Perdita di geni implicati nella funzione gastrica nel corso dell'evoluzione ornitorinco

Perdita di geni implicati nella funzione gastrica nel corso dell'evoluzione ornitorinco
Abstract
sfondo
L'ornitorinco (Ornithorhynchus anatinus
) appartiene alla sottoclasse dei mammiferi Prototheria, che ha diverso dalla linea Theria presto nell'evoluzione dei mammiferi . La sequenza del genoma dell'ornitorinco fornisce un'opportunità unica per illuminare alcuni aspetti della biologia e l'evoluzione di questi animali
. Risultati
Abbiamo dimostrato che diversi geni implicati nella digestione del cibo nello stomaco sono stati cancellati o inattivato in ornitorinco. Confronto con altri genomi di vertebrati ha rivelato che i principali geni implicati nella formazione e l'attività dei succhi gastrici sono stati persi in ornitorinco. Questi includono il aspartil proteasi pepsinogen A e pepsinogeno B /C, la secrezione di acido cloridrico ormone stimolante la gastrina, e la subunità α della gastrica H + /K + - ATPasi. Altri geni implicati in funzioni gastriche, come la subunità β della H + /K + - ATPasi e aspartil proteasi catepsina E non è stato inattivato a causa dell'acquisizione di perdita di funzione mutazioni. Tutti questi geni sono altamente conservate nei vertebrati, che riflette un modello unico di evoluzione del genoma dell'ornitorinco non precedentemente visto in altri genomi dei mammiferi.
Conclusione
La perdita osservata di geni coinvolti in funzioni gastriche potrebbe essere responsabile per la anatomica e differenze fisiologiche nel tratto gastrointestinale tra monotremes e altri vertebrati, comprese le piccole dimensioni, la mancanza di ghiandole e alto pH dello stomaco monotremo. Questo studio contribuisce ad una migliore comprensione dei meccanismi che sono alla base dell'evoluzione del genoma dell'ornitorinco, potrebbe estendere il modello meno-è-più evolutivo per monotremi, e fornisce nuove intuizioni l'importanza di eventi di perdita del gene nel corso dell'evoluzione dei mammiferi.
sfondo
Un importante obiettivo nel sequenziamento dei genomi diversi è quello di individuare i cambiamenti genetici che sono responsabili per le differenze fisiologiche tra questi organismi. A questo proposito, il confronto tra il genoma umano e di roditori ha identificato una espansione nei roditori di geni che sono implicati nella fertilizzazione e la maturazione degli spermatozoi, difesa ospite, la percezione degli odori, o disintossicazione [1-3], confermando a livello genetico le differenze fisiologiche in questi processi tra uomo e roditori. Inoltre, lo sviluppo di processi biologici specifici durante l'evoluzione, per esempio la produzione di latte nei mammiferi, è stata accompagnata dalla comparsa di nuovi geni che sono implicati in queste nuove funzioni, come caseina e α-lattoalbumina [4]. Pertanto, sembra che l'acquisizione di nuove funzioni fisiologiche durante l'evoluzione dei vertebrati è stata guidata dalla generazione di nuovi geni adatti a queste funzioni più recenti. Tuttavia, anche se i guadagni genici costituiscono un meccanismo intuitivo per lo sviluppo di nuove funzioni biologiche, le perdite di geni sono stati anche importanti nel corso dell'evoluzione, sia quantitativamente che qualitativamente [5-9]. La recente disponibilità di numerosi genomi dei vertebrati ha aperto la possibilità di effettuare analisi evolutiva su vasta scala al fine di identificare i geni differenziali responsabili delle differenze specifiche, in particolare, i processi biologici.
L'ornitorinco (Ornithorhynchus anatinus
) rappresenta una risorsa preziosa per svelare i meccanismi molecolari che sono stati attivi durante l'evoluzione dei mammiferi, sia per la sua posizione filogenetica e alla presenza di caratteristiche biologiche uniche [10]. Insieme ai echidna, ornitorinco costituisce la sottoclasse Monotremata (prototherians); questo è uno dei due sottoclassi in cui sono suddivisi i mammiferi, unitamente Therians, che sono ulteriormente suddivisi in marsupials (metatherians) e mammiferi placentari (eutherians) [11]. La comparsa di caratteristiche specifiche di mammiferi quali omeotermia, presenza di pelliccia, e le ghiandole mammarie rende questo organismo un elemento fondamentale per chiarire i fattori genetici che sono implicati nella comparsa di queste funzioni biologiche. Tuttavia, poiché l'ultima mammiferi antenato comune, più di 166 milioni di anni fa (MYA) [12, 13], altre caratteristiche sono emersi, come la presenza di ghiandole veleno o electroreception, e alcune caratteristiche vertebrati sono stati persi, con conseguente assenza di denti permanenti o uno stomaco funzionale [14, 15].
in questo lavoro, dimostriamo che c'è stata una cancellazione selettiva e l'inattivazione nel genoma dell'ornitorinco di diversi geni che sono implicati nell'attività dello stomaco, compresi tutti i geni che codificano per proteasi pepsina, che sono coinvolti nella digestione iniziale di proteine ​​nel pH acido dello stomaco, così come i geni necessari per la secrezione di acido in questo organo (Figura 1). La perdita e l'inattivazione di questi geni forniscono una base molecolare per la comprensione dei meccanismi che sono responsabili per l'assenza in ornitorinco di uno stomaco funzionale, ed espandere la nostra conoscenza dell'evoluzione dei genomi dei mammiferi. Figura 1 Schema del sistema gastrointestinale eutherian, mostrando ghiandole gastriche e specifici tipi di cellule. Le proteine ​​secrete da ogni tipo di cellula e direttamente implicati nella digestione degli alimenti sono indicati, evidenziando in rosso quelle proteine ​​che sono assenti in ornitorinco. * Gastrico fattore intrinseco viene prodotto dalle cellule parietali negli esseri umani, ma nel pancreas di monotremi ed altri mammiferi.
Risultati e discussione
perdita di geni pepsina nel ornitorinco genoma
Durante l'annotazione iniziale e caratterizzazione del ornitorinco genoma, abbiamo notato l'assenza di diversi geni della proteasi in questo organismo che erano presenti in altre specie di mammiferi [2, 10]. La maggior parte di questi geni della proteasi perso codificano i membri delle famiglie delle proteasi in rapida evoluzione, tra cui proteasi che sono implicati nelle funzioni immunologiche, spermatogenesi, o la fecondazione [2, 16]. Tuttavia, quando abbiamo effettuato un'analisi più dettagliata di tutti questi geni della proteasi persi in ornitorinco, abbiamo osservato che queste codifica tre principali aspartil proteasi gastrica (pepsinogen A, pepsinogeno B, e gastricsin /pepsinogeno C) erano assenti anche dal gruppo ornitorinco genoma . Queste proteasi sono responsabili per la segmentazione proteolitica delle proteine ​​alimentari a pH acido dello stomaco, e sono stati altamente conservati attraverso l'evoluzione, dai pesci ai mammiferi e uccelli [17]. I geni che codificano per queste proteasi (PGA
, PGB
, e PGC
) si trovano in diversi loci cromosomici, la cui struttura generale è stato anche ben conservata nella maggior parte dei genomi di vertebrati, tra cui ornitorinco (Figura 2). Sembrava quindi improbabile che la loro assenza in platypus potrebbe essere dovuto alla incompletezza del complesso genoma in una regione cromosomica specifica. Inoltre, l'analisi di oltre 2 milioni di sequenze di traccia non presenti nel montaggio e expressed sequence tag (EST) sequenze provenienti da diversi tessuti Platypus [10] inoltre non è riuscita a rivelare l'esistenza di uno di questi geni Pepsinogeno, rafforzando l'ipotesi che erano stati appositamente cancellati nel genoma di questo mammifero. Figura 2 Cancellazione dei geni codificanti Pepsinogeno nel genoma dell'ornitorinco. (A) sintenia mappa della loci contenente PGB Comprare e PGC
nei vertebrati mostra una forte conservazione dei geni codificanti pepsinogeno C e suoi geni fiancheggianti, con l'eccezione di ornitorinco, in cui PGC
stato specificamente eliminata. La figura mostra anche come il gene che codifica pepsinogen B apparso in Therians come risultato di una duplicazione di PGC
ad un locus vicina, seguita da una traslocazione. La regione corrispondente nel genoma dell'ornitorinco è priva di qualsiasi gene pepsinogen-codifica. geni Pepsinogeno funzionali sono colorati in blu, mentre pseudogeni Pepsinogeno sono in rosso. Per l'uomo e il cane, che ha subito una traslocazione del PGB
locus, i cromosomi sono indicati sulla sinistra. Le sequenze del genoma analizzati sono da ornitorinco (Ornithorhynchus anatinus
), umano (Homo sapiens
), cane (Canis familiaris
), opossum (Monodelphis domestica
), lucertola (Anolis carolinensis
) , pollo (Gallus gallus
), e la rana (Xenopus tropicalis
). (B) mappa synteny del PGA
locus in diverse specie di vertebrati mostra la soppressione di questo gene della proteasi gastrica nel genoma dell'ornitorinco. cromosomi batterici artificiali (BAC) e fosmidi utilizzati nello studio sono indicati nella parte superiore di ogni pannello. . Colori Gene e la scala sono gli stessi in pannello di un
Per indagare ulteriormente questa possibilità, in primo luogo abbiamo confrontato l'organizzazione genomica di questi geni della proteasi tre aspartil - PGA
, PGB
e PGC
- in i genomi di umano, cane, opossum, pollo, lucertola, e la rana [18-21]. E 'ben noto che i geni codificanti pepsinogeno hanno subito diverse espansioni durante l'evoluzione dei vertebrati, che porta alla presenza di almeno tre a sei membri funzionali distinti nel genoma di questi organismi (Figura 2a). Inoltre, un evento di duplicazione in PGC
in lineage therian ha portato alla formazione di PGB
, che sembra essere funzionale opossum e cane, e in quest'ultimo probabilmente ha sostituito la funzione di PGC
, che è stato inattivato da pseudogenization. Il loci contenente questi geni Pepsinogeno sono stati altamente conservata attraverso l'evoluzione, e loro geni fiancheggianti sono anche perfettamente conservato sia in ordine e sequenza nucleotidica nei genomi dei vertebrati (Figura 2a)
. Analisi di Platypus cromosomi batterici artificiali (BAC) e /o fosmidi corrispondenti a queste regioni hanno rivelato che i geni fiancheggianti i geni Pepsinogeno in altre specie sono conservati e mappa alla corrispondente zona syntenic del genoma dell'ornitorinco (Figura 2). Tuttavia, una sonda di DNA corrispondente murino pepsinogeno A non è riuscito a ibridare con le BAC ornitorinco analizzati o fosmidi abbracciano le regioni di interesse (vedi Ulteriori file di dati 1). Inoltre, completo sequenziamento dell'ornitorinco regioni genomiche affiancato da TFEB
e FRS3
nonché da C1orf88
e CHIA2
non è riuscito a rilevare eventuali geni che codificano pepsinogen C o Pepsinogeno B, rispettivamente. Inoltre, e al fine di verificare la possibilità che i geni Pepsinogeno sono state recepite ad altri loci durante l'evoluzione ornitorinco, un Southern blot con la stessa sonda è stata eseguita usando DNA genomico totale. Questa analisi ha portato alla mancanza di ibridazione, quando sono stati utilizzati DNA genomico da ornitorinco e una specie echidna (Tachyglossus aculeatus
), mentre la stessa sonda prontamente individuato due bande di ibridazione di specie più evolutivo lontani come lucertola (Podarcis hispanica
) e pollo (dati non riportati).
Insieme, questi dati indicano che i geni che codificano per queste proteasi gastrici sono stati specificamente eliminati nel genoma di monotremi, probabilmente conseguente differenze importanti nella digestione delle proteine ​​alimentari in queste specie se confrontato con altri vertebrati.
perdita o inattivazione di geni implicati nella Platypus stomaco secrezione di acido
pepsinogeno sono sintetizzati dalle cellule principali nelle ghiandole oxintiche dello stomaco come precursori inattivi che si attivano quando sono esposti al basso pH del fluido gastrico [22]. La secrezione di acido cloridrico è stimolata dalla gastrina ormone gastrico, che viene rilasciata dalle cellule G enteroendocrine che sono presenti nelle ghiandole pilorica in risposta agli amminoacidi e proteine ​​digerite. Per cercare di estendere le conclusioni di cui sopra in assenza di geni Pepsinogeno in ornitorinco, abbiamo accanto valutato la possibilità che il gene codifica gastrina (GAST
) potrebbe anche essere assente dal genoma dell'ornitorinco.
Dopo l'analisi genomica comparativa in seguito alla stessa strategia come nel caso dei geni Pepsinogeno, non siamo riusciti a rilevare alcuna prova della presenza di GAST
in ornitorinco (vedi file di dati aggiuntivi 1), il che suggerisce che la secrezione acida potrebbe anche essere compromessa in questa specie. Coerentemente con questa osservazione, analisi genomica parallelo anche dimostrato che la subunità α della H + /K + - ATPasi (ATP4A
), che è responsabile per l'acidificazione del contenuto dello stomaco dalle cellule parietali, inoltre è stato eliminato dal genoma dell'ornitorinco. Questo gene, che è presente dal pesce alla amnioti, è stato altamente conservati attraverso l'evoluzione, ma è assente dal gruppo ornitorinco genoma (Figura 3a). Anche simile al caso dei geni Pepsinogeno, il ATP4A
fiancheggiante geni (TMEM147
e KIAA0841
), che sono presenti nel pesce, Therian, e pollo, erano facilmente identificati in ornitorinco. Così, l'analisi di un clone fosmid corrispondente a questa regione con una sonda per il gene più prossimale (TMEM147
) ha comportato la rilevazione di una specifica fascia di ibridazione in ornitorinco (vedi file di dati supplementare 1). Tuttavia, nessuna banda di ibridazione potrebbe essere rilevato in ornitorinco fosmid Kaag-0404B19, o DNA genomico totale da ornitorinco e T. aculeatus
quando si utilizza un derivato umano ATP4A
sonda, che altrimenti riconosciuto bande specifiche di topo, pollo, e lucertola (Ulteriori file di dati 1 e dati non riportati). Questi risultati estendere le conclusioni di cui sopra sui geni della proteasi gastriche e dimostrano che altri geni coinvolti nella attività digestiva del succo gastrico sono stati anche selettivamente eliminato dal genoma di monotremi. Figura 3 Assenza di un acido gastrico funzionale secernono H + /K + ATPasi in monotremi. (A) albero filogenetico che mostra la distribuzione di una subunità α funzionale della H + /K + ATPasi gene (ATP4A
) nei vertebrati, indicando in rosso assenza di questo gene in ornitorinco. La percentuale delle identità a livello di proteina di ATP4A da umana (Homo sapiens
), cane (Canis familiaris
), opossum (Monodelphis domestica
), lucertola (Anolis carolinensis
), pollo (Gallus gallus
), e la rana (Xenopus tropicalis
) è indicato nelle caselle gialle. (B) la struttura genica di ATP4B
e l'allineamento sequenza aminoacidica degli esoni indicati con ATP4B da diverse specie di vertebrati, tra cui lo spinarello pesce teleosteo (Gasterosteus aculeatus
). Elettroferogrammi e la sequenza traduzione di ornitorinco ATP4B
esoni 3, 4, e 7 che mostra la presenza di codoni di stop prematuri e un frameshift (freccia rossa). MYA, milioni di anni fa.
Abbiamo poi esaminato la possibilità che i meccanismi distinti da quelli che coinvolgono la cancellazione specifica dei geni gastrici potrebbero anche contribuire alla perdita apparente di ornitorinco di funzioni digestive evolutivamente conservati. Questa analisi ci ha portato a concludere che due noti geni gastriche - vale a dire CTSE
e ATP4B
[23-25], che codificano la aspartil proteasi catepsina E e la subunità β della H + /K + - ATPasi rispettivamente - sono stati inattivati ​​da pseudogenization. Così, in primo luogo abbiamo osservato che il genoma dell'ornitorinco contiene sequenze con alta somiglianza di entrambi i geni gastrici nei corrispondenti regioni sinteniche, suggerendo che CTSE
e ATP4B
potrebbero effettivamente essere geni funzionali a ornitorinco. Tuttavia, ulteriori analisi dettagliata della loro sequenza nucleotidica ha rivelato che CTSE
è non funzionali in questa specie dovuti sia alla presenza di un codone di stop prematuro nell'esone 7 (Lys295Ter) e alla perdita di sei dei suoi nove esoni. Analogamente, il ATP4B codifica gene è stato pseudogenized in platypus causa della presenza di codoni di stop prematuri in esoni 3 e 4 (Tyr98Ter e Lys153Ter), nonché un frameshift nell'esone 7 (Figura 3b). Questa osservazione, insieme alla perdita di ATP4A
in ornitorinco, conferma l'assenza di un funzionale H + /K + - ATPasi in questo vertebrati e fornisce almeno parte della spiegazione per la mancanza di acido secrezione nello stomaco ornitorinco; questa è una caratteristica di monotremi, il cui succo gastrico è al di sopra di pH 6 [14].
perdita di geni gastrici durante ornitorinco evoluzione
Lo stomaco dei mammiferi è fiancheggiata da un epitelio ghiandolare che contiene quattro principali tipi di cellule [26] : cellule mucose, parietali, capo, e enteroendocrine. I dati esposti mostrano che i geni che codificano diversi prodotti di questi quattro tipi principali di cellule dell'epitelio ghiandolare gastrica sono state selettivamente eliminati o inattivati ​​durante l'evoluzione monotreme (Figura 1 e Tabella 1). Anche se sono stati indicati i geni che codificano per proteasi per essere sottoposti a processi di eventi guadagno /perdita di geni in entrambi i vertebrati e invertebrati genomi [5, 16, 27], abbiamo stabilito che questi eventi di perdita del gene osservati nei geni gastrici ornitorinco non rappresentano un processo generale che colpisce tutte le proteine ​​che sono coinvolte nella digestione degli alimenti, perché l'analisi dei geni implicati nelle funzioni gastrointestinali ha rivelato che quei proteasi codifica e ormoni espresse nell'intestino o esocrina del pancreas da eutherians sono perfettamente conservati a ornitorinco (Figura 1). Sembra pertanto che vi è stata una perdita selettiva di geni Platypus responsabile per l'attività biologica di gastrica juice.Table 1 Sintesi di geni implicati nella funzione gastrica in ornitorinco
Proteine ​​
Gene
Stato nel genoma dell'ornitorinco
prove di conferma
ATPasi, H + /K + scambio, α polipeptide
ATP4A
Assente
Southern blot
ATPasi, H + /K + scambio, polipeptide β
ATP4B
pseudogene
PCR /sequenziamento diretto
Cathepsin E
CTSE
pseudogene
PCR /sequenziamento diretto
Gastrin
GAST
Assente
Southern blot
Neurogenin 3
Ngn3
Assente
Southern blot
pepsina A
PGA
Assente
Southern blot /sequenziamento
pepsina C
PGC
Assente
Southern blot /sequenziamento
gastrico intrinseca fattore
GIF
attuale (espressione del pancreas)
RT-PCR
chimosina
CYMP
attuale (espressione non rilevato)
Sequencing /RT-PCR
RT, -PCR, inversa reazione a catena della polimerasi di trascrizione.
per meglio affrontare la questione, abbiamo prossimo effettuato una ricerca dettagliata per il verificarsi putativo nel genoma dell'ornitorinco di geni funzionali che codificano per proteine ​​secrete dalle ghiandole gastriche. Questa ricerca ci ha portato all'identificazione di due geni con caratteristiche interessanti al riguardo. Il gene codificante il fattore intrinseco gastrico (GIF
), che è necessario per l'assorbimento della vitamina B 12, è perfettamente conservato in ornitorinco. Questa proteina è secreta da cellule principali o parietali nella maggior eutherians, ma viene prodotto principalmente dalle cellule pancreatiche nei cani e in opossum, in cui nessuna espressione gastrico può essere rilevato [28, 29]. E 'quindi probabile che l'espressione di questo gene era pancreas prima della scissione prototherian-Therian, e il fattore intrinseco potrebbe essere ancora secreto dal pancreas in ornitorinco, dove può esercitare la sua funzione fisiologica.
Per studiare questa possibilità, abbiamo condotto analisi RT-PCR utilizzando primer specifici per GIF
e RNA da diversi tessuti sia da ornitorinco o echidna (T. aculeatus
). Questo ci ha permesso di scoprire che GIF
espressione può essere rilevata nel pancreas, e l'espressione più bassa potrebbe essere rilevato anche nel fegato e nel cervello echidna, mentre nessuna espressione è stata rilevata nei muscoli o nel cervello da ornitorinco (vedi file di dati aggiuntivi 2 ). Pertanto, questi risultati indicano che, simile al caso dei marsupiali, il GIF
gene è espresso anche dal pancreas in monotremi. Una situazione analoga potrebbe verificarsi nel caso di chimosina, una aspartil proteasi che partecipa alla coagulazione del latte mediante proteolisi limitata della caseina κ [30]. Chimosina è presente nei polli e nella maggior parte delle specie di mammiferi, anche se è stato inattivato da pseudogenization in esseri umani e altri primati [2, 31]. La nostra analisi genomica anche rilevato un gene che contiene una griglia di lettura aperta completa che possa costituire un gene chimosina funzionale nel genoma dell'ornitorinco. Questa scoperta, insieme all'assenza di pepsine solubili e catepsina E in ornitorinco, suggerisce che chimosina potrebbe essere l'unico proteasi aspartil con la possibilità di contribuire alla digestione del cibo nello stomaco di ornitorinco. Tuttavia, è molto improbabile che chimosina potrebbe compensare la mancanza di attività di pepsina in ornitorinco stomaco a causa della sua attività proteolitica molto inferiore rispetto a quella del pepsine [30]. Inoltre, l'elevato pH dello stomaco ornitorinco potrebbe impedire l'attivazione zimogeno e l'attività proteolitica di questa peptidasi. Infine, è possibile che, simile al caso del fattore intrinseco, chimosina platypus potrebbe essere prodotto anche da altri tessuti. A questo proposito, siamo stati in grado di rilevare l'espressione di questo gene in qualsiasi tessuto sopra analizzati (dati non mostrati), anche se la sua partecipazione putative la digestione delle proteine ​​alimentari deve essere ulteriormente caratterizzato.
La perdita di stomaco funzione nel prototherians è unico tra i vertebrati, poiché questo organo è stato funzionale per più di 400 milioni di anni, dal pesce alla Therian e uccelli, ed è stato adattato alle specifiche abitudini alimentari, causando la formazione di camere multiple negli uccelli e nei ruminanti [ ,,,0],32]. Al contrario, lo stomaco di dell'ornitorinco è completamente aglandular ed è stata ridotta ad un semplice dilatazione dell'esofago inferiore [14, 15]. È notevole che alcune specie di pesci come il pesce zebra (Danio rerio
) e pesci palla (Takifugu rubripes
) hanno anche perso le loro ghiandole gastriche durante l'evoluzione, anche se questo fatto non ha evidentemente portato alla perdita di tante geni gastrici in questi teleostei come in ornitorinco [33, 34]. D'altra parte, il piccolo stomaco, pH elevato di fluido gastrico, e la mancanza di ghiandole gastriche in echidna, insieme con la constatazione che alcuni dei geni gastriche persi in platypus sono anche assente in T. aculeatus
, suggeriscono che la perdita della funzione di stomaco e geni gastrici in monotremi si è verificato prima della scissione ornitorinco-echidna, più di 21 MYA [10]. Tuttavia, è difficile determinare se la perdita di geni gastriche ornitorinco ha conferito un vantaggio selettivo durante l'evoluzione, o se sono stati persi a causa di un vincolo rilassato causa di ulteriori modifiche in questa specie.
A questo proposito , è possibile che la perdita di geni gastriche monotremes potrebbe aver conferito un vantaggio selettivo a questa popolazione contro i parassiti o patogeni che si basano sulla presenza di un pH acido nello stomaco per loro infezione o di propagazione, o l'uso di proteine ​​di superficie cellulare come ad esempio ATP4A, ATP4B, o CTSE come recettori per l'infezione. Se questo dovesse essere il caso, allora questo rappresenta un chiaro esempio di 'altro meno-è-' ipotesi [35, 36], che postula che la perdita di un gene potrebbe conferire un vantaggio selettivo in condizioni specifiche. Tuttavia, in assenza di dati aggiuntivi, non si può escludere che ulteriori modifiche nel sistema digestivo di monotremi fatto irrilevante la funzione dei geni descritti in questo lavoro, e sono stati sottoposti alla accumulo di mutazioni deleterie causa di un vincolo rilassato . Tuttavia, una domanda interessante a questo punto è se ulteriori strategie sono state adottate da ornitorinco realizzare efficiente digestione della proteina in assenza di un certo numero di enzimi gastrici. I cambiamenti nelle abitudini alimentari, come si nutrono di larve di insetti, che sono facilmente digeribile; la presenza di strutture anatomiche specifiche, quali la molatura lastre o pomelli involucri, che consentono triturazione cibo e stoccaggio; e la comparsa putativo di una caratteristica flora gastrointestinale in ornitorinco potrebbe costituire meccanismi con cui questa specie ha superato la perdita di uno stomaco funzionale.
Un'altra questione sollevata da questa analisi genomica comparativa è se la perdita di tutti i geni sopra discussi è causa o conseguenza di questo particolare fenotipo ornitorinco gastrica. Soppressione della codifica gastrina gene potrebbe aver contribuito a questo processo, in quanto topi deficienti di gastrina mostrano una atrofia della mucosa ossintiche, con un numero ridotto di cellule parietali e enteroendocrine, acloridria, e una diminuzione dello spessore della mucosa [37-39]. Inoltre, l'inattivazione di ATP4B
ha dimostrato di produrre una significativa diminuzione delle cellule e alterazioni principali pepsina producono nella struttura delle cellule parietali [25]. Inoltre, la perdita di PGA
potrebbe anche contribuire alla atrofia gastrica osservata in ornitorinco, perché questa proteasi è stato recentemente dimostrato di essere richiesto per l'elaborazione e l'attivazione del morphogen sonic hedgehog (Shh) nello stomaco [40]. Pertanto, l'eliminazione o inattivazione della gastrina, l'Un acido-secernente ATPasi e pepsinogeno potrebbero aver contribuito a una sostanziale riduzione della formazione delle ghiandole gastriche in monotremi. Tuttavia, non si può eliminare la possibilità che la funzione dello stomaco è stato perso da qualche altro meccanismo estranei, e - in assenza di pressione selettiva per mantenere i geni codificanti proteine ​​implicate nella funzione gastrica - questi geni sono stati persi dal pseudogenization e /o cancellazione eventi. Tuttavia, l'esclusivo assenza di questi geni non può spiegare la significativa riduzione delle dimensioni osservata nello stomaco di ornitorinco, suggerendo che altri fattori potrebbero essere responsabili di questa caratteristica.
Per valutare questa possibilità, in primo luogo abbiamo selezionato una serie di geni precedentemente descritto di influenzare le dimensioni dello stomaco nei topi ed esaminato la sua presunta presenza e la sequenza di conservazione nel genoma dell'ornitorinco (Ulteriori file di dati 3). Questa analisi ci ha permesso di determinare che il gene che codifica neurogenina-3 è stato perso in ornitorinco (Ulteriori file di dati 1 e Tabella 1).
Neurogenin-3 è un fattore di trascrizione la cui attività è necessaria per la specifica dei gastrica identità delle cellule epiteliali , e la carenza di questo fattore si traduce in stomaci notevolmente più piccoli e assenza di cellule G gastrina secernono, le cellule che secernono somatostatina-D e le cellule a glucagone-secernenti [41]. Pertanto, si è tentati di ipotizzare che neurogenina-3 potrebbe essere un gene candidato per spiegare, almeno in parte, le differenze morfologiche tra stomaco ornitorinco e quella degli altri vertebrati. Tuttavia, saranno necessari ulteriori studi sul ruolo della neurogenina-3 in diverse specie di attribuire un ruolo di questo fattore di trascrizione nella definizione delle differenze strutturali o funzionali a stomaco nel corso dell'evoluzione dei mammiferi.
Meccanismi coinvolti nella perdita di geni gastrici in ornitorinco
Infine, in questo lavoro abbiamo anche esaminato meccanismi putativi responsabili della perdita di geni gastrici nel genoma dell'ornitorinco. Una prima possibilità in questo senso dovrebbe essere il verificarsi di perdite di geni diretti specificamente che si verificano in ornitorinco e l'echidna due specie esistenti Zaglossus
e Tachyglossus
. Come primo passo in questa analisi, e sulla base di recenti studi di perdite di geni specifici nel corso dell'evoluzione ominide [42], abbiamo esaminato l'ipotesi che i geni gastrici sono stati cancellati in modo indipendente in ornitorinco da nonallelic ricombinazione omologa o con l'inserimento di sequenze ripetute. Coerentemente con questa possibilità, e in accordo con la maggiore attività di elementi intercalati nel genoma dell'ornitorinco [10, 43], abbiamo trovato che il CTSE
gene è stato interrotto nel ornitorinco con l'inserimento di elementi lunghi intervallati (linee) ed elementi brevi intervallati (seni) in esoni 7 e 9, interrompendo la regione codificante la proteina (figura 4). È interessante notare, esone 9 è stato interrotto tramite l'inserimento di un elemento LINE2 Plat1m, ulteriormente interrotta con l'inserimento di un elemento SINE Mon1f3 (Figura 4). A questo proposito, l'analisi dei diversi elementi intercalati nel genoma dell'ornitorinco ha rivelato che il periodo di attività principale di elementi Mon1f3 era tra 88 e 159 MYA [10], indicando che pseudogenization di CTSE
potrebbe essersi verificato entro questo periodo, e suggerendo che l'inattivazione di geni gastrici in monotremi iniziato almeno 88 MYA. Inoltre, la grande abbondanza di elementi ripetitivi nella CTSE
regione (più di 3,8 elementi intervallati per kilobase rispetto al 2 per la media genoma [10]) potrebbe aver contribuito alla soppressione di sei delle nove esoni del CTSE
da nonallelic ricombinazione omologa tra questi elementi ripetitivi. La densità variabile di elementi intercalati nelle regioni esaminate in questo studio solleva la possibilità che meccanismi simili a quello osservato in CTSE
potrebbe essere stato responsabile per la cancellazione completa di altri geni gastrici, anche se la partecipazione di altri meccanismi in questo processo non può essere esclusa. Figura 4 L'inattivazione del gene CTSE
per l'inserimento di elementi intervallati. mappa genetica del CTSE
locus nel genoma dell'ornitorinco che mostra l'interruzione di esoni 7 e 9 da elementi intervallati. pannelli superiore ed inferiore mostrano una visione più dettagliata degli esoni 7 e 9, rispettivamente, indicando la sequenza nucleotidica del esoni e interrompere elemento lungo intervallati (LINE) 2 ed elementi brevi intervallati elemento (seno). BP, paia di basi.
Conclusione
In sintesi, l'analisi dettagliata della sequenza del genoma dell'ornitorinco ci ha permesso di dimostrare che un certo numero di geni che sono implicati nella digestione del cibo nello stomaco sono specificamente stato eliminato o inattivati ​​in questa specie , così come in echidna. È notevole che i risultati presentati qui possono costituire un eccezionale esempio del-is-meno più modello evolutivo [35, 36], sia per il numero di geni coinvolti nonché per le conseguenze fisiologiche derivate da queste perdite genetiche.

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