Perda de genes implicados em função gástrica durante ornitorrinco evolution

perda de genes implicados em função gástrica durante a evolução ornitorrinco da arte abstracta
Fundo
O ornitorrinco (Ornithorhynchus anatinus
) pertence à subclasse dos mamíferos Prototheria, que divergiram da linha Theria cedo na evolução dos mamíferos. A sequência de ornitorrinco genoma proporciona uma oportunidade única para iluminar alguns aspectos da biologia e evolução desses animais.
Resultados
Mostramos que vários genes implicados na digestão dos alimentos no estômago ter sido excluído ou inativado em ornitorrinco. Comparação com outros genomas de vertebrados revelou que os principais genes implicados na formação e actividade de suco gástrico ter sido perdidos em ornitorrinco. Estes incluem a aspartil proteases pepsinogénios A e Pepsinogênios B /C, a secreção de ácido clorídrico a hormona estimuladora da gastrina, e a subunidade α do gástrica H + /K + - ATPase. Outros genes implicados nas funções gástricas, tais como a subunidade β do H + /K + - ATPase e a aspartil-protease catepsina E, foram inactivadas devido à aquisição de mutações de perda de função. Todos estes genes são altamente conservada em vertebrados, reflectindo um padrão único de evolução no genoma ornitorrinco não previamente observados em outros genomas de mamíferos.

Conclusão A perda observada de genes envolvidos em funções gástricas pode ser responsável pela anatómica e diferenças fisiológicas no tracto gastrointestinal entre monotremes e outros vertebrados, incluindo o tamanho pequeno, a falta de glândulas, e elevado pH do estômago monotremado. Este estudo contribui para uma melhor compreensão dos mecanismos subjacentes à evolução do genoma do ornitorrinco, pode estender o modelo menos-é-mais evolutiva para monotremados, e fornece novos insights sobre a importância de eventos de perda de genes durante a evolução dos mamíferos.
Background
Um dos principais objetivos no seqüenciamento de genomas diferentes é identificar as mudanças genéticas que são responsáveis ​​pelas diferenças fisiológicas entre estes organismos. A este respeito, a comparação entre genomas humanos e roedores identificou uma expansão em roedores de genes que estão envolvidos na fertilização e maturação de esperma, defesa do hospedeiro, a percepção de odor, ou desintoxicação [1-3], confirmando a nível genético as diferenças fisiológicas nestes processos entre os seres humanos e roedores. Além disso, o desenvolvimento de processos biológicos específicos durante a evolução, por exemplo, a produção de leite em mamíferos, tem sido acompanhado pelo aparecimento de novos genes que estão implicados nestas novas funções, tais como a caseína e α-lactalbumina [4]. Portanto, parece que a aquisição de novas funções fisiológicas durante a evolução dos vertebrados tem sido dirigido através da geração de novos genes adaptados a estas funções mais recentes. No entanto, embora os ganhos de genes constitui um mecanismo intuitivo para o desenvolvimento de novas funções biológicas, as perdas de genes também têm sido importante durante a evolução, tanto quantitativa como qualitativamente [5-9]. A recente disponibilidade de inúmeros genomas de vertebrados, abriu a possibilidade de realizar análise evolutiva em larga escala, a fim de identificar genes diferenciais responsáveis ​​pelas diferenças específicas em processos biológicos particulares.
O ornitorrinco (Ornithorhynchus anatinus
) representa um recurso valioso para desvendar os mecanismos moleculares que têm sido ativa durante a evolução dos mamíferos, devido tanto à sua posição filogenética e à presença de características biológicas únicas [10]. Juntamente com as equidnas, ornitorrinco constitui a subclasse Monotremata (prototherians); esta é uma das duas subclasses em que mamíferos são divididos, em conjunto com Therians, que são ainda subdivididas em marsupiais (metatherians) e mamíferos placentária (eutérios) [11]. O aparecimento de características específicas de mamíferos, tais como homeotermia, presença de pele, e glândulas mamarias torna este organismo um elemento-chave na elucidação dos factores genéticos que estão implicados no aparecimento destas funções biológicas. No entanto, desde o último ancestral comum de mamíferos, mais de 166 milhões de anos atrás (MYA) [12, 13], outras características surgiram, tais como a presença de glândulas de veneno ou eletrorrecepção, e algumas características de vertebrados foram perdidos, resultando na ausência de dentes adultos ou um estômago funcionais [14, 15].
neste trabalho, nós demonstram que houve uma supressão selectiva e inactivação no genoma ornitorrinco de diversos genes que estão implicados na actividade do estômago, incluindo todos os genes que codificam proteases pepsina, que estão envolvidos na digestão de proteínas inicial no pH ácido do estômago, bem como os genes necessários para a secreção de ácido neste órgão (Figura 1). A perda e a inactivação desses genes fornecem uma base molecular para a compreensão dos mecanismos que são responsáveis ​​pela ausência de um ornitorrinco do estômago funcional, e expandir o nosso conhecimento da evolução de genomas de mamíferos. Figura 1 Esquema do sistema gastrointestinal eutherian, mostrando glândulas gástricas e tipos celulares específicos. As proteínas segregadas por cada tipo de célula e directamente implicados na digestão de alimentos são indicados, destacando em vermelho aquelas proteínas que estão ausentes em ornitorrinco. factor intrínseco * gástrico é produzida pelas células parietais em seres humanos, mas no pâncreas de monotremes e outros mamíferos.
Resultados e discussão
perda de genes de pepsina na ornitorrinco genoma
Durante a anotação inicial e caracterização do ornitorrinco genoma, notamos a ausência de vários genes de protease neste organismo que estavam presentes em outras espécies de mamíferos [2, 10]. A maioria destes genes de proteases perdidos codificam membros de famílias em rápida evolução de proteases, incluindo proteases que estão implicadas em funções imunológicas, espermatogénese, ou fertilização [2, 16]. No entanto, quando foi realizada uma análise mais detalhada de todos esses genes de protease perdidos no ornitorrinco, observamos que aqueles que codificam três principais proteases de aspartilo gástrica (pepsinogen A, pepsinogen B e gastricsin /pepsinogen C) também estiveram ausentes do conjunto ornitorrinco genoma . Estas proteases são responsáveis ​​pela clivagem proteolítica das proteínas dietéticas no pH ácido do estômago, e têm sido altamente conservada ao longo da evolução, a partir de peixes de mamíferos e aves [17]. Os genes que codificam para estas proteases (PGA
, PGB
, e PGC
) estão localizados em diferentes loci cromossómico, cuja estrutura global tem também sido bem conservada na maioria dos genomas de vertebrados, incluindo ornitorrinco (Figura 2). Portanto, parecia improvável que a sua ausência em ornitorrincos poderia ser devido à incompletude da montagem do genoma em uma região cromossómica específica. Além disso, a análise de mais de 2 milhões de sequências de rastreamento que não estão presentes na montagem e expressou tag sequência (EST) sequências de diferentes tecidos de ornitorrinco [10] também falharam em revelar a existência de qualquer destes genes pepsinogênio, reforçando a hipótese de que eles tinham sido especificamente excluído no genoma desse mamífero. Figura 2 Supressão de genes codificadores de pepsinogênio no genoma do ornitorrinco. (A) mapa Sintenia dos loci contendo PGB
e PGC
em vertebrados mostra uma forte conservação dos genes que codificam pepsinogénios C e seus genes flanqueadores, com a excepção de ornitorrinco, na qual PGC
tem sido especificamente suprimido. A figura também mostra como o gene que codifica pepsinogénios B apareceu em Therians como um resultado de uma duplicação de PGC
a um local próximo, seguida de uma translocação. A região correspondente no genoma do ornitorrinco carece de qualquer gene de codificação pepsinogen. genes pepsinogênio funcionais são coloridos em azul, enquanto pseudogenes pepsinogênio estão em vermelho. Para ser humano eo cão, que passou por uma translocação do PGB
lugar, os cromossomos são indicados à esquerda. As sequências do genoma analisados ​​são de ornitorrinco (Ornithorhynchus anatinus
), humano (Homo sapiens
), cão (Canis familiaris
), opossum (Monodelphis domestica
), lagarto (Anolis carolinensis
) , frango (Gallus gallus
), eo sapo (Xenopus tropicalis
). (B) mapa Sintenia da PGA
lugar em diferentes espécies de vertebrados mostra a supressão deste gene protease gástrica no genoma do ornitorrinco. cromossomas artificiais bacterianos (BACs) e fosmids utilizados no estudo são indicados no topo de cada painel. . Cores de genes e escala são os mesmos que no painel de um
Para investigar esta possibilidade ainda mais, primeiro comparou a organização genômica destes genes de protease três aspartil - PGA
, PGB Comprar e PGC Restaurant - em os genomas de humano, cão, gambá, frango, lagarto, sapo e [18-21]. Está bem estabelecido que os genes que codificam pepsinogênios foram objecto de diversas expansões durante a evolução dos vertebrados, conduzindo à presença de, pelo menos, de três a seis membros funcionais distintos nos genomas destes organismos (Figura 2A). Além disso, um evento de duplicação em PGC
na linhagem therian resultou na formação de PGB
, que parece ser funcional em opossum e cão, e neste último provavelmente substitui a função de PGC
, que foi inactivado por pseudogenization. Os loci contendo estes genes pepsinogênio têm sido altamente conservada ao longo da evolução, e seus genes flanqueadores também são perfeitamente conservado em ambos sequência de nucleótidos e a fim de genomas de vertebrados (Figura 2a).
Análise de cromossomas artificiais bacterianos ornitorrinco (BACs) e /ou fosmids correspondentes a estas regiões revelou que os genes que flanqueiam os genes pepsinogênio em outras espécies são conservadas e mapear para a correspondente região do genoma sintênica ornitorrinco (Figura 2). No entanto, uma sonda de DNA correspondente ao murino pepsinogen Uma falha ao cruzar com os BACs ou fosmids abrangendo as regiões de interesse ornitorrinco analisados ​​(ver arquivo de dados adicionais 1). Além disso, a sequenciação completa das regiões genômicas ornitorrinco ladeado por TFEB Comprar e FRS3
, bem como por C1orf88 Comprar e CHIA2
não conseguiu detectar quaisquer genes que codificam pepsinogen C ou pepsinogen B, respectivamente. Além disso, e a fim de testar a possibilidade de que os genes pepsinogênio ter sido transposto para outros loci durante a evolução ornitorrinco, uma análise de mancha de Southern com a mesma sonda foi realizada usando ADN genómico total. Esta análise resultou na ausência de hibridação quando o DNA genômico de ornitorrinco e uma espécie Echidna (aculeatus do Tachyglossus
) foram utilizados, ao passo que a mesma sonda facilmente detectadas duas bandas de hibridação de espécies distantes mais evolutivas, como lagarto (Podarcis hispanica
) e de galinha (dados não mostrados).
em conjunto, estes dados indicam que os genes que codificam para estas proteases gástricas foram especificamente excluídos no genoma de monotremes, provavelmente, resultando em diferenças importantes na digestão de proteínas dietéticas nestas espécies, quando comparada com outros vertebrados.
perda ou inactivação de genes implicados em ornitorrinco secreção ácida do estômago
Pepsinogênios são sintetizadas por células principais nas glândulas oxínticas do estômago como precursores inactivos que tornar-se activado quando são expostos ao pH baixo do fluido gástrico [22]. A secreção de ácido clorídrico é estimulado pela hormona gastrina gástrico, que é libertado por células enteroendócrinas G que estão presentes nas glândulas pilórica, em resposta aos aminoácidos e proteínas digeridas. Para tentar estender as conclusões anteriores sobre a ausência de genes pepsinogênio em ornitorrinco, nós próxima avaliou a possibilidade de que o gene que codifica a gastrina (GAST
) também poderia estar ausente do genoma do ornitorrinco.
Após análise genômica comparativa na sequência da mesma estratégia como no caso dos genes pepsinogênio, não conseguimos detectar qualquer evidência da presença de GAST
em ornitorrinco (ver arquivo de dados adicionais 1), o que sugere que a secreção de ácido também pode ser prejudicada nesta espécie. Consistente com esta observação, a análise genómica paralelo também mostraram que a subunidade α do H + /K + - ATPase (ATP4A
), que é responsável pela acidificação do conteúdo do estômago por células parietais, também foi excluído do genoma do ornitorrinco. Este gene, que se encontra presente a partir de peixes de amniotes, tem sido altamente conservada ao longo da evolução, mas está ausente do conjunto ornitorrinco genoma (Figura 3a). Também de modo semelhante ao caso dos genes pepsinogênio, o ATP4A
-flanking genes (TMEM147
e KIAA0841
), que estão presentes em peixes, Therians, e frango, foram prontamente identificados em ornitorrinco. Assim, a análise de um clone fosmid correspondente a esta região, com uma sonda para o gene mais proximal (TMEM147
) resultou na detecção de uma banda de hibridação específica em ornitorrinco (ver arquivo de dados adicionais 1). No entanto, não há bandas de hibridação pode ser detectada em ornitorrinco fosmid KAAG-0404B19, ou a partir de ADN genómico total e T. ornitorrinco aculeatus
quando se utiliza um derivado humano ATP4A
sonda, que de outro modo reconhecido bandas específicas em rato, galinha, e lagarto (ficheiro de dados adicionais 1 e dados não mostrados). Estes resultados estendem o que precede os genes de protease gástricas e demonstram que outros genes envolvidos na actividade digestiva de suco gástrico também têm sido selectivamente excluído a partir dos genomas de monotremes. Figura 3 Ausência de um ácido gástrico funcional secretoras de H + /K + -ATPase em monotremes. (A) da árvore filogenética que mostra a distribuição de uma subunidade α funcional da H + /K + -ATPase gene (ATP4A
) em vertebrados, indicando de vermelho a ausência desse gene em ornitorrinco. A percentagem de identidade no nível de proteína de ATP4A de humano (Homo sapiens
), cão (Canis familiaris
), opossum (Monodelphis domestica
), lagarto (Anolis carolinensis
), frango (Gallus gallus
), eo sapo (Xenopus tropicalis
) é mostrado em caixas amarelas. (B) Gene de estrutura ATP4B
e alinhamento de sequências de aminoácidos dos exões indicados com ATP4B a partir de diferentes espécies de vertebrados, incluindo os peixes teleósteos stickleback (Gasterosteus
aculeatus). Eletroferogramas e sequência tradução de ATP4B ornitorrinco
exons 3, 4 e 7, mostrando a presença de códons de paragem prematuro e uma frameshift (seta vermelha). MYA, milhões de anos atrás.
Nós próxima examinada a possibilidade de que mecanismos distintos dos que envolvem a eliminação específica de genes gástrico também pode contribuir para a perda aparente no ornitorrinco de funções digestivas evolutivamente conservadas. Esta análise nos levou a concluir que dois genes bem conhecidos gástricas - nomeadamente CTSE Comprar e ATP4B
[23-25], que codificam a aspartil protease catepsina E e a subunidade β do H + /K + - ATPase, respectivamente - foram inativado por pseudogenization. Assim, observou-se pela primeira vez que o genoma do ornitorrinco contém sequências com elevada similaridade com ambos os genes gástricas nas regiões correspondentes sintênicas, sugerindo que CTSE
e ATP4B
poderia realmente ser genes funcionais em ornitorrinco. No entanto, a análise mais detalhada da sua sequência de nucleótidos revelou que CTSE
é não funcional desta espécie, devido tanto à presença de um codão de paragem prematuro no exão 7 (Lys295Ter) e para a perda de seis dos seus nove exões. Da mesma forma, o gene que codifica ATP4B foi pseudogenized em ornitorrinco, devido à presença de codões de paragem prematuros em exões 3 e 4 (e Tyr98Ter Lys153Ter), bem como um desvio de enquadramento no exão 7 (Figura 3b). Esta observação, em conjunto com a perda de ATP4A
em ornitorrinco, confirma a ausência de um funcional H + /K + - ATPase neste vertebrado e fornece, pelo menos, parte da explicação para a falta de ácido secreção no estômago ornitorrinco; esta é uma característica da monotremes, cuja suco gástrico é acima de pH 6 [14].
perda de genes gástrico durante a evolução ornitorrinco
O estômago de mamífero é revestido com um epitélio glandular, que contém quatro principais tipos de células [26] : células mucosas, parietais, chefe, e enteroendócrinas. Os dados apresentados acima mostram que os genes que codificam para produtos diferentes dos quatro principais tipos de células do epitélio glandular gástrica foram selectivamente eliminado ou inactivado durante a evolução monotremado (Figura 1 e Tabela 1). Embora os genes que codificam as proteases têm sido mostrados para ser submetido a processos de eventos de ganho /perda dos genes em ambos os vertebrados e invertebrados genomas [5, 16, 27], nós determinamos que estes eventos de perda do gene observados em genes gástricas ornitorrinco não representam um processo geral que afecta todas as proteínas que estão envolvidas na digestão de alimentos, porque a análise de genes implicados nas funções gastrointestinais revelou que estas proteases que codificam hormonas e expressos no intestino ou pâncreas exócrino de eutérios está perfeitamente conservado em ornitorrinco (Figura 1). Assim, parece que houve uma perda selectiva de genes ornitorrinco responsável pela actividade biológica de gástrica juice.Table 1 Síntese de genes implicados em função gástrica em ornitorrinco
Proteína
Gene
status no genoma do ornitorrinco
evidências confirmatórias
ATPase, H + /K + troca, α polipeptídeo
ATP4A
Ausente
Southern blot
ATPase, H + /K + troca, polipeptídeo β
ATP4B
pseudogene
PCR /sequenciamento direto
Catepsina E
CTSE
pseudogene
PCR /sequenciamento direto
gastrina
GAST
Ausente
Southern blot
neurogenin 3
Ngn3
Ausente
Southern blot
pepsina A
PGA
Ausente
Southern blot /sequenciamento
pepsina C
PGC
Ausente
Southern blot /sequenciamento
gástrica intrínseca fator
GIF
Present (expressão pancreático)
RT-PCR
Quimosina
CYMP
Presente (expressão não detectado)
Sequencing /RT-PCR
RT,-PCR, RT-PCR.
para abordar esta questão ainda mais, o próximo realizada uma pesquisa detalhada para a ocorrência putativa no genoma do ornitorrinco de genes funcionais que codificam proteínas secretadas por glândulas gástricas. Esta pesquisa nos levou à identificação de dois genes com características interessantes a este respeito. O gene que codifica o factor intrínseco gástrico (GIF
), que é necessária para a absorção de vitamina B 12, está perfeitamente conservado em ornitorrinco. Esta proteína é secretada pelas células parietais principais ou na maioria dos eutérios, mas é produzido principalmente por células pancreáticas em cães, bem como em opossum, em que há expressão gástrica podem ser detectados [28, 29]. Portanto, é provável que a expressão deste gene foi pancreático antes da divisão prototherian-therian, eo fator intrínseco pode ainda ser secretada pelo pâncreas em ornitorrinco, onde ele pode exercer a sua função fisiológica.
Para investigar esta possibilidade, A análise por RT-PCR realizada utilizando iniciadores específicos para GIF
e ARN de diferentes tecidos, a partir de qualquer ou ornitorrinco eqüidna (T.
aculeatus). Isto permitiu-nos encontrar a que GIF
expressão pode ser detectada no pâncreas, e menor expressão pode também ser detectado no fígado, assim como no cérebro eqüidna, enquanto que nenhuma expressão foi detectada no cérebro ou músculo de ornitorrinco (ver arquivo de dados adicionais dois ). Portanto, estes resultados indicam que, semelhante ao caso de marsupiais, o GIF
gene também é expressa pelo pâncreas em monotremes. Uma situação semelhante poderia ocorrer no caso de quimosina, uma aspartil-protease que participa na coagulação do leite por proteólise limitada de caseína κ [30]. Quimosina está presente na galinha e na maioria das espécies de mamíferos, embora tenha sido inactivado por pseudogenization em seres humanos e outros primatas [2, 31]. Nossa análise genômica também detectou um gene que contém um quadro de leitura aberta completa que possa constituir um gene quimosina funcional no genoma do ornitorrinco. Esta descoberta, em conjunto com a ausência de pepsinas solúveis e a catepsina E em ornitorrinco, sugere que quimosina pode ser a única aspartil-protease com a capacidade de contribuir para a digestão dos alimentos no estômago de ornitorrinco. No entanto, é muito improvável que quimosina pode compensar a falta de actividade da pepsina no estômago ornitorrinco por causa da sua actividade proteolitica muito menor quando comparada com a de pepsinas [30]. Além disso, o elevado pH do estômago ornitorrinco pode evitar a activação do zimogénio e actividade proteolítica desta peptidase. Finalmente, é possível que, à semelhança do caso do factor intrínseco, quimosina ornitorrinco pode ser também produzido por outros tecidos. A este respeito, não fomos capazes de detectar a expressão deste gene em qualquer um dos tecidos acima analisados ​​(dados não mostrados), embora a sua participação putativo na digestão de proteínas da dieta deve ser ainda caracterizada.
A perda de estômago função em prototherians é único entre os vertebrados, porque este órgão tem sido funcional por mais de 400 milhões de anos, a partir de peixes de Therians e aves, e que foi adaptada para os hábitos alimentares específicas, resultando na formação de múltiplas câmaras em aves e os ruminantes [ ,,,0],32]. Em contraste, o estômago de ornitorrinco é completamente aglandular e foi reduzido a um simples dilatação do esófago inferior [14, 15]. É notável que algumas espécies de peixes, como peixe-zebra (Danio rerio
) e baiacu (Takifugu rubripes
) também perderam suas glândulas gástricas durante a evolução, embora este fato não tem, aparentemente, resultou na perda de tantos genes gástricas nestes teleósteos como no ornitorrinco [33, 34]. Por outro lado, o pequeno estômago, de pH elevado de fluido gástrico, e a falta de glândulas gástricas em eqüidna, em conjunto com a conclusão de que alguns dos genes gástricas perdidos em ornitorrinco também estão ausentes em T. aculeatus
, sugerem que o perda da função de estômago e genes gástricas em monotremados ocorreu antes da divisão ornitorrinco-echidna, mais de 21 MYA [10]. No entanto, é difícil determinar se a perda de genes gástricas em ornitorrinco foi conferida uma vantagem selectiva durante a evolução, ou se tiverem sido perdidos como resultado de uma restrição relaxado devido a alterações suplementares nesta espécie.
A este respeito , é possível que a perda de genes gástricas em monotremes pode ter uma vantagem selectiva a esta população contra parasitas ou patógenos que dependem da presença de um pH ácido no estômago durante a infecção ou a propagação, ou a utilização de proteínas da superfície celular tais como ATP4A, ATP4B, CTSE ou como receptores para a infecção. Se for este o caso, então isso representaria um claro exemplo da hipótese de "menos é mais" [35, 36], a qual postula que a perda de um gene pode conferir uma vantagem selectiva em condições específicas. No entanto, na ausência de dados adicionais, que não pode ser excluído que as alterações adicionais no sistema digestivo de monotremes tornada irrelevante a função dos genes descritos no presente trabalho, e eles foram submetidos à acumulação de mutações deletérias por causa de um constrangimento relaxado . No entanto, uma questão interessante neste ponto é se estratégias adicionais foram adoptadas por ornitorrinco para realizar a digestão de proteínas eficiente, na ausência de um número de enzimas gástricos. Mudanças nos hábitos alimentares, tais como alimentando-se de larvas de insetos, que são facilmente digeridos; a presença de estruturas anatômicas específicas, tais como moagem placas ou maçãs do rosto bolsas, que permitem trituração e armazenamento de alimentos; ea ocorrência putativa de uma característica de flora gastrointestinal em ornitorrinco pode constituir mecanismos pelos quais esta espécie superou a perda de um estômago funcional.
Outra questão levantada por esta análise do genoma comparativo é se a perda de todos os genes acima discutidas é causa ou consequência deste fenótipo gástrica ornitorrinco particular. Supressão da codificação gastrina gene pode ter contribuído para este processo, porque os ratos deficientes em gastrina exibem uma atrofia da mucosa oxíntica, com um número reduzido de células parietais e enteroendócrinas, achlorhydria, e diminuição da espessura da mucosa [37-39]. Além disso, a inactivação de ATP4B
foi demonstrado que produz uma redução significativa em células principais produtoras de pepsina e alterações na estrutura das células parietais [25]. Além disso, a perda de PGA
também pode contribuir para a atrofia gástrica observada em ornitorrinco, porque esta protease foi recentemente mostrado ser necessária para o processamento e activação do morfogénio sonic hedgehog (Shh) no estômago [40]. Portanto, a eliminação ou inactivação de gastrina, o A ATPase secretoras de ácido e pepsinogênio poderia ter contribuído para uma redução substancial na formação de glândulas gástricas em monotremados. No entanto, não se pode descartar a possibilidade de que a função do estômago foi perdido por algum outro mecanismo não relacionado, e - na ausência de uma pressão selectiva para manter os genes que codificam para proteínas envolvidas na função gástrica - estes genes foram perdidos por pseudogenization e /ou deleção eventos. No entanto, a ausência exclusiva destes genes pode não explicar a redução significativa do tamanho observado no estômago de ornitorrinco, sugerindo que outros factores podem ser responsáveis ​​por esta característica.
Para avaliar esta possibilidade, primeiro seleccionada uma série de genes previamente descrito para influenciar o tamanho do estômago em ratos e examinou a sua presença e a sequência putativa de conservação no genoma do ornitorrinco (arquivo de dados adicionais 3). Esta análise permitiu determinar que o gene que codifica neurogenin-3 foi perdido em ornitorrinco (ficheiro de dados adicionais 1 e Tabela 1).
Neurogenin-3 é um factor de transcrição cuja actividade é necessária para a especificação da identidade da célula epitelial gástrica , e deficiência deste factor resulta em estômagos consideravelmente menores e ausência de células secretoras de G-gastrina, as células que segregam D-somatostatina e células A-secretoras de glucagon [41]. Portanto, é tentador especular que neurogenin-3 pode ser um gene candidato para explicar, pelo menos em parte, as diferenças morfológicas entre o estômago e que ornitorrinco de outros vertebrados. No entanto, estudos adicionais do papel das neurogenin-3 em diferentes espécies irão ser necessários para atribuir um papel para este factor de transcrição na definição diferenças estruturais ou funcionais no estômago durante a evolução dos mamíferos.
Mecanismos envolvidos na perda de genes gástricas em ornitorrinco
Finalmente, neste trabalho que também analisou possíveis mecanismos responsáveis ​​pela perda de genes gástrico no genoma do ornitorrinco. A primeira possibilidade, a este respeito deve ser a ocorrência de perdas de genes dirigidos que ocorrem especificamente na ornitorrinco e as duas espécies existentes echidna Zaglossus Comprar e Tachyglossus
. Como um primeiro passo nesta análise, e com base em estudos recentes de perdas de genes específicos durante a evolução hominóide [42], que examinaram a hipótese de que genes gástricas foram suprimidos de forma independente em ornitorrinco por recombinação homóloga nonallelic ou por inserção de sequências repetitivas. Consistente com esta possibilidade, e de acordo com o aumento da atividade de elementos intercalados no genoma do ornitorrinco [10, 43], descobrimos que o gene CTSE
foi interrompido em ornitorrinco pela inserção de elementos intercalados longas (linhas) e elementos curtos intercalados (Sines) em exons 7 e 9, interrompendo a região codificadora de proteínas (Figura 4). Curiosamente, o exão 9 foi interrompida pela inserção de um elemento de LINHA2 Plat1m, o qual foi ainda interrompido pela inserção de um elemento SINE Mon1f3 (Figura 4). A este respeito, a análise de diferentes elementos intercalados no genoma ornitorrinco revelou que a principal actividade de período de elementos Mon1f3 era entre 88 e 159 MAA [10], indicando que pseudogenization de CTSE
pode ter ocorrido durante este período, e sugerindo que a inactivação de genes gástricas em monotremes iniciado pelo menos 88 MAA. Além disso, a alta abundância de elementos repetitivos no CTCE e região (mais de 3,8 elementos intercalados por quilobases, em comparação com 2 para a média genoma [10]) pode ter contribuído para a exclusão de seis dos nove exons do CTCE
por recombinação homóloga nonallelic entre esses elementos repetitivos. A densidade variável de elementos intercalados nas regiões examinadas neste estudo levanta a possibilidade de que os mecanismos semelhante ao observado em CTSE
pode ter sido responsável pela supressão completa de outros genes gástricas, embora a participação de outros mecanismos, neste processo não é possível ser descartada. Figura 4 Inactivação de gene CTSE
pela inserção de elementos intercalados. mapa genético do CTCE
locus do genoma do ornitorrinco mostrando o rompimento de exons 7 e 9 por elementos intercalados. painéis superior e inferior mostram uma visão mais detalhada dos exons 7 e 9, respectivamente, indicando a sequência de nucleotídeos de exons ea interromper elemento há muito intercaladas (LINE) 2 e elementos curtas intercaladas elementos (SINE). pb, pares de bases.

Conclusão Em resumo, a análise detalhada do genoma sequência ornitorrinco nos permitiu demonstrar que um número de genes que estão envolvidos na digestão dos alimentos no estômago especificamente ter sido eliminado ou inactivado nesta espécie , bem como em eqüidna. É notável que os resultados aqui apresentados, pode constituir um exemplo excepcional de o menos é mais-modelo evolutivo [35, 36], tanto para o número de genes envolvidos, bem como para as consequências fisiológicas derivadas destas perdas genéticas.

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