Обобщение

Въведение

Как са организирани геномите и какви видове хромозомни пренареждания участват в видообразуването и макроеволюционните събития са от решаващо значение за разбирането на динамиката на хромозомната еволюция. Молекулярните цитогенетични данни и нарастващата наличност на частично или напълно секвенирани геноми от различни видове гръбначни породиха напредък във филогеномиката (филогенетични реконструкции, използващи геномни данни). Това е довело до хипотеза на броя на хромозомите на предците, кариотипите и идентифицирането на запазени хромозомни синтетичности и сегментни асоциации на различни таксономични нива.

Тук ние изследваме как молекулярната цитогенетика и в силико анализ на геномни последователности са допринесли за нашето разбиране за хромозомната еволюция на бозайници и идентифицирането на запазени геномни региони. В допълнение, ние правим преглед и разширяване на предишни наблюдения, като предоставяме нови данни за наличието на запазени синтетични сегментни асоциации, които проследяват произхода на тетраподите.

Вариация на броя на хромозомите при гръбначните животни

Броят на хромозомите и броят на хромозомните рамена са добри обобщени статистически данни за кариотипната промяна и следователно за хромозомната еволюция в групи организми. Въпреки че данните за вариацията на броя на рамото на хромозомата (основното име на Matthey (1945), обикновено съкратено като NF) са оскъдни, информацията за броя на хромозомите в таксономичните групи на високо ниво (бозайници, птици, влечуги) и земноводни) е обширна (Фигура 1). Най-ранните списъци с хаплоиден (n) или диплоиден (2n) брой животни (прегледани от White, 1973) включват тези за насекоми, ракообразни, риби и, по отношение на бозайниците, тези на Hayman и Martin (1969) за торбестите и Матей (1958). ) за плаценти. Въпреки че тези ранни опити често страдат от лошо представяне на таксона, те въпреки това позволяват няколко общи заключения, едно от които е, че хаплоидният брой на повечето животински видове е между 6 и 24.

цитогенетични

Хромозомна вариация на броя сред гръбначните животни. Оста x показва диплоидния хромозомен номер, докато оста y групира видовете в различни подреждания. Данните за всяка таксономична група се основават на 515 вида бозайници, 117 вида птици, 170 влечуги и 328 земноводни. Хромозомни данни, извлечени от O'Brien et al. (2006) и Григорий (2011). Пълноцветна версия на тази фигура е достъпна в онлайн списанието Herencia .

Изображение в пълен размер

Преобладаващият начин на реорганизация на генома при птиците е хромозомно делене. Кариотипите на птиците се състоят от микрохромозоми и макрохромозоми, но за разлика от влечугите, които не са птици, птиците се характеризират с висок брой хромозоми, вариращи от n = 20 (или 21; вж. Nie et al., 2009) до n = 69 (De Smet, 1981; Фигура 1). Описанията на родовия птичи кариотип обикновено се основават само на макрохромозоми (Griffin et al., 2007; Nanda et al., 2011) и предполагат, че много от тях са запазени в групата без прекъсване чрез междухромозомни пренареждания (прегледани в Ellegren, 2010). Всъщност Griffin et al. (2007) твърдят, че първородният птичи кариотип е подобен на пилешкия, с макрохромозоми 1, 2, 3, 4q, 5, 6, 7, 8, 9, 4p и Z, представляващи предшественото състояние за хромозоми 1-10 + Z; Хромозома 4 се счита за най-старата свързваща група в този кариотип.

Бозайници

Различна ситуация е валидна за Mammalia, където се наблюдава значителна вариация в хромозомния брой между Monotremata, Marsupialia и еутеричните плацентарни бозайници (Placentalia; Фигура 1).

Трите съществуващи вида, принадлежащи към Monotremata, имат голям брой диплоидни хромозоми с птицечовка, характеризиращи се с n = 26, а ехидните с къси и дългоклюни имат n = 32 (O'Brien et al., 2006). Въпреки че само един от тези видове е включен в нашия анализ (утконосът, чийто геном е секвениран и е частично сглобен), все пак е ясно, че както при Aves, събитията на делене преобладават в кариотипната еволюция на Monotrema.

Крайностите в броя на хромозомите на бозайници се срещат в богатата на видове плацента, варираща от n = 3 при женския индийски мунтжак до максимум n = 51 при червения плъх от вискача (O'Brien et al., 2006). Съществуват също значителни вариации между Поръчките (Фигура 1), които отразяват сложната динамика на хромозомната еволюция на бозайници. Неотдавнашни проучвания, базирани на анализ на хромозомни бои с кръстосани видове, са изчислили броя на предшествените хаплоидни хромозоми, вариращи от 22 до 25 за Placentalia (Chowdhary et al., 1998; Froenicke et al., 2003; Richard et al., 2003; Yang et al., 2003; Svartman et al., 2004, 2006; Murphy et al., 2005; Ferguson-Smith и Trifonov, 2007), с консенсусно мнение n = 23 (вж. Ferguson-Smith и Trifonov, 2007). Основите, които го подкрепят, и вероятният състав и уникалност на родовия кариотип, както и съответствието му с изследванията, базирани на силициев диоксид на геномните последователности, са анализирани по-долу.

Предшествените плацентарни кариотипи и откриване на синтетичност на базата на FISH.

Таблица в пълен размер

( да се ) Кариотип на предшествениците на плацентата (PAK), дефиниран чрез хромозомно съответствие с човешки хромозоми. Имайте предвид, че връзката HSA3/21 съответства на човешкия хромозомен сегмент 3р (представен в лилаво), регион близо до центромерата (от позиция 76.0 до 87.0 Mbp; Ruiz-Herrera и Robinson, 2007; Robinson и Ruiz-Herrera, 2008), а запазената сегментна асоциация трябва да бъде по-правилно посочена като HSA3p/21. ( б ) Филогенетично дърво, показващо синтетични сегментни асоциации, открити във всеки родов възел: p, късо рамо; pq, сегментът включва части от късите и дългите рамена; q, дълга ръка; qt, терминална част на рамото q.

Изображение в пълен размер

Понастоящем няма доказателства, които да предполагат, че родовият бореоутеро кариотип (Froenicke et al., 2006; Robinson et al., 2006) е претърпял допълнителна модификация на хипотетичния PAK (вж. По-горе). Последващото облъчване на Boreoeutheria обаче показва обширна модификация на кариотипа в повечето линии, позволяваща хипототипи на родовите кариотипи за различни порядъци на бозайници, както и идентифициране на синтетични сегментни асоциации, които поддържат монофилия в различни надредни групи. И редови (Robinson et al., 2004; Wienberg, 2004; Froenicke, 2005; Ferguson-Smith и Trifonov, 2007; Ruiz-Herrera и Robinson, 2007, между другото).

In silico определяне на родовия бореоутеринен кариотип и степен на съответствие с цитогенетични данни.

Напредъкът в мащабни проекти за секвениране на геноми и наличието на нови математически алгоритми направиха революция в изследването на хромозомната еволюция. Геномите на 35 вида бозайници са секвенирани с различна степен на завършеност (база данни Ensembl, версия 59): 16 вида Euarchontoglires (морско свинче, плъх, мишка, заек, кенгуру плъх, катерица, земнокопа, миди, лемур мишка, храст, мармозет, макак, шимпанзе, орангутан, горила и човек), 11 представители на Лорасиатерия (мегабат, микроб, роговица, делфин, прасе, крава, алпака, кон, куче, котка и таралеж), три афротерски вида (слон, хиракс и терен) ), два ксенатрана (ленивец и броненосец), два вида метатерия (валаби и опосум) и платипа като прототериански представител. От тях само геномите на шимпанзето, резус макак, орангутан, мишка, плъх, крава, куче, кон и прасе са достатъчно пълни, за да позволят двойно подравняване с човешкия геном и очертаване на синтетични блокове с висока степен на увереност. .

Въпреки че има консенсус между цитогенетичния и изчислителния подход по отношение на запазените синтетичности със силна вероятностна подкрепа (3/21, 4/8, 14/15, 12a/22a и 12b/22b), има значителен брой съседни елементи неясни. Синтетичност в конфликт с цитогенетичния модел (по-специално 1/22, 5/19, 2/18, 1/10 и 2/20). Това доведе до интегриране на наличните алгоритми (Alekseyev and Pevzner, 2009) и до нови методи за анализ на геномна последователност (Peng et al., 2009; Lin et al., 2010; Pham and Pevzner, 2010). Очаква се, че тези усилия могат в бъдеще да осигурят по-голяма последователност на реконструкциите на предците въз основа на силико анализ и степента на съответствие с конструкцията boreoeutero, предложена чрез молекулярен цитогенетичен анализ на повече от 100 таксономично различни видове бозайници.

В silico идентифициране на синтетични сегментни асоциации в по-дълбоки възли на гръбначното дърво

Тъй като Zoo-FISH през евтеровата/метатерийната граница не е бил успешен (с изключение на малка част от X, която е запазена между двете линии, Glas et al., 1999), има доверие в silico методологии за да дефинират протокариотипа на гръбначните животни и да открият родовите хромозомни афинитети, които са запазени над възлите на дълбока диверсификация. Неотдавнашната публикация (Hellsten et al., 2010) на първия геном на земноводните, който ще бъде секвениран, този на Xenopus tropicalis, род, за който се смята, че се е отклонил от амниоти (360 mya), предлага възможност за преглед на кариотипите на предците, предполагаеми и запазени синтети. (показваща вероятната структура на хромозомите на предците), дълбоко в дървото на живота на гръбначните животни.

Той запазва човешките хромозомни сегменти в геномните групи на пиле, опосум и утконос. Човешките ортологични региони са кодирани с цвят и са обозначени като хомоложни синтетични градивни елементи (HSB) върху хромозомите на съответните видове. Дължините на хромозомите се основават на хомологичното покритие с човешкия геном и не са пропорционални на дължината на хромозомата.

Изображение в пълен размер

Концертна конфигурация на бозайници.

$ config [ads_text16] не е намерен

Таблица в пълен размер

Настройка на предците Amniote.

Жабата е външна група, подходяща за дефиниране на синтетични сегментни асоциации, присъстващи в кариотипа на родовите амниоти. Геномът на X. tropicalis се изчислява на ∼ 1,7 Gbp, разпределен в 10 хромозоми или свързващи групи (Hellsten et al., 2010). От тях 769 Mb бяха поставени на 691 скелета с помощта на генетични маркери. Този недостиг на информация се подчертава от възлагането на 200 Mbp за свързване на групи въз основа на извода, но без генетични маркери (Hellsten et al., 2010), които очевидно изискват допълнителни експериментални изследвания. Въпреки това, нашите изследвания разкриват, че повечето от предшествените плацентарни синтетични сегменти са запазени в генома на жабата (Фигура 2b). По-специално, синтезите 3p/21, 4pq/8p, 7a/16p, 14/15, 12qt/22q и 12pq/22qt присъстват в някои от скелета Xenopus; за разлика от това няма данни за 4q/8p/4pq, 10p/12pq/22qt и 16q/19q (Таблица 2).

Конфигурация на предците на тетраподите

Заключителни бележки и бъдещи перспективи.

В този преглед ние разгледахме как сравнителните молекулярни и изчислителни цитогенетични подходи са допринесли за разбирането на организацията на генома в дълбоките отдели на гръбначните дървета на живота. На пръв поглед разнообразието от кариотипи сред съществуващите видове изглежда удивително. Плацентарните бозайници показват по-изразена и по-бърза скорост на геномна реорганизация в сравнение с птиците и земноводните. Както в Zoo-FISH, така и в изчислителни модели на организация на генома е ясно, че непреодолимият модел обаче е един от ограничените промени, илюстрирани по-графично от големия брой идентифицирани запазени синтетичности и тяхното задържане в геноми от Boreoeutheria вид до земноводни.

Върху този консервативен модел се поставят бързо променящи се силози, в които пренарежданията са променили значително конфигурацията и броя на хромозомните видове и това е най-силно изразено при плацентата. Въпреки че причините за тези различия в темпото все още са неясни, което прави това един от най-озадачаващите аспекти на сравнителната цитогенетика, процъфтяваща литература идентифицира региони в синтенични блокови възли, богати на сегментарни дублирания (Bailey and Eichler, 2006; Carbone et al ., 2006; Kehrer-Sawatzki and Cooper, 2008), повтарящо се съдържание (Kehrer-Sawatzki et al., 2005; Ruiz-Herrera et al., 2006) и транспонируеми елементи (Bourque, 2009; Carbone et al., 2009; Delprat и др., 2009; Longo и сътр., 2009), предразполагащи тези региони към пренареждане. Освен това се предполага, че активността на транспонируеми елементи и промените в моделите на метилиране на ДНК имат причинителна роля в структурната модификация на геноми при видове, различни от торбестите, гризачите и приматите (O'Neill et al., 1998; Brown et al., 2002; Carbone et al., 2009).

Въпреки че сливанията и цепенията на Робъртсън се появяват често при изследвания на хромозомно пренареждане (измерено чрез промени в броя на хромозомите), едно от най-поразителните открития на сравнителната геномика е високата честота на микроинверсии в различните геноми (Feuk et al., 2005; Lee et al., 2008; Zhao and Bourque, 2009). Може да се окаже, че този до голяма степен неоткрит клас на вариация (инверсиите не могат да бъдат разграничени с използване на цяла хромозомна картина, набор от данни, който осигурява голяма част от основата за разпознаване на конструкции на предците в плацентата) функционира като геномно локализирани бариери пред рекомбинацията. С други думи, микроинверсиите дават адаптивно предимство по същия начин, както се твърди за видообразуване в присъствието на генния поток (Rieseberg, 2001; Kirkpatrick and Barton, 2006; Butlin, 2010; Kirkpatrick, 2010 и др.).

Ясно е обаче, че нарастващата наличност на напълно секвенирани геноми (Haussler et al., 2009) ще промени радикално полето. Тези данни и очакваните подобрения в методите за анализ ще доведат до изчерпателни набори от данни, които да се справят с текущите дисбаланси (голям брой видове, но лоша разделителна способност, предоставена от Zoo-FISH анализ, и малкият брой видове, но висока разделителна способност, осигурена от изчислителните подходи) и предоставят фундаментална информация за начина и темпото на структурна промяна в геномите, които в момента са неразрешими по отношение на анализа на FISH.

Файл с данни

Данните са депозирани в Dryad: doi: 10.5061/dryad.7j0b8468.