin-3 ist ein Transkriptionsfaktor, dessen Aktivität erforderlich ist für die Spezifikation von Magen-Epithelzellen Identität verloren und Mangel dieses Faktors führt zu erheblich kleiner Mägen und Abwesenheit von Gastrin-sezernierende Zellen G, Somatostatin-sezernierenden Zellen D und Glucagon-sekretierenden Zellen, A [41]. Daher ist es verlockend, dass die neurogenin-3 zu spekulieren, könnte ein Kandidat Gen sein, zumindest teilweise zu erklären, die morphologischen Unterschiede zwischen Schnabeltier Magen und anderer Wirbeltiere. Dennoch weitere Untersuchungen über die Rolle der Neurogenin-3 in verschiedenen Spezies wird benötigt, um eine Rolle zu dieser Transkriptionsfaktor bei der Definition von strukturellen oder funktionalen Unterschiede in Magen während Säugetierentwicklung zuzuschreiben.
Mechanisms in dem Verlust von Magen Gene in Schnabeltier beteiligt
Schließlich wird in dieser Arbeit haben wir auch mutmaßliche Mechanismen verantwortlich für den Verlust von Magen-Gene im Genom Schnabeltier sucht. Eine erste Möglichkeit in dieser Hinsicht sollte das Auftreten von gerichteten Gen Verluste speziell in Schnabeltier und die zwei vorhandenen Echidna Spezies Zaglossus
und Tachyglossus
auftreten werden. Als ersten Schritt in dieser Analyse und die auf die jüngsten Studien von spezifischen Gen Verluste während hominoid evolution [42] untersuchten wir die Hypothese, dass die Magen Gene in Schnabeltier durch nonallelic homologe Rekombination unabhängig gelöscht wurden oder durch Insertion von repetitiven Sequenzen. Im Einklang mit dieser Möglichkeit, und in Übereinstimmung mit der erhöhten Aktivität der eingestreuten Elemente im Schnabeltier Genom [10, 43], haben wir festgestellt, dass die CTSE
Gen durch das Einfügen von langen streuten Elemente (Linien) in Schnabeltier gestört und Kurzstreuten Elemente (SINEs) in den Exons 7 und 9, Störung der Protein kodierenden Region (Abbildung 4). Interessanterweise wurde Exon 9 durch das Einfügen eines Elements LINE2 Plat1m gestört, der durch das Einführen eines SINE Mon1f3 Element (4) aufgebrochen wurde. In dieser Hinsicht Analyse verschiedener streuten Elemente im Genom Schnabeltier hat ergeben, dass die Hauptaktivitätsperiode von Mon1f3 Elemente lag zwischen 88 und 159 MYA [10], was darauf hinweist, dass der pseudogenization CTSE
innerhalb dieses Zeitraums aufgetreten sind, und darauf hindeutet, dass die Inaktivierung von Genen in Magen Monotremata mindestens 88 MYA gestartet. Weiterhin ist die hohe Fülle von repetitiven Elementen in der CTSE
Bereich (mehr als 3,8 streuten Elementen pro Kilobase im Vergleich zu 2 für die Genom average [10]) könnte zum Löschen von sechs der neun Exons CTSE beigetragen Videos nonallelic homologe Rekombination zwischen diesen repetitiven Elementen. Die variable Dichte von eingestreuten Elemente in den in dieser Studie untersuchten Regionen die Möglichkeit, dass ähnliche Mechanismen zu, dass beobachtet in CTSE Portal für die vollständige Löschung von anderen Magen-Gene verantwortlich gewesen sein könnte, obwohl die Beteiligung anderer Mechanismen in diesem Prozess kann nicht ausgeschlossen werden. Abbildung 4: Inaktivierung von CTSE
Gen durch Insertion setzt Elemente. Genetische Karte des CTSE
Locus in dem Genom Schnabeltier die Störung der Exons 7 und 9 durch eingestreute Elemente zeigt. Deckel- und Bodenplatten zeigen eine detailliertere Ansicht der Exons 7 bzw. 9, welche die Nukleotidsequenz der Exons und der lange durchsetzt Element stören (LINE) 2 und kurz eingestreuten Element (SINE) -Elemente. bp, Basenpaare.
Schlussfolgerung
Zusammenfassend wurde detaillierte Analyse der Genomsequenz Schnabeltier uns, dass eine Anzahl von Genen nachweisen erlaubt, die in der Verdauung im Magen beteiligt sind, haben in dieser Spezies deletiert oder inaktiviert worden speziell sowie in echidna. Es ist bemerkenswert, dass die hier vorgestellten Ergebnisse ein außergewöhnliches Beispiel für die weniger ist mehr darstellen können Evolutionsmodell [35, 36], die beide für die Anzahl der Gene sowie für die physiologischen Folgen dieser genetischen Verluste abgeleitet beteiligt.

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