Независимые маски редиплоидизации разделили дупликацию всего генома осетра

Nature Communications, том 14, номер статьи: 2879 (2023) Цитировать эту статью

2334 Доступа

82 Альтметрика

Подробности о метриках

Полногеномное дупликация (WGD) — это драматическое эволюционное событие, порождающее множество новых генов и которое может сыграть роль в выживании в условиях массового вымирания. Веслонос и осетр — родственные линии, обе из которых демонстрируют геномные доказательства древней WGD. До сих пор это интерпретировалось как два независимых события WGD из-за преобладания дубликатов генов с независимой историей. Здесь мы показываем, что, хотя действительно существует множество очевидно независимых дупликаций генов, они происходят из общего события дупликации генома, произошедшего значительно более 200 миллионов лет назад, вероятно, близко к периоду массового пермско-триасового вымирания. За этим последовал длительный процесс возврата к стабильному диплоидному наследованию (редиплоидизация), который, возможно, способствовал выживанию во время триасово-юрского массового вымирания. Мы показываем, что общность этого WGD маскируется тем фактом, что дивергенция линий веслоноса и осетровых произошла до того, как редиплоидизация продвинулась хотя бы на полпути. Таким образом, для большинства генов разрешение диплоидии было специфичным для линии. Поскольку гены по-настоящему дублируются только после того, как установлено диплоидное наследование, геномы веслоноса и осетровых, таким образом, представляют собой мозаику общих и не общих дупликаций генов, возникающих в результате общего события дупликации генома.

Древние события WGD происходили на всем древе жизни и особенно хорошо изучены у растений1,2,3,4, дрожжей5,6 и позвоночных7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17 , 18. Часто предполагается, что эти события способствовали эволюционному успеху благодаря предоставлению сырого генетического материала для фенотипических инноваций и разнообразия видов1,19,20,21,22,23. Ключевым эволюционным процессом после WGD является редиплоидизация — переход полиплоидного, обычно тетраплоидного, генома в более стабильное диплоидное состояние1,7,9,14,22,23,24,25. В этом контексте важно отметить, что события WGD происходят либо в результате гибридизации двух разных родительских видов (аллополиплоидизация), либо в результате удвоения одного и того же генома на внутривидовом/индивидуальном уровне (аутополиплоидизация), каждое из которых имеет разные цитогенетические результаты. Классически негомологичные хромосомы новых аллополиплоидов преимущественно спариваются бивалентно во время мейоза, тогда как четыре гомологичные хромосомы новых аутополиплоидов принимают мультивалентное образование1,9,14,22,24. Это приводит к продолжающейся гомологичной рекомбинации и, следовательно, к конверсии и гомогенизации генов по четырем аллельным копиям в каждом локусе. Подавление рекомбинации, вероятно, достигаемое посредством хромосомных перестроек и других мутаций, является необходимым шагом для редиплоидизации этих генов в два отдельных (бивалентных) локуса ohnolog (дублированные гены, полученные из WGD) из тетраплоидных аллелей. Только тогда между парами онологов может возникнуть непрерывная последовательность и функциональное расхождение24. Таким образом, процесс редиплоидизации отделяет процесс дупликации генома от процесса дупликации генов в аутополиплоидах, поскольку только после того, как произошла редиплоидизация, локус можно считать дублированным.

Существенные доказательства, полученные в результате исследований предков лососевых WGD18,24,26 и предковых костистых костей WGD13,27,28, указывают на то, что редиплоидизация аутополиплоидов может быть длительной во времени, происходящей асинхронно по всему геному в течение десятков миллионов лет13,18,24,26 ,27,28. Серьезные последствия возникают из-за сопутствующей задержки любых эволюционных процессов, которые зависят от генетической дивергенции онологов24. К ним относятся хорошо известные модели функциональной эволюции после дупликации генов, например, суб-/нео-функционализация29,30, а также модели репродуктивной изоляции, включающие реципрокную потерю онологов в сестринских линиях31. Более того, если видообразование происходит до завершения редиплоидизации в потомках одной и той же WGD, редиплоидизация может происходить независимо в этих дочерних линиях (линейно-специфическая редиплоидизация) в некоторых геномных регионах24. Это, в свою очередь, позволяет парам онологов независимо развивать расходящиеся регуляторные и функциональные траектории в каждой линии, потенциально в ответ на селективное давление, специфичное для линии24. Онологи с такой историей описаны как следующие модели LORe (Разрешение Онологов, специфичное для конкретной линии)24.