A konvergens génveszteségek megvilágítják a növényevők és a húsevők metabolikus és fiziológiai változásait

Szerkesztette: Clifford J. Tabin, Harvard Medical School, Boston, MA, és jóváhagyta 2018. december 21-én (beérkezett felülvizsgálatra 2018. október 27-én)

Jelentőség

Az emlősök ismételten alkalmazkodtak a speciális étrendekhez, ideértve a növényevők étrendjét a növényevőknek, valamint a húsevők hús- vagy rovaralapú étrendjét. A különféle táplálkozási összetételű étrendek fogyasztása mellett a kötelező növényevők és a húsevők más szempontból is különböznek egymástól, például az etetéssel töltött idő, a hasnyálmirigy-lé szekréciójának rendszeressége, a mérgező növényi eredetű vegyületeknek való kitettség és a bél mikrobiom sokfélesége miatt. Annak érdekében, hogy jobban megértsük, hogyan alakultak ki az étrenddel kapcsolatos változások, genomszintű szűréseket hajtottunk végre a konvergens génveszteségek ellen, amelyek elsősorban a növényevőknél vagy a húsevőknél következtek be. Felfedeztük a zsír emésztésében, a hasnyálmirigy lé szekréciójában, a glükóz homeosztázisban, az étvágyszabályozásban, a méregtelenítésben és a bél mikrobiom sokféleségében szerepet játszó gének ismételt elvesztését. Eredményeink feltárják az étrendi specializációval összefüggő genomiális változásokat, és megvilágítják az anyagcsere és a fiziológiai változásokat a növényevő és húsevő emlősökben.

Absztrakt

A különböző táplálékforrásokhoz való alkalmazkodás ismételt táplálkozási specializációkat eredményezett, amelyek az emlősök ökológiájának alapkövét képezik. Míg a pontos étrendi összetétel valószínűleg minden nemzetségre jellemző, a placenta emlősök széles skálán osztályozhatók növényevőkre, mindenevőkre és húsevőkre. Az étrendi specializáció különféle tulajdonságokkal társul. A növényi anyagok megemésztése érdekében a növényevők gyakran megnagyobbodott gyomor-bélrendszerrel rendelkeznek, ami megnöveli az étel visszatartási idejét és megkönnyíti a bélben lévő speciális baktériumközösségek általi erjedést (1). Az étrendi specializáció a bélenzimek és transzporterek szintjének és aktivitásának különbségeivel jár (2). A növényevő vagy húsevő étrend szintén fő tényező, amely befolyásolja a bél mikrobiom összetételét és sokféleségét (3).

A kötelező növényevő vagy kötelező húsevő étrenddel összefüggő genomiális változások szisztematikus kimutatásához elfogulatlan szűrést végeztünk a 31 placenta emlős ilyen konvertálódó génveszteségével kapcsolatban, amelyek ilyen táplálkozási specializációkhoz kapcsolódnak. Képernyőnk számos korábban ismeretlen génvesztést fedezett fel a növényevőkben és a húsevőkben, amelyek megvilágítják az étrend összetételével, az etetési szokásokkal és a bél mikrobiomáival kapcsolatos különbségeket.

Eredmények

Az emlősök osztályozása független növényevő és húsevő családokba.

Az étrendi specializációval összefüggő konvergens génveszteségek növény- és húsevőkhöz való azonosítása érdekében a szekvenciális genommal rendelkező placenta emlősöket 16 kötelező és 15 kötelező húsevőbe soroltuk (1. ábra és S1 adatkészlet). A mindenevőeket kizárták az elemzésből. Kötelező rovarevő emlősök kerültek a húsevő csoportba. A növényevő és húsevő meglehetősen szigorú meghatározása alapján hat független növényevő és öt független húsevő vonalat nyertünk (1. ábra).

A növényevő vagy húsevő emlősök konvergens génveszteségeinek áttekintése. Szigorú növényevő vagy húsevő étrend az emlősökben többször függetlenül alakult ki. A hat növényevő és öt húsevő vonalat piros, illetve kék háttér jelzi. A vastag betűvel ellátott fajokat a kezdeti egész genom képernyőn szerepelték; a sötétszürke betűtípussal rendelkező fajokat manuálisan megvizsgálták közös gént inaktiváló mutációk jelenléte szempontjából. A diétával kapcsolatos gének veszteségi mintáit, amelyek elsősorban a növényevőkben vagy a húsevőkben vesznek el, vörös keresztek mutatják. A rokon fajok őseiben már bekövetkezett génveszteségeket, amelyeket a közös inaktiváló mutációkból lehet következtetni, piros négyzetek jelzik. Az állatvilágokat a phylopic.org/ oldalról töltöttük le, és Steven Traver, David Orr, Oscar Sanisidro, Yan Wong és Michael Keesey jóvoltából.

A konvergens génveszteségek szisztematikus azonosítása a növényevőkben és a húsevőkben.

Szisztematikus szkrínelést végeztünk olyan fehérjét kódoló gének felett, amelyek előnyösen elvesznek akár független növényevő, akár független húsevő vonalakban. Ennek érdekében olyan számítási megközelítéssel előállított génveszteségi adatokat használtunk fel, amelyek pontosan detektálják azokat a mutációkat, amelyek inaktiválják a fehérjét kódoló géneket a genom összehangolása alapján (9, 10). Pontosabban, ez a megközelítés átvizsgálja az idő előtti stop kodonokat, a splice helymegszakító mutációkat, a frame-shifting inszerciókat és deléciókat, valamint a teljes exonok vagy akár teljes gének delécióját. Az összes lépést, amelyet a génveszteségek azonosítása és validálása érdekében végeztünk, az SI függelék 1. és 7. ábrája mutatja. S1.

A konvergens génveszteség robusztus kimutatásához a növényevőknél legalább három független növényevő törzsben elveszítettünk egy gént. Ezenkívül megköveteltük, hogy a gén az összes húsevő legalább 80% -ában ép olvasási keretet mutasson. Analóg megközelítést alkalmaztak a húsevők konvergens génveszteségeinek azonosítására. Ezek a szűrők 37 gént azonosítottak, amelyek elsősorban a növényevőkben vesznek el, és 44 gének, amelyek elsősorban a húsevőkben vesznek el (S2 és S3 adatkészlet).

Pozitív kontrollként szolgálva a szűrőnk két ízreceptor gén, a TAS1R1 és a TAS1R2, valamint a savanyú ízjelző gén, a PKD2L1 konvergens húsevő veszteségét mutatta ki, amelyeket korábban húsevő étrenddel kötöttek össze emlősökkel (6, 7). Megerősítettük és kiterjesztettük azt a korábbi megállapítást is, hogy az UGT1A6, egy xenobiotikumokat metabolizáló enzimet kódoló gén elvész a macskában, a Weddell pecsétben és a rozmárban (11, 12) (SI függelék, S2. Ábra és S4 adatkészlet). Az UGT1A6 azonban nem veszik el más független húsevő nemzetségekben; ennélfogva nem felelt meg azon kritériumunknak, hogy legalább három független vonalban elveszünk. Néhány ismert génveszteség kimutatásán kívül a 37 és 44 konvergens génveszteség nagy részét korábban még nem írták le.

Az étrendi specializációkhoz kapcsolódó konvergens génveszteségek azonosítása.

Annak feltárására, hogy a 37 növényevő és 44 húsevő asszociált gén közül melyik rendelkezik étrenddel kapcsolatos funkcióval, megvizsgáltuk, hogy ezek a gének gazdagodtak-e bizonyos gén ontológiai (GO) kifejezésekben. Bár a többszörös tesztelés javítása után nem azonosítottunk jelentős dúsulást, a legmagasabb rangú GO kifejezések potenciálisan diétával kapcsolatos összefüggéseket jeleznek (S5 és S6 adatkészletek). A növényevőkkel társult génveszteségek esetében ezek a GO kifejezések magukban foglalják az „exocitózist” [SYCN (syncollin), MIA3]. A húsevő-társított génveszteségek szempontjából a legmagasabb rangú GO-kifejezések magukban foglalják az „etetési viselkedés pozitív szabályozását” [RXFP4 (relaxincsalád peptid/INSL5 receptor 4), INSL5 (inzulinhoz hasonló 5)], „ízreceptor aktivitást” (TAS1R1, TAS1R2) és „arachidonsav-szekréció” (PLA2G2C, PLA2G2A).

Fontos, hogy nem minden génnek, amely elsősorban a növényevőkben vagy a húsevőkben veszít el, nincs nyilvánvaló, az étrenddel kapcsolatos funkciója. Ezt példázza a PLCZ1, a legmagasabb rangú gén, amelyet a növényevők szűrésén azonosítottak (Dataset S2), amely részt vesz a petesejtek aktiválásában (13). Ezért annak értékelésére, hogy az elveszett gének közül melyik rendelkezik étrenddel kapcsolatos funkciókkal, irodalomkutatást végeztünk a legmagasabb rangú 20 gén két csoportjára. Ez a keresés hat olyan gént tárt fel, amelyek az étrendi specializáció szempontjából releváns funkciókkal bírnak: a PNLIPRP1 (hasnyálmirigy lipázzal kapcsolatos fehérje 1) és a SYCN, amelyeknek a hasnyálmirigyben különböző funkciói vannak, és elsősorban a növényevőkben vesznek el; és INSL5, RXFP4, NR1I3 (1. nukleáris receptor 1. alcsalád, I. csoport 3. tagja) és NOX1 (NADPH-oxidáz 1), amelyek részt vesznek az élelmiszer-bevitel szabályozásában, a glükóz homeosztázisban, az xenobiotikumok méregtelenítésében és a veleszületett immunitásban, és elsősorban a húsevőkben vesznek el (ábra . 1).

E hat génveszteség egyikét sem írták le korábban ezeknél a fajoknál. Az egyes gének inaktiváló mutációinak példái az 1. és 2. ábrán láthatók. 2. Az összes inaktiváló mutációt az összes génveszteségi fajban és azok átfedését a funkcionális fehérje-doménekkel az SI függelék ábra. S3 - S8. Az olvasási keret sértetlen százaléka, amely ellentétben áll a génveszteség és a génkonzerváció mintázatával a növényevők és a húsevők között, az 1. és 2. ábrán látható. 3.

Példák inaktiváló mutációkra olyan génekben, amelyek elsősorban a növényevőkben (A és B) vagy a húsevőkben (C - F) vesznek el. Minden étrenddel kapcsolatos gén kódoló exon - intron szerkezete a tetején látható. Térbeli megfontolásokból az inszertek csak egy reprezentatív inaktiváló mutációt mutatnak csak egy génveszteségi törzs esetében, megkülönböztetve a növényevők kék betűtípust, a húsevők vörös betűtípust. A fekete és a szürke négyzetek ugyanazon kodonhoz tartozó nukleotidokat jelölik. Ezekben a génekben az összes inaktiváló mutációt validáljuk nyers DNS-szekvenálási leolvasásokkal, és az SI függelék 1. és 7. ábrája mutatja. S3 - S8.

A második hasnyálmirigy-gén, a PNLIPRP1, nyolc növényevő nemzetségben veszett el, de csak két húsevő vonalban (spermium bálna és minke/íj bálna, az alábbiakban tárgyaljuk) (1. ábra). Megjegyzendő, hogy míg a ló PNLIPRP1 nem mutat inaktiváló mutációkat, ez a hasnyálmirigy-specifikus gén már nem expresszálódik a lovak hasnyálmirigyében (22).

Az étkezés és a glükóz homeosztázis elvesztése a húsevők szabályozásában.

Másodszor, az étvágy szabályozása mellett az INSL5 és az RXFP4 a glükóz homeosztázishoz is kapcsolódik. Sejtvonal-alapú és egérvizsgálatok kimutatták, hogy az RXFP4 INSL5 általi aktiválása szabályozó szerepet játszik a hasnyálmirigy β-sejtjeinek glükózstimulált inzulin szekréciójában, amelyek expresszálják az RXFP4-et (32 ⇓ –34). Továbbá az INSL5 hormon szabályozza a máj glükóztermelését (glükoneogenezisét) (35). Így a húsevő állatokban előforduló gének ismételt elvesztése összefüggésbe hozható az étrend alacsonyabb szénhidráttartalmával is. Az elegendő glükózszint fenntartása érdekében a húsevők, például macskák és minkek, állandó glükoneogenezist mutatnak (36, 37). Így a húsevők glükóz metabolizmusának változásai elavulttá tehették az INSL5 - RXFP4 által közvetített glükóz homeosztázis szabályozás szükségességét. Érdekes, hogy mivel a glükoneogenezis még etetés után is aktív macskákban és rongyokban, ahol általában az inzulin várhatóan elnyomja a glükoneogenezist (36, 37), lehetséges, hogy közvetlen összefüggés van az etetéssel szabályozott INSL5 hormon elvesztése között, amely befolyásolja az inzulint. szekréció és állandó glükoneogenezis jelenléte. Összefoglalva, az INSL5 és RXFP4 vesztesége húsevőkben összefüggésben lehet mind az irreguláris táplálkozási szokásokkal, mind az állandó glükoneogenezissel.

A NOX1 veleszületett immunitás gén elvesztése húsevőkben.

A húsevők és a növényevők nem csak az emésztéssel és az anyagcserével kapcsolatos különböző kihívásokkal néznek szembe, hanem a bélben is különböző baktériumokat fogadnak el (3). Ezenkívül a húsevők általában kevésbé változatos bélmikrobiómákkal társulnak, mint a növényevők (3). Ezeket a bél mikrobiómás különbségeket tükrözhetik a veleszületett immunrendszer változásai, amelyek viszont szintén befolyásolhatják a bél mikrobiom összetételét (38). Genomszűrőnk négy húsevő nemben mutatta ki a veleszületett NOX1 immungén elvesztését (1. ábra).

Az NOX1 egy transzmembrán fehérjét kódol, amely nagymértékben expresszálódik a vastagbél hámjában (39). A többi NADPH-oxidázhoz hasonlóan az NOX1 is elősegíti a reaktív oxigénfajok (ROS) képződését (39), és ezt a tevékenységet összekapcsolják az antimikrobiális immunvédelemmel és a vastagbél nyálkahártyájának (a vastagbélben a bélnek kitett legbelső sejtréteg) helyreállításával. mikrobiom). Támogatva az antimikrobiális immunválasz működését, az NOX1 által termelt ROS-termelést bakteriális lipopoliszacharidok és flagellin vagy immunrendszeri citokinek, például IFN-γ (40 × 42) indukálhatják. A NOX1 knockout egerek tovább feltárták az NOX1 funkcióját a sebgyógyulásban és a vastagbél nyálkahártyájának helyreállításában (43, 44). A NOX1 antimikrobiális védekező és nyálkahártya-restitúciós funkciói valószínűleg összefüggenek. A patogén baktériumok károsíthatják a vastagbél nyálkahártyáját, ami gyulladást okoz. A gyulladásos válasz ekkor az NOX1 által kiváltott ROS-generációt indítja el a kórokozó baktériumok elpusztítására és a sebgyógyulási utak aktiválására. Ezért a NOX1 fontos szerepet játszik a gazda és annak mikrobiomjának kereszteződésében.

Az NOX1 elvesztése összefüggésben lehet a növényevő és a húsevő bél mikrobiomák közötti különbségekkel. Például a húsevők általában a fele a baktériumfajok sokféleségének, mint a növényevők (3). A húsevő bél kevésbé változatos baktériumközösségének való kitettség csökkentett szelekciós nyomáshoz vezethetett a húsevő NOX1 megőrzéséhez.

A méregtelenítő gének elvesztése a húsevőkben.

A növényevő emlősök különféle receptorokkal és enzimekkel rendelkeznek ahhoz, hogy étrendjükben megbirkózzanak a potenciálisan mérgező, növényi eredetű xenobiotikumokkal (45). Mivel a húsevő étrend nem biztosít nagy mennyiségű növényi eredetű xenobiotikumot, a méregtelenítő gének kevésbé fontosak a húsevők számára. Genomszűrőnk három független húsevő vonalon detektálta az NR1I3 konvergens veszteségét (1. ábra). Az NR1I3 az egyik fő xenobiotikus receptort kódolja. Érdekes, hogy bár a szigorú szűrési kritériumoknak nem felel meg, a funkcionálisan rokon NR1I2 gén két húsevő nemzetségben (cetfélék és csibék) is elveszik (SI függelék, S17. Ábra és S4 adatkészlet). Az NR1I3 és az NR1I2 elsősorban a májban és a belekben expresszálódik, és nagyszámú citokróm P450-et és más xenobiotikus anyagcserét végző enzimeket aktivál, köztük az UGT1A6-ot (46). Az NR1I3-hoz hasonlóan az NR1I2 maradványai nem expresszálódnak a cetfélék májában (SI függelék, S18. Ábra). Az NR1I3 és az NR1I2 elvesztése arra utal, hogy a máj és a bél xenobiotikus útjának kulcsfontosságú összetevői elvesznek több húsevőben, ami összefüggésben állhat a húsevő étrendben a növényi eredetű xenobiotikumok alacsonyabb expozíciójával.

Vita

Összefoglalva, a konvergens génveszteségek molekuláris szempontból új betekintést nyújtanak a klasszikus ökológiai kérdésbe. Vizsgálatunk általánosságban rámutat arra, hogy az összehasonlító genomika miként világíthat meg olyan biológiai folyamatokat, amelyek megváltoztak a kötelező növényevőkben vagy húsevőkben, ami kiterjeszti annak megértését, hogy a hasonló étrendi specializációk hogyan fejlődtek ki ismételten a placenta emlősökben.

Anyagok és metódusok

A GO dúsítás, a szelekciós ráta és az expressziós adatok elemzésének részletes leírását az SI függelék tartalmazza.

Génveszteség-események kimutatása.

Egy korábban kifejlesztett csővezetékkel szisztematikusan detektáltuk a gént inaktiváló mutációkat (9). Az összeszerelési és összehangolási problémák leküzdése és az evolúciós exon-intron szerkezeti változások kezelése érdekében ez a folyamat: (i) megkülönbözteti az összeállítási hiányosságokat a valódi törléstől (55); (57), (iii) kizárja a paralóg vagy feldolgozott pszeudogén összehangolást, és (iv) figyelembe vesz egy gén összes fő vagy alternatív APPRIS izoformáját (58). Bemenetként egy teljes genom összehangolást alkalmaztunk az emberi hg38 genom-összeállítás (referencia) és más (lekérdezéses) placenta emlősök (10), valamint a humán Ensembl v90 gén annotáció (59) között. Kizártuk azokat a szagló receptorokat, amelyeknek kapcsolatát az étrendi specializációkkal korábban vizsgálták (60), és így összesen 16 135 gént tekintettünk.

Az inaktiváló mutációk pozícióit használtuk az olvasási keret sértetlen maximális százalékának kiszámításához (% ép). Például egy 90% -ban ép olvasási keret egy inaktiváló mutációval keletkezhet, amely közel van az N vagy a C végéhez. Tekintettel arra, hogy a konzervált gének inaktiváló mutációi lehetnek az N vagy C terminus közelében (56), konzerváltnak tekintettük azokat a géneket, amelyek intakt% -a ≥ 90%. Azoknál a géneknél, amelyek% intakt ≤ 60%, egy vagy több mutáció van középen, ami azt jelzi, hogy ezek a gének már nem kódolhatnak funkcionális fehérjét, és elveszettnek tekinthetők.

Az étrenddel kapcsolatos konvergens génveszteségek szűrése.

Elfogadtuk a Forward Genomics megközelítést (61, 62), és átvilágítottuk azokat a géneket, ahol az ép%% általában alacsonyabb az egyik csoportban, mint a másik csoportban (9). A növényevőkhöz kapcsolódó génveszteségek azonosításához olyan géneket kerestünk, amelyekben a növényevő fajok legalább 10% -a elveszítette a gént (% ép ≤ 60%), míg a húsevő fajok legalább 80% -ának ép génje van (% ép ≥ 90%). Megköveteltük, hogy a génvesztő növényevő fajok legalább három független vonalhoz tartozjanak. Analóg megközelítést alkalmaztak a húsevők konvergens génveszteségeinek azonosítására. Kizártuk azokat a géneket, amelyek csak gyengén látó húsevőknél vesznek el (köpeny arany anyajegy, csillagorrú vakond, pangolin és rovarevő denevérek), mivel az ilyen génveszteség összefüggésben lehet a látással, de nem az étrenddel.

A génveszteség érvényesítése.

Először ellenőrizzük a stop kodon és a frame-shift mutációk helyességét össze nem gyűjtött DNS-leolvasásokkal, amelyeket a Nemzeti Biotechnológiai Információs Szekvencia Olvasási Archívum vagy a Nyomkövetési Archívum (63) biztosított, az előzőekben leírtak szerint (64, 65). Másodszor, manuálisan ellenőriztük, hogy minden elveszett gén az ősi szintenzió kontextusában található-e, megvizsgálva a Kaliforniai Egyetem, a Santa Cruz Genome Browser (66) páronkénti illesztési láncait a felfelé és lefelé irányuló gének jelenlétére vonatkozóan. Az elveszett gént hordozó genomi lokusznak ezt a vizsgálatát arra is alkalmazták, hogy kizárják, hogy az elveszett gén ép másolata a genomban másutt is létezik. Harmadszor, az egész genom összehangolása által biztosított genomok (10) mellett manuálisan megvizsgáltuk a hat gént, hogy ugyanazok az inaktiváló mutációk fordulnak-e elő a genomokban, vagy más, emlősökből származó emlősök DNS-adatai olvassák-e le a gént elvesztőkét.

Köszönetnyilvánítás

Köszönjük Ortmann Sylviának és Irina Rufnak a kézirattal kapcsolatos hasznos észrevételeket, valamint a Max Planck Molekuláris Sejtbiológiai és Genetikai Intézet és a Max Planck Komplex Rendszerek Fizikai Intézetének számítógépes szolgáltató létesítményeit a támogatásukért. Ezt a munkát a Max Planck Társaság, a Német Kutatási Alapítvány (Grant HI1423/3-1) és a Leibniz Egyesület (Grant SAW-2016-SGN-2) támogatta.

Lábjegyzetek

1. elő Jelenlegi cím: Deutsche Forschungsgemeinschaft - Regeneratív Terápiák Központja Drezda, Carl Gustav Carus Orvostudományi Kar, Drezda Technische Universität, 01069 Drezda, Németország.

↵ 2 Jelenlegi cím: Paul Langerhans Drezdai Intézet, a müncheni Helmholtz Központ, Egyetemi Kórház, Carl Gustav Carus, Orvostudományi Kar, Drezda Technische Universität, 01069 Drezda, Németország.

↵ 3 Jelenlegi cím: Német Diabetes Kutatóközpont, D-85764 Neuherberg, Németország.

Szerző közreműködései: N.H. és M.H. tervezett kutatás; N.H. végzett kutatás; V.S. új reagensekkel/analitikai eszközökkel járult hozzá; N.H., V.S. és M.H. elemzett adatok; és N.H. és M.H. írta a lap.

A szerzők kijelentik, hogy nincs összeférhetetlenség.