Perte de gènes impliqués dans la fonction gastrique cours de l'évolution de l'ornithorynque

Perte de gènes impliqués dans la fonction gastrique pendant l'évolution ornithorynque
Résumé de l'arrière-plan
L'ornithorynque à bec de canard (Ornithorhynchus anatinus
) appartient à la sous-classe des mammifères Prototheria, qui a divergé de la ligne Theria tôt dans l'évolution des mammifères . La séquence du génome de l'ornithorynque fournit une occasion unique d'éclairer certains aspects de la biologie et l'évolution de ces animaux
. Résultats
Nous montrons que plusieurs gènes impliqués dans la digestion des aliments dans l'estomac ont été supprimés ou inactivés dans ornithorynque. Comparaison avec d'autres génomes de vertébrés a révélé que les principaux gènes impliqués dans la formation et l'activité du suc gastrique ont été perdus dans l'ornithorynque. Ceux-ci comprennent l'aspartyl protéases pepsinogène A et pepsinogènes B /C, la sécrétion d'acide chlorhydrique hormone stimulatrice gastrine, et la sous-unité α de l'estomac H + /K + - ATPase. D'autres gènes impliqués dans les fonctions gastriques, telles que la sous-unité β de H + /K + - ATPase et l'aspartyl protéase cathepsine E, ont été inactivés à cause de l'acquisition des mutations de perte de fonction. Tous ces gènes sont hautement conservés chez les vertébrés, ce qui reflète un modèle unique de l'évolution dans le génome de l'ornithorynque pas vu précédemment dans d'autres génomes de mammifères.
Conclusion
La perte observée de gènes impliqués dans les fonctions gastriques pourrait être responsable de l'anatomie et les différences physiologiques dans tractus gastro-intestinal entre monotrèmes et d'autres vertébrés, y compris de petite taille, le manque de glandes, et le pH élevé de l'estomac monotreme. Cette étude contribue à une meilleure compréhension des mécanismes qui sous-tendent l'évolution du génome de l'ornithorynque, pourrait étendre le modèle moins est-plus évolutive à monotrèmes, et fournit de nouveaux aperçus sur l'importance des événements de perte de gènes au cours de l'évolution des mammifères.
Contexte
Un objectif majeur dans le séquençage des génomes différents est d'identifier les changements génétiques qui sont responsables des différences physiologiques entre ces organismes. À cet égard, la comparaison entre les génomes humains et de rongeurs a identifié une expansion chez les rongeurs de gènes qui sont impliqués dans la fertilisation et la maturation du sperme, la défense de l'hôte, la perception des odeurs, ou de détoxification [1-3], ce qui confirme au niveau génétique des différences physiologiques dans ces processus entre les humains et les rongeurs. En outre, le développement de procédés biologiques spécifiques au cours de l'évolution, par exemple la production de lait chez les mammifères, a été accompagné de l'apparition de nouveaux gènes qui sont impliqués dans ces nouvelles fonctions, telles que la caséine et la lactalbumine α-[4]. Par conséquent, il semble que l'acquisition de nouvelles fonctions physiologiques au cours de l'évolution des vertébrés a été alimentée par la génération de nouveaux gènes adaptés à ces fonctions les plus récentes. Cependant, bien que les gains génétiques constituent un mécanisme intuitif pour le développement de nouvelles fonctions biologiques, les pertes de gènes ont également joué un rôle important au cours de l'évolution, à la fois quantitativement et qualitativement [5-9]. La disponibilité récente de nombreux génomes de vertébrés a ouvert la possibilité d'effectuer une analyse de l'évolution à grande échelle afin d'identifier les gènes différentiels responsables des différences spécifiques dans certains processus biologiques.
L'ornithorynque à bec de canard (Ornithorhynchus anatinus
) représente une ressource précieuse pour élucider les mécanismes moléculaires qui ont été actifs au cours de l'évolution des mammifères, due à la fois à sa position phylogénétique et à la présence de caractéristiques biologiques uniques [10]. Ensemble avec les échidnés, ornithorynque constitue la sous-classe Monotremata (de prototherians); ceci est l'un des deux sous-classes dans lesquelles les mammifères sont divisés, avec thériens, qui sont subdivisées en marsupiaux (metatherians) et les mammifères placentaires (de eutherians) [11]. L'apparition des caractéristiques spécifiques aux mammifères tels que homéothermie, la présence de la fourrure, et des glandes mammaires rend cet organisme un élément clé dans l'élucidation des facteurs génétiques qui sont impliqués dans l'apparition de ces fonctions biologiques. Néanmoins, depuis le dernier ancêtre commun des mammifères, il y a plus de 166 millions d'années (MYA) [12, 13], d'autres caractéristiques sont apparues, telles que la présence de glandes à venin ou electroreception, et certaines caractéristiques de vertébrés ont été perdus, entraînant la absence de dents adultes ou un ventre fonctionnelle [14, 15].
dans ce travail, nous montrons qu'il ya eu une suppression sélective et l'inactivation dans le génome de l'ornithorynque de plusieurs gènes qui sont impliqués dans l'activité de l'estomac, y compris les gènes codant pour les proteases de la pepsine, qui sont impliqués dans la digestion initiale des protéines dans le pH acide de l'estomac, ainsi que les gènes requis pour la sécrétion d'acide dans cet organe (figure 1). La perte et l'inactivation de ces gènes fournissent une base moléculaire pour comprendre les mécanismes qui sont responsables de l'absence dans l'ornithorynque d'un estomac fonctionnel, et d'élargir nos connaissances sur l'évolution des génomes de mammifères. La figure 1 le schéma du système gastro-intestinal euthériens, montrant les glandes gastriques et des types cellulaires spécifiques. Les protéines sécrétées par chaque type de cellule et directement impliqués dans la digestion des aliments sont indiqués, soulignant en rouge les protéines qui sont absentes dans ornithorynque. Résultats et discussion * gastrique facteur intrinsèque est produit par les cellules pariétales chez l'homme, mais dans le pancréas des monotrèmes et d'autres mammifères.
perte de gènes de pepsine dans le génome de l'ornithorynque
Au cours de l'annotation initiale et la caractérisation de l'ornithorynque génome, nous avons remarqué l'absence de plusieurs gènes de la protéase dans cet organisme qui étaient présents dans d'autres espèces de mammifères [2, 10]. La plupart de ces gènes codent protéases perdus membres de l'évolution rapide des familles de la protéase, y compris les protéases qui sont impliqués dans les fonctions immunologiques, la spermatogenèse, ou la fertilisation [2, 16]. Toutefois, lorsque nous avons effectué une analyse plus détaillée de l'ensemble de ces gènes de protéase perdus dans ornithorynque, nous avons observé que ceux codant pour trois grandes protéases aspartyl gastrique (pepsinogène A, pepsinogène B et gastricsine /pepsinogène C) étaient également absents de l'ensemble du génome de l'ornithorynque . Ces protéases sont responsables du clivage protéolytique de protéines alimentaires au pH acide de l'estomac, et ont été hautement conservées par l'évolution, à partir de poissons et d'oiseaux à des mammifères [17]. Les gènes codant pour ces protéases (PGA
, PGB
et PGC
) sont situés dans différents loci chromosomiques, dont la structure globale a également été bien conservée dans la plupart des génomes de vertébrés, y compris ornithorynque (Figure 2). Par conséquent, il est apparu peu probable que leur absence dans ornithorynque pourrait être due à l'incomplétude de l'ensemble du génome dans une région chromosomique spécifique. En outre, l'analyse de plus de 2 millions de séquences de traces ne sont pas présents dans l'assemblage et l'étiquette de séquence exprimée (EST) des séquences provenant de différents tissus de ornithorynque [10] ont également omis de révéler l'existence d'un quelconque de ces gènes pepsinogène, renforçant l'hypothèse selon laquelle ils avaient été spécifiquement délété dans le génome de ce mammifère. Figure 2 délétion de gènes codant pepsinogène dans le génome de l'ornithorynque. (A) Synténie carte des loci contenant PGB
et PGC
chez les vertébrés montre une forte conservation des gènes codant pour pepsinogène C et ses gènes flanquant, à l'exception de l'ornithorynque, dans laquelle PGC
a spécifiquement été supprimée. La figure montre également comment le gène codant pour pepsinogène B apparu dans thériens à la suite d'une duplication des PGC
à un lieu à proximité, suivie d'une translocation. La région correspondante dans le génome de l'ornithorynque dépourvu de tout gène codant pour le pepsinogène. gènes pepsinogène fonctionnels sont colorés en bleu, tandis que pseudogenes pepsinogène sont en rouge. Pour l'homme et le chien qui a subi une translocation du locus
PGB, les chromosomes sont indiqués sur la gauche. Les séquences du génome sont analysées de ornithorynque (Ornithorhynchus anatinus
), humain (Homo sapiens
), chien (Canis familiaris
), opossum (Monodelphis domestica
), lézard (Anolis carolinensis
) , le poulet (Gallus gallus
), et la grenouille (Xenopus tropicalis
). (B) la carte de Synténie de la PGA
locus chez différentes espèces de vertébrés montre la suppression de ce gène de la protéase gastrique dans le génome de l'ornithorynque. chromosomes bactériens artificiels (BAC) et fosmides utilisées dans l'étude sont indiqués en haut de chaque panneau. . Couleurs de gènes et de l'échelle sont les mêmes que dans le panneau a
Pour étudier cette possibilité, nous avons d'abord comparé l'organisation génomique de ces gènes de protéase trois aspartyle - PGA
, PGB
et PGC
- en les génomes de l'homme, le chien, l'opossum, le poulet, le lézard et la grenouille [18-21]. Il est bien établi que les gènes codant pour pepsinogènes ont subi plusieurs agrandissements au cours de l'évolution des vertébrés, ce qui conduit à la présence d'au moins trois à six membres fonctionnels distincts dans le génome de ces organismes (figure 2a). En outre, un événement de duplication dans PGC
dans la lignée therian a donné lieu à la formation de PGB
, qui semble être fonctionnel dans l'opossum et le chien, et dans ce dernier a probablement remplacé la fonction de PGC
, qui a été inactivé par pseudogenization. Les loci contenant ces gènes pepsinogène ont été très préservé à travers l'évolution, et leurs gènes flanquant sont également parfaitement conservé dans l'ordre et la séquence nucléotidique dans les génomes de vertébrés (Figure 2a) de. L'analyse des chromosomes bactériens artificiels ornithorynques (BACs) et /ou fosmides correspondant à ces régions ont révélé que les gènes flanquant les gènes pepsinogène dans d'autres espèces sont conservées et cartographier la région synténique correspondante du génome de l'ornithorynque (Figure 2). Cependant, une sonde d'ADN correspondant à murines pepsinogène A échoué à hybrider avec les BACs ou fosmides couvrant les régions d'intérêt ornithorynque analysées (voir fichier de données supplémentaires 1). De plus, le séquençage complet des régions génomiques de ornithorynque flanquées de TFEB
et FRS3
ainsi que par C1orf88
et CHIA2
n'a pas réussi à détecter tous les gènes codant pour pepsinogène C ou pepsinogène B, respectivement. En outre, et afin de tester la possibilité que les gènes de pepsinogène ont été transposées aux autres locus cours de l'évolution ornithorynque, une analyse par transfert de Southern avec la même sonde a été réalisée avec l'ADN génomique total. Cette analyse a abouti à l'absence d'hybridation lorsque l'ADN génomique de l'ornithorynque et une espèce de échidné (Tachyglossus aculeatus de
) ont été utilisés, alors que la même sonde facilement détecté deux bandes d'hybridation des espèces éloignées plus évolutifs tels que le lézard (Podarcis hispanica
) et le poulet (données non montrées). le plus ensemble, ces données indiquent que les gènes codant pour ces protéases gastriques ont été spécifiquement délété dans le génome de monotremes, probablement par des différences importantes dans la digestion des protéines alimentaires dans ces espèces comparativement avec d'autres vertébrés.
la perte ou l'inactivation des gènes impliqués dans l'estomac ornithorynque la sécrétion d'acide
pepsinogènes sont synthétisés par des cellules principales dans les glandes fundiques de l'estomac comme précurseurs inactifs qui sont activées quand elles sont exposées au faible pH du le liquide gastrique [22]. La sécrétion de l'acide chlorhydrique est stimulée par l'hormone gastrine gastrique, qui est libérée par les cellules entéro G qui sont présents dans les glandes pyloriques en réponse à des acides aminés et des protéines digérées. Pour essayer d'étendre les résultats ci-dessus sur l'absence de gènes de pepsinogène dans ornithorynque, nous avons ensuite évalué la possibilité que le gène codant pour la gastrine (GAST
) pourrait également être absent du génome de l'ornithorynque.
Après analyse génomique comparative après la même stratégie que dans le cas des gènes de pepsinogène, nous a échoué à détecter toute preuve de la présence de GAST
dans ornithorynque (voir fichier de données supplémentaires 1), ce qui suggère que la sécrétion acide peut également être altérée chez cette espèce. En accord avec cette observation, l'analyse génomique parallèle a également montré que la sous-unité α de H + /K + - ATPase (ATP4A
), qui est responsable de l'acidification du contenu de l'estomac par les cellules pariétales, a également été supprimé du génome de l'ornithorynque. Ce gène, qui est présent à partir de poissons à amniotes, a été hautement conservée à travers l'évolution, mais est absent de l'ensemble du génome de l'ornithorynque (Figure 3a). Aussi similaire au cas des gènes de pepsinogène, le ATP4A
-flanking gènes (TMEM147
et KIAA0841
), qui sont présents dans les poissons, thériens, et le poulet, ont été facilement identifié dans ornithorynque. Ainsi, l'analyse d'un clone de fosmide correspondant à cette région avec une sonde pour le gène le plus proximal (TMEM147
) a donné lieu à la détection d'une bande d'hybridation spécifique dans ornithorynque (voir fichier de données supplémentaires 1). Cependant, aucune bande d'hybridation peuvent être détectés dans ornithorynque fosmide KAAG-0404B19, ou de l'ADN génomique total de ornithorynque et T. aculeatus
lors de l'utilisation de la sonde d'un être humain dérivé ATP4A, qui, autrement reconnu bandes spécifiques chez la souris, le poulet, et lézard (fichier de données supplémentaires 1 et données non présentées). Ces résultats élargissent les résultats ci-dessus sur les gènes de la protéase gastriques et démontrent que d'autres gènes impliqués dans l'activité digestive de suc gastrique ont été retirés de manière sélective à partir des génomes de monotremes. Figure 3 Absence d'un acide gastrique fonctionnel sécrétant H + /K + ATPase dans monotrèmes. (A) l'arbre phylogénétique montrant la distribution d'une sous-unité α fonctionnelle de la H + /K + ATPase gène (ATP4A
) chez les vertébrés, ce qui indique en rouge l'absence de ce gène dans l'ornithorynque. Le pourcentage des identités au niveau des ATP4A de l'homme (Homo sapiens
), de chien (Canis familiaris
), opossum (Monodelphis domestica
), lézard (Anolis carolinensis
), protéines de poulet (Gallus gallus
), et la grenouille (Xenopus tropicalis
) est indiquée dans les cases jaunes. (B) la structure du gène de ATP4B
et l'alignement des séquences d'acides aminés des exons indiqués avec ATP4B de différentes espèces de vertébrés, y compris l'épinoche de téléostéens (Gasterosteus aculeatus
). Electrophérogrammes et la séquence traduction ornithorynque ATP4B
exons 3, 4, et 7 montrant la présence de codons stop prématurés et un cadre de lecture (flèche rouge). MYA, il y a des millions d'années.
Nous avons ensuite examiné la possibilité que des mécanismes distincts de ceux qui impliquent la suppression spécifique de gènes gastriques pourraient également contribuer à la perte apparente de ornithorynque des fonctions digestives évolutivement conservées. Cette analyse nous a conduit à conclure que deux gènes bien connus gastriques - à savoir CTSE
et ATP4B
[23-25], qui codent l'aspartyl protéase cathepsine E et la sous-unité β de l'H + /K + - ATPase, respectivement - ont été inactivé par pseudogenization. Ainsi, nous avons observé d'abord que le génome de l'ornithorynque contient des séquences avec une grande similitude avec les deux gènes gastriques dans les régions de synténie correspondantes, ce qui suggère que CTSE
et ATP4B
pourraient en effet être des gènes fonctionnels dans ornithorynque. Cependant, une analyse plus détaillée de la séquence nucléotidique a révélé que CTSE
est non fonctionnel chez cette espèce aussi bien en raison de la présence d'un codon stop prématuré dans l'exon 7 (Lys295Ter) et à la perte de six des neuf exons. De même, le ATP4B codant pour le gène a été pseudogenized dans ornithorynque en raison de la présence de codons d'arrêt prématurés dans les exons 3 et 4 (et Tyr98Ter Lys153Ter), ainsi qu'un cadre de lecture dans l'exon 7 (figure 3b). Cette observation, ainsi que la perte de ATP4A
à ornithorynque, confirme l'absence d'une fonction H + /K + - ATPase dans ce vertébré et fournit au moins une partie de l'explication de l'absence d'acide la sécrétion dans l'estomac ornithorynque; ceci est une caractéristique de monotrèmes, dont le suc gastrique est un pH supérieur à 6 [14].
Perte de gènes gastriques durant l'évolution ornithorynque
L'estomac des mammifères est bordée d'un épithélium glandulaire qui contient quatre principaux types de cellules [26] : les cellules muqueuses, pariétales, chef et entéro. Les données présentées ci-dessus montrent que les gènes codant pour les différents produits de ces quatre principaux types de cellules de l'épithélium glandulaire gastrique ont été supprimés ou inactivés de façon sélective durant l'évolution monotrème (figure 1 et tableau 1). Bien qu'on ait démontré les gènes codant pour les protéases à être soumis à des processus de gènes événements de gain /perte dans les deux vertébrés et invertébrés génomes [5, 16, 27], nous avons déterminé que ces événements de perte de gènes observées dans les gènes gastriques ornithorynque ne représentent pas une processus général affectant toutes les protéines qui sont impliquées dans la digestion des aliments, parce que l'analyse des gènes impliqués dans les fonctions gastro-intestinales a révélé que les protéases et les hormones codant exprimées dans l'intestin ou le pancréas exocrine de eutherians sont parfaitement conservés dans ornithorynque (Figure 1). Il semble donc qu'il y a eu une perte sélective de gènes ornithorynque responsable de l'activité biologique de l'estomac juice.Table 1 Résumé des gènes impliqués dans la fonction gastrique chez ornithorynque
Protein
Gene
Etat dans le génome de l'ornithorynque
preuve confirmative

ATPase, H + /K + échange, α polypeptide
ATP4A
Absent
Southern blot
ATPase, H + /K + échange, polypeptide β
ATP4B
pseudogène
PCR /séquençage direct
cathepsine E
CTSE
pseudogène
PCR /séquençage direct
Gastrin
GAST
Absent
Southern blot
Neurogenin 3
Ngn3
Absent
Southern blot
Southern blot /séquençage
pepsine C
PGC
Absent
Southern blot /séquençage
pepsine A
PGA
Absent
gastrique intrinsèque facteur
GIF
Present (expression pancréatique)
RT-PCR
chymosine
CYMP
Present (expression non détectée)
séquençage /RT-PCR
RT, -PCR, inverser la réaction en chaîne par polymérase.
pour répondre à cette question plus loin, nous avons ensuite effectué une recherche détaillée de l'apparition présumée dans le génome de l'ornithorynque de gènes fonctionnels codant pour des protéines sécrétées par les glandes gastriques. Cette recherche nous a conduit à l'identification de deux gènes avec des caractéristiques intéressantes à cet égard. Le gène codant pour le facteur intrinsèque gastrique (GIF
), qui est nécessaire à l'absorption de la vitamine B 12, est parfaitement conservé dans ornithorynque. Cette protéine est sécrétée par les cellules principales ou pariétales dans la plupart des eutherians, mais il est principalement produit par des cellules pancréatiques chez les chiens ainsi que dans opossum, dans laquelle aucune expression gastrique peut être détectée [28, 29]. Il est donc probable que l'expression de ce gène était pancréatique avant la scission de prototherian-therian, et le facteur intrinsèque pourrait encore être sécrétée par le pancréas dans l'ornithorynque, où il peut exercer sa fonction physiologique.
Pour étudier cette possibilité, nous analyse réalisée par RT-PCR en utilisant des amorces spécifiques pour GIF
et de l'ARN à partir de tissus différents provenant soit ornithorynque ou échidné (T. aculeatus
). Cela nous a permis de constater que GIF de l'expression peut être détectée dans le pancréas, et l'expression plus faible pourrait être également détectée dans le foie, ainsi que dans échidné cerveau, alors qu'aucune expression n'a été détectée dans les muscles ou le cerveau de l'ornithorynque (voir fichier de données supplémentaires 2 ). Par conséquent, ces résultats indiquent que, semblable à l'affaire des marsupiaux, le GIF
gène est également exprimé par le pancréas dans monotrèmes. Une situation similaire peut se produire dans le cas de la chymosine, une aspartyl protéase qui participe à la coagulation du lait par une protéolyse limitée de la caséine κ [30]. Chymosine est présent dans le poulet et, dans la plupart des espèces de mammifères, bien qu'il ait été inactivé par pseudogenization chez les humains et les autres primates [2, 31]. Notre analyse génomique a également détecté un gène contenant un cadre de lecture ouvert complet qui pourrait constituer un gène chymosine fonctionnelle dans le génome de l'ornithorynque. Cette constatation, ainsi que l'absence de pepsines solubles et cathepsine E ornithorynque, suggère que la chymosine pourrait être la seule aspartyl protéase avec la capacité de contribuer à la digestion des aliments dans l'estomac ornithorynque. Néanmoins, il est très peu probable que la chymosine peut compenser le manque d'activité de la pepsine dans l'estomac ornithorynque à cause de son activité protéolytique nettement inférieur par rapport à celui de pepsines [30]. En outre, le pH élevé de l'estomac ornithorynque peut empêcher l'activation de zymogène et l'activité protéolytique de cette peptidase. Enfin, il est possible que, comme dans le cas du facteur intrinsèque, ornithorynque chymosine peut être également produit par d'autres tissus. À cet égard, nous avons été incapables de détecter l'expression de ce gène dans aucun des tissus analysés ci-dessus (données non montrées), bien que sa participation présumée à la digestion des protéines alimentaires devraient être caractérisés davantage. Le plus, la perte de l'estomac fonction dans prototherians est unique parmi les vertébrés, parce que cet organe a été fonctionnel pour plus de 400 millions d'années, des poissons aux thériens et les oiseaux, et il a été adapté aux habitudes alimentaires spécifiques, conduisant à la formation de plusieurs chambres chez les oiseaux et les ruminants [ ,,,0],32]. En revanche, l'estomac ornithorynque est complètement aglandulaire et a été réduit à une simple dilatation de l'oesophage inférieur [14, 15]. Il est remarquable que certaines espèces de poissons telles que le poisson zèbre (Danio rerio
) et pufferfish (Takifugu rubripes
) ont également perdu leurs glandes gastriques au cours de l'évolution, bien que ce fait ne semble pas avoir entraîné la perte de tant de gènes gastriques dans ces téléostéens comme dans ornithorynque [33, 34]. D'autre part, le petit estomac, pH élevé de liquide gastrique, et le manque de glandes gastriques dans échidné, ainsi que la constatation que certains des gènes gastriques perdus dans l'ornithorynque sont également absents dans T. aculeatus
, suggèrent que le perte de la fonction de l'estomac et des gènes gastriques chez les monotrèmes a eu lieu avant la scission ornithorynque-échidné, plus de 21 MYA [10]. Cependant, il est difficile de déterminer si la perte de gènes gastriques dans l'ornithorynque a conféré un avantage sélectif au cours de l'évolution, ou si elles ont été perdues en raison d'une contrainte détendue en raison de changements supplémentaires dans cette espèce.
À cet égard il est possible que la perte de gènes gastriques chez monotremes aurait pu conférer un avantage sélectif à cette population contre les parasites ou pathogènes qui dépendent de la présence d'un pH acide dans l'estomac pour l'infection ou la propagation ou l'utilisation de protéines de surface cellulaire tel que ATP4A, ATP4B ou CTSE comme des récepteurs pour l'infection. Si tel est le cas, alors cela représenterait un exemple clair de la «plus-moins est-« hypothèse [35, 36], qui postule que la perte d'un gène pourrait conférer un avantage sélectif dans des conditions spécifiques. Néanmoins, en l'absence de données supplémentaires, il ne peut pas être exclu que des modifications supplémentaires dans le système digestif des monotrèmes fait hors de propos de la fonction des gènes décrits dans ce travail, et ils ont été soumis à l'accumulation de mutations délétères en raison d'une contrainte détendue . Cependant, une question intéressante à ce point est de savoir si d'autres stratégies ont été adoptées par ornithorynque pour accomplir efficacement la digestion des protéines en l'absence d'un certain nombre d'enzymes gastriques. Les changements dans les habitudes alimentaires, telles que l'alimentation de larves d'insectes, qui sont faciles à digérer; la présence de structures anatomiques spécifiques, tels que les plaques de broyage ou abajoues, qui permettent la trituration et la conservation des aliments; et l'apparition supposée d'une caractéristique flore gastro-intestinale en ornithorynque pourrait constituer des mécanismes par lesquels cette espèce a surmonté la perte d'un estomac fonctionnel.
Une autre question soulevée par cette analyse comparative du génome est de savoir si la perte de tous les gènes discutés ci-dessus est cause ou la conséquence de ce ornithorynque phénotype gastrique particulier. La délétion du gène codant pour la gastrine pourrait avoir contribué à ce processus, parce que les souris déficientes en gastrine présentent une atrophie de la muqueuse oxyntique, avec un nombre réduit de pariétales et entéro cellules, achlorhydrie, et une diminution de l'épaisseur de la muqueuse [37-39]. En outre, l'inactivation de ATP4B
a été montré pour produire une diminution significative dans les cellules et les modifications principales pepsine produisant dans la structure des cellules pariétales [25]. En outre, la perte de la PGA
pourrait aussi contribuer à l'atrophie gastrique observée dans ornithorynque, parce que cette protéase a été récemment montré être requis pour le traitement et l'activation du sonic hedgehog morphogène (Shh) dans l'estomac [40]. Par conséquent, la suppression ou l'inactivation de la gastrine, l'Acide sécrétant ATPase, et pepsinogène pourraient avoir contribué à une réduction substantielle de la formation des glandes gastriques chez les monotrèmes. Néanmoins, on ne peut pas écarter la possibilité que la fonction de l'estomac a été perdue par un autre mécanisme non liée, et - en l'absence d'une pression sélective pour maintenir les gènes codant pour des protéines impliquées dans la fonction gastrique - ces gènes ont été perdus par pseudogenization et /ou la suppression événements. Cependant, l'absence exclusive de ces gènes ne peut pas expliquer la réduction significative de la taille observée dans l'estomac ornithorynque, ce qui suggère que d'autres facteurs peuvent être responsables de cette caractéristique.
Pour évaluer cette possibilité, nous avons d'abord sélectionné une série de gènes précédemment décrit pour influencer la taille de l'estomac chez les souris et examiné sa présence et la séquence putative conservation dans le génome de l'ornithorynque (fichier de données supplémentaires 3). Cette analyse nous a permis de déterminer que le gène codant pour neurogénine-3 a été perdu dans ornithorynque (fichier de données supplémentaires 1 et tableau 1).
Neurogenin-3 est un facteur de transcription dont l'activité est requise pour la spécification de l'identité des cellules épithéliales gastriques , et le déficit de ce facteur dans les résultats considérablement plus petits estomacs et absence de cellules G gastrine sécrétant, cellules D somatostatine sécrétant et les cellules A glucagon-sécrétant [41]. Par conséquent, il est tentant de spéculer que neurogénine-3 pourrait être un gène candidat pour expliquer, au moins en partie, les différences morphologiques entre l'estomac ornithorynque et que d'autres vertébrés. Néanmoins, d'autres études sur le rôle de neurogénine-3 dans des espèces différentes seront nécessaires pour attribuer un rôle à ce facteur de transcription dans la définition des différences structurales ou fonctionnelles dans l'estomac au cours de l'évolution des mammifères.
Mécanismes impliqués dans la perte de gènes gastriques chez ornithorynque
Enfin, dans ce travail, nous avons également examiné les mécanismes putatifs responsables de la perte de gènes gastriques dans le génome de l'ornithorynque. Une première possibilité à cet égard devrait être l'apparition des pertes de gènes dirigés survenant spécifiquement en ornithorynque et les deux espèces de échidné existantes Zaglossus
et Tachyglossus
. Dans une première étape dans cette analyse, et sur la base des études récentes de pertes de gènes spécifiques au cours de l'évolution des hominidés [42], nous avons examiné l'hypothèse que les gènes gastriques ont été supprimés de manière indépendante dans l'ornithorynque par recombinaison homologue ou non alléliques par insertion de séquences répétitives. Conformément à cette possibilité, et en accord avec l'activité accrue des éléments intercalés dans l'ornithorynque génome [10, 43], nous avons trouvé que le gène de l'CTSE a été perturbée en ornithorynque par l'insertion de longs éléments intercalés (lignes) et des éléments courts intercalés (Sines) dans les exons 7 et 9, ce qui perturbe la région codante de la protéine (figure 4). Fait intéressant, l'exon 9 a été perturbé par l'insertion d'un élément LINE2 Plat1m, qui a ensuite été perturbé par l'insertion d'un élément SINE Mon1f3 (figure 4). À cet égard, l'analyse des différents éléments intercalés dans le génome de l'ornithorynque a révélé que la principale période d'activité des éléments Mon1f3 se situait entre 88 et 159 MYA [10], ce qui indique que pseudogenization des CTSE
aurait pu se produire dans ce délai, et ce qui suggère que l'inactivation de gènes gastriques chez monotremes a commencé au moins 88 MYA. En outre, la forte abondance d'éléments répétitifs dans la région du CTSE (plus de 3,8 éléments intercalés par kilobase par rapport à 2 pour la moyenne du génome [10]) pourrait avoir contribué à la suppression de six des neuf exons du CTSE
par recombinaison homologue non alléliques entre ces éléments répétitifs. La densité variable des éléments intercalés dans les régions examinées dans cette étude soulève la possibilité que des mécanismes similaires à celle observée dans les CTSE
aurait pu être responsable de la suppression complète des autres gènes gastriques, bien que la participation d'autres mécanismes dans ce processus ne peut pas être exclue. La figure 4 Inactivation du CTSE de gène par l'insertion d'éléments entremêlés. carte génétique du locus du CTSE dans le génome de l'ornithorynque montrant la rupture des exons 7 et 9 par des éléments intercalés. panneaux supérieur et inférieur représentent une vue plus détaillée des exons 7 et 9, respectivement, indiquant la séquence nucléotidique des exons et perturbant long élément intercalés (LINE) 2 et courts éléments (SINE) éléments intercalés. pb, paires de bases.
Conclusion
En résumé, l'analyse détaillée de la séquence du génome de l'ornithorynque a permis de démontrer qu'un certain nombre de gènes qui sont impliqués dans la digestion des aliments dans l'estomac ont spécifiquement été supprimé ou inactivé dans cette espèce ainsi que dans Echidné. Il est remarquable que les résultats présentés ici peuvent constituer un exemple exceptionnel de moins-est-plus modèle évolutionniste [35, 36], à la fois pour le nombre de gènes impliqués, ainsi que pour les conséquences physiologiques dérivées de ces pertes génétiques.

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