Резюме

Вступ

Яка організація геномів і які типи хромосомних перебудов задіяні у видоутворенні та макроеволюційних подіях є критично важливими для розуміння динаміки еволюції хромосом. Молекулярні цитогенетичні дані та збільшення доступності частково або повністю секвенсованих геномів з різних видів хребетних зумовили прогрес у філогеноміці (філогенетичні реконструкції з використанням геномних даних). Це призвело до гіпотези про кількість хромосомних предків, каріотипів та ідентифікації збережених хромосомних синтетичностей та сегментарних асоціацій на різних таксономічних рівнях.

Тут ми розглянемо, як молекулярна цитогенетика та силіко-аналіз геномних послідовностей сприяли нашому розумінню хромосомної еволюції ссавців та ідентифікації збережених геномних областей. Крім того, ми розглядаємо та розширюємо попередні спостереження, надаючи нові дані про наявність збережених синтетичних сегментарних асоціацій, що простежують походження тетрапод.

Варіація кількості хромосом у хребетних

Кількість хромосом та кількість плечей хромосом - це хороша узагальнена статистика змін каріотипу і, отже, хромосомної еволюції в групах організмів. Незважаючи на те, що даних про варіацію числа плеча хромосоми (основне ім'я Метті (1945), загалом скорочене як NF) недостатньо, інформація про кількість хромосом у таксономічних групах високого рівня (ссавці, птахи, рептилії) і земноводних) є великим (рис. 1). Найдавніші списки гаплоїдної (n) або диплоїдної (2n) чисельності тварин (оглянуто Уайтом, 1973) включали списки комах, ракоподібних, риб і, що стосується ссавців, списки Хаймана і Мартіна (1969) для сумчастих і Метьї (1958). ) для плацентар. Хоча ці ранні спроби часто страждали від поганого представлення таксону, вони, тим не менше, дозволяли зробити кілька загальних висновків, один з яких полягав у тому, що гаплоїдна кількість більшості видів тварин становить від 6 до 24.

молекулярно-геномні

Хромосомне коливання числа у хребетних. Вісь х позначає число диплоїдної хромосоми, тоді як вісь у групує види в різних порядках. Дані для кожної таксономічної групи базуються на 515 видах ссавців, 117 видах птахів, 170 плазунів та 328 земноводних. Хромосомні дані, витягнуті з O'Brien et al. (2006) та Григорія (2011). Повнокольорова версія цього малюнка доступна в Інтернет-журналі Herencia .

Повнорозмірне зображення

Переважним способом реорганізації геному у птахів є хромосомний поділ. Каріотипи птахів складаються з мікрохромосом і макрохромосом, але, на відміну від непташиних плазунів, птахи характеризуються високим числом хромосом в межах від n = 20 (або 21; див. Nie et al., 2009) до n = 69 (De Smet, 1981; Фігура 1). Описи родового каріотипу птахів, як правило, базуються лише на макрохромосомах (Griffin et al., 2007; Nanda et al., 2011) і свідчать про те, що багато з них були збережені в групі без перерви міжхромосомними перебудовами (оглянуто в Ellegren, 2010). Насправді, Griffin et al. (2007) стверджували, що родовий каріотип птахів був подібний до курячого, макрохромосоми 1, 2, 3, 4q, 5, 6, 7, 8, 9, 4р та Z представляли стан прабатьків для хромосом 1–10 + Z; Хромосома 4 вважалася найдавнішою зв’язуючою групою в межах цього каріотипу.

Ссавці

Інша ситуація справедлива для ссавців, де спостерігаються значні зміни в кількості хромосом між монотрематами, марсупіаліями та евтеріальними плацентарними ссавцями (плаценталія; рисунок 1).

Три збережені види, що належать до Monotremata, мають велику кількість диплоїдних хромосом з качкодзьобом, що характеризуються n = 26, а як короткоклюві, так і довгоклюві ехідні мають n = 32 (O'Brien et al., 2006). Хоча до нашого аналізу був включений лише один із цих видів (качкодзьоб, геном якого був секвендований і частково зібраний), тим не менш ясно, що, як і у випадку з Авесом, поділи поділу переважають в каріотипній еволюції Монотреми.

Екстремальні показники кількості хромосом ссавців трапляються у багатої видами плаценти, коливаючись від n = 3 у самки індійського мунтжака до максимуму n = 51 у червоної віскачальної щури (O'Brien et al., 2006). Існує також суттєва різниця між Наказами (рис. 1), що відображає складну динаміку хромосомної еволюції ссавців. Недавні дослідження, засновані на аналізі хромосомних фарб між різними видами, підрахували кількість предків гаплоїдних хромосом від 22 до 25 для плаценталій (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 and Trifonov, 2007), з консенсусною думкою n = 23 (див. Ferguson-Smith and Trifonov, 2007). Основи, що його підтримують, а також ймовірний склад та унікальність каріотипу предків, а також його відповідність дослідженням, заснованим на діоксиді кремнію в послідовностях генома, проаналізовано нижче.

Предковічні каріотипи плаценти та виявлення синтетичності на основі FISH.

Повний розмір таблиці

( до ) Каріотип предків плацентаріїв (PAK), що визначається хромосомною відповідністю хромосомам людини. Зверніть увагу, що перехід HSA3/21 відповідає хромосомному сегменту 3p людини (представлений фіолетовим кольором), області, близькій до центромери (з положення 76,0 до 87,0 Мбіт/с; Ruiz-Herrera and Robinson, 2007; Robinson and Ruiz-Herrera, 2008), а збережену сегментарну асоціацію слід правильніше називати HSA3p/21. ( b ) Філогенетичне дерево, що демонструє синтетичні сегментарні асоціації, виявлені в кожному родовому вузлі: р, коротке плече; pq, сегмент містить частини короткого та довгого плечей; q, довга рука; qt, кінцева частина плеча q.

Повнорозмірне зображення

На даний момент немає жодних доказів того, що родовий бореойтеро-каріотип (Froenicke et al., 2006; Robinson et al., 2006) зазнав подальшої модифікації гіпотетичного PAK (див. Вище). Однак подальше випромінювання бореоевтерії показало значну модифікацію каріотипу в більшості ліній, дозволяючи гіпототипи каріотипів предків для різних порядків ссавців, а також виявлення синтетичних сегментарних асоціацій, які підтримують монофілію в різних надпорядкових групах. І порядкові (Robinson et al., 2004; Wienberg, 2004; Froenicke, 2005; Ferguson-Smith та Trifonov, 2007; Ruiz-Herrera and Robinson, 2007, серед інших).

In silico визначення родового бореоутробного каріотипу та ступеня відповідності цитогенетичним даним.

Досягнення масштабних проектів секвенування геномів і наявність нових математичних алгоритмів революціонізували дослідження еволюції хромосом. Геноми 35 видів ссавців послідовно послідовно розподілені (база даних Ensembl, версія 59): 16 видів Euarchontoglires (морська свинка, щур, миша, кролик, щур-кенгуру, білка, землерийка, тар'єр, миша лемур, кущ, мармозет, макака, шимпанзе, орангутанг, горила та людина), 11 представників лоразіатських (мегабат, мікроб, землерийка, дельфін, свиня, корова, альпака, кінь, собака, кішка та їжак), три афротерських види (слон, гіракс та терек) ), два ксенатрани (лінивець та броненосець), два види метатерій (валлабі та опосум) та качкодзьоб як прототеріанський представник. З них лише геноми шимпанзе, резус-макаки, ​​орангутанта, миші, щура, корови, собаки, коня та свині є достатньо повноцінними, щоб забезпечити парне вирівнювання з геномом людини та розмежування синтетичних блоків з високим ступенем впевненості. .

Хоча існує консенсус між цитогенетичним та обчислювальним підходами щодо збережених синтетичностей з потужною імовірнісною підтримкою (3/21, 4/8, 14/15, 12a/22a та 12b/22b), існує значна кількість суміжних елементів неоднозначно. Синтетичність, що суперечить цитогенетичній моделі (зокрема, 1/22, 5/19, 2/18, 1/10 та 2/20). Це призвело до інтеграції доступних алгоритмів (Алексєєв та Певзнер, 2009) та до нових методів аналізу геномних послідовностей (Peng et al., 2009; Lin et al., 2010; Pham and Pevzner, 2010). Передбачається, що ці зусилля можуть у майбутньому забезпечити більшу послідовність реконструкцій предків на основі аналізу кремнію та ступеня відповідності конструкції бореойтеро, запропонованої молекулярним цитогенетичним аналізом понад 100 таксономічно різноманітних видів ссавців.

У Silico ідентифікація синтетичних сегментарних асоціацій у глибших вузлах дерева хребетних

Оскільки Zoo-FISH через евтеро-метатеріанський кордон не був успішним (за винятком невеликої частини Х, яка зберігається між двома лініями, Glas et al., 1999), у методах silico покладаються на визначити протокаріотип хребетних та виявити родові спорідненості хромосом, які збереглися над вузлами глибокої диверсифікації. Недавня публікація (Hellsten et al., 2010) першого послідовного генома земноводних, генома Xenopus tropicalis, походження, яке, як вважається, відійшло від амніоти (360 міль), пропонує можливість переглянути каріотипи предків, передбачувані та збережені синтетичності. (що вказує на ймовірну структуру родових хромосом), глибоко в дереві життя хребетних.

Він зберігає сегменти хромосом людини в геномних комплексах курей, опосуму та качкодзьоба. Ортологічні області людини позначені кольором і позначені як гомологічні синтетичні будівельні блоки (HSB) на хромосомах відповідних видів. Довжини хромосом засновані на охопленні гомологією геному людини і не пропорційні довжині хромосом.

Повнорозмірне зображення

Конфігурація предків ссавців.

$ config [ads_text16] не знайдено

Повний розмір таблиці

Налаштування предків Amniote.

Жаба є відповідною зовнішньою групою для визначення синтетичних сегментарних асоціацій, присутніх у каріотипі родових амніотів. Геном X. tropicalis оцінюється в ∼ 1,7 Гбіт/с, розподілений у 10 хромосомах або зв’язуючих групах (Hellsten et al., 2010). З них 769 Мб розміщено на 691 лісі з використанням генетичних маркерів. Ця бідність інформації підкреслюється присвоєнням 200 Мбіт/с для зв'язування груп на основі висновку, але без генетичних маркерів (Hellsten et al., 2010), що однозначно вимагає додаткових експериментальних досліджень. Незважаючи на це, наші дослідження виявляють, що більшість родових плацентарних синтетичних сегментів зберігаються в геномі жаб (Рисунок 2b). Зокрема, синтетики 3p/21, 4pq/8p, 7a/16p, 14/15, 12qt/22q і 12pq/22qt присутні в деяких ешафонах Xenopus; навпаки, не було доказів 4q/8p/4pq, 10p/12pq/22qt та 16q/19q (Таблиця 2).

Конфігурація предків тетрапод

Заключне слово та перспективи на майбутнє.

У цьому огляді ми дослідили, як порівняльний молекулярний та обчислювальний цитогенетичний підходи сприяли розумінню організації геному в глибоких відділах дерева життя хребетних. На перший погляд, різноманітність каріотипів серед існуючих видів видається вражаючим. Плацентарні ссавці демонструють більш виражений і швидший темп реорганізації геному порівняно з птахами та земноводними. Як у Zoo-FISH, так і в обчислювальних моделях організації геномів очевидно, що переважна картина є, однак, обмеженою зміною, що наочніше проілюстровано великою кількістю виявлених збережених синтетичностей та їх збереженням в геномах. Від Boreoeutheria видів до земноводних.

На цю консервативну схему накладаються швидкозмінні силоси, в яких перестановки суттєво змінили конфігурацію та кількість видів хромосом, і це найбільш яскраво проявляється у плаценталії. Хоча причини цих відмінностей у темпі досі незрозумілі, що робить це одним із найбільш загадкових аспектів порівняльної цитогенетики, у зростаючій літературі виявляються регіони в синтенічних блок-з'єднаннях, багаті сегментарним дублюванням (Bailey and Eichler, 2006; Carbone et al. ., 2006; Kehrer-Sawatzki and Cooper, 2008), повторний зміст (Kehrer-Sawatzki et al., 2005; Ruiz-Herrera et al., 2006) і транспонсовані елементи (Bourque, 2009; Carbone et al., 2009; Delprat та ін., 2009; Longo та ін., 2009), схиляючи ці регіони до перебудови. Крім того, припускається, що активність транспонтованих елементів та зміни в структурі метилювання ДНК мають причинну роль у структурній модифікації геномів у таких різноманітних видів, як сумчасті, гризуни та примати (O'Neill et al., 1998; Brown et al., 2002; Carbone та ін., 2009).

Незважаючи на те, що злиття і розщеплення Робертсона часто трапляються в дослідженнях хромосомної перебудови (як вимірюється зміною числа хромосом), одним з найбільш вражаючих результатів порівняльної геноміки є висока частота мікроінверсій у різних геномах (Feuk et al., 2005; Lee et al., 2008; Zhao and Bourque, 2009). Можливо, цей в основному невизначений клас варіацій (інверсії неможливо розрізнити за допомогою розпису цілої хромосоми - набору даних, що забезпечує значну частину основи для розпізнавання споконвічних конструкцій у плаценталії) - функціонує як геномічно локалізовані бар'єри для рекомбінації. Іншими словами, мікроінверсії надають адаптаційну перевагу майже так само, як це було аргументовано щодо видоутворення за наявності потоку генів (Rieseberg, 2001; Kirkpatrick and Barton, 2006; Butlin, 2010; Kirkpatrick, 2010 серед інших).

Очевидно, однак, те, що зростаюча доступність повністю секвенсованих геномів (Haussler et al., 2009) кардинально змінить поле. Ці дані та очікувані вдосконалення методів аналізу призведуть до вичерпних наборів даних, що стосуються поточного дисбалансу (велика кількість видів, але низька роздільна здатність, надана аналізом Zoo-FISH, і невелика кількість видів, але висока роздільна здатність, забезпечена обчислювальними підходами), і дасть фундаментальне уявлення про режим та темп структурних змін геномів, які в даний час є нерозв'язними з точки зору аналізу FISH.

Файл даних

Дані були депоновані в Дріаді: doi: 10.5061/dryad.7j0b8468.