DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-024-07830-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39143221
تاريخ النشر: 2024-08-14
المؤلف: Manfred Schartl وآخرون
الموضوع الرئيسي: التvariations الكروموسومية والجينية
نظرة عامة
في هذه الدراسة، أجرى المؤلفون تحليلات جينومية شاملة لثلاثة سلالات حية من سمك الرئة، مستفيدين من تقنيات تسلسل الحمض النووي المتقدمة والمعلوماتية الحيوية لتحقيق تجميع الجينوم على مستوى الكروموسوم. تسلط الأبحاث الضوء على الدور المهم للعناصر القابلة للنقل (TEs) في دفع توسع الجينوم، مع ملاحظات ملحوظة للاختلافات بين سلالات سمك الرئة والسمندل. على وجه الخصوص، أظهر سمك الرئة الأمريكي الجنوبي زيادة بمقدار الضعف في حجم الجينوم، مما يتوافق مع وفرة أعلى من TEs. حدد المؤلفون آلية جزيئية محتملة وراء هذا التوسع، بما في ذلك تقليل أو غياب piRNAs intact، والتي تعتبر حاسمة لتنظيم نشاط TEs.
تظهر النتائج أيضًا أنه على الرغم من انتشار TEs الواسع، لم يكن هناك علاقة مباشرة بين وفرة TEs واستقرار الجينوم، مما يسهل إعادة بناء الكاريوتيب الأساسي للرباعيات. تم فحص التكيفات الشكلية والفسيولوجية بين سمك الرئة، مع ملاحظة أن سمك الرئة الأسترالي ظل مستقرًا ظاهريًا لأكثر من 100 مليون سنة، بينما شهدت أسماك الرئة من عائلة lepidosirinid تغييرات كبيرة، بما في ذلك فقدان القشور وميزات الزعانف الشبيهة بالأطراف. تنسب الدراسة هذه التعديلات التطورية إلى التغيرات في مسارات إشارات Shh. بشكل عام، توفر الجينومات على مستوى الكروموسوم لسمك الرئة مصدرًا قيمًا لمزيد من التحقيقات في التحولات التطورية لأسلاف الرباعيات ذات الزعانف اللوبي خلال الفترة الديفونية.
طرق
في هذه الدراسة، تم جمع عينات خزعة لعزل الحمض النووي والحمض النووي الريبي من أنواع مختلفة، بما في ذلك ثلاثة أنواع من سمك الرئة (Neoceratodus forsteri، Protopterus annectens، وLepidosiren paradoxa)، والأكسولوتل (Ambystoma mexicanum)، وXenopus laevis، وخمسة أنواع من الأسماك العظمية (Tetraodon nigriviridis، Astatotilapia burtoni، Amphilophus amarillo، Xiphophorus maculatus، وPoecilia reticulata). تم الالتزام بجمع العينات وفقًا لقانون الرفق بالحيوانات الألماني، مع الحصول على التصاريح اللازمة من جامعة كونستانز ومكتب الطب البيطري في حكومة منطقة فرانكونيا السفلى.
لتحديد عينة سمك الرئة الأمريكي الجنوبي بدقة، تم استخدام تحليل الحمض النووي الميتوكوندري، مما أكد تصنيفه ضمن مجموعة الحوض الجنوبي. تضمن هذا النهج المنهجي موثوقية تحديد الأنواع، خاصة بالنسبة لـ Protopterus، حيث تم وصف عدة أنواع. يمكن العثور على مزيد من التفاصيل حول جمع العينات والأساليب في ملخص التقرير المرافق.
مناقشة
في هذا القسم، يناقش المؤلفون تسلسل الجينوم، وتجميعه، وتوضيحه لسمك الرئة الأمريكي الجنوبي والأفريقي، اللذين يمتلكان بعضًا من أكبر الجينومات الحيوانية المعروفة. باستخدام تقنيات تسلسل القراءة الطويلة وتقنيات التقاط تكوين الكروموسوم Hi-C، حققوا تجميعات على مستوى الكروموسوم، مما أسفر عن أحجام جينوم تبلغ 87.2 غيغابايت لسمك الرئة الأمريكي الجنوبي و40.5 غيغابايت لسمك الرئة الأفريقي. أظهرت التجميعات اكتمالًا عاليًا، حيث تم تخصيص 94.3% و97.5% من الجينومات للكروموسومات كاملة الطول، على التوالي. حددت الدراسة 19,777 جينًا مشفرًا للبروتين في سمك الرئة الأمريكي الجنوبي و19,181 في سمك الرئة الأفريقي، مع إعادة توضيح جينوم سمك الرئة الأسترالي مما كشف عن 21,552 جينًا مشفرًا للبروتين. أكدت التحليلات النشوء الجيني أن سمك الرئة هو الأقرب حيويًا للأقارب الأحياء للرباعيات، مما يدعم أهميتها التطورية.
يستكشف المؤلفون أيضًا التماثل الكروموسومي وإعادة بناء الكاريوتيب الأسلاف للرباعيات، كاشفين عن درجة عالية من التماثل المحفوظ بين ثلاث سلالات من سمك الرئة على الرغم من التوسعات الكبيرة في الجينوم على مدى 200 مليون سنة. يلاحظون أن جينومات سمك الرئة تظهر ميلًا لفقدان الجينات المكررة بعد التكرارات الكاملة القديمة للجينوم، مع احتفاظ سمك الرئة الأسترالي بكاريوتيب أكثر حفظًا. تسلط المناقشة أيضًا الضوء على التوسعات الضخمة في الجينوم المدفوعة بشكل أساسي بواسطة العناصر القابلة للنقل (TEs)، وخاصة العناصر النووية المتباينة الطويلة (LINEs) في سمك الرئة. يقترح المؤلفون أن النقص في مسارات piRNA، التي تنظم عادةً نشاط TEs، قد يساهم في التوسعات الواسعة للجينوم التي لوحظت في سمك الرئة. بشكل عام، تؤكد النتائج الديناميات التطورية المعقدة لجينومات سمك الرئة، بما في ذلك فقدان الجينات، وتكوين الجينات المرتدة، وتأثير TEs على بنية الجينوم ووظيفته.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-024-07830-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39143221
Publication Date: 2024-08-14
Author(s): Manfred Schartl et al.
Primary Topic: Chromosomal and Genetic Variations
Overview
In this study, the authors conducted comprehensive genomic analyses of the three living lungfish lineages, leveraging advanced DNA sequencing technologies and bioinformatics to achieve chromosome-level genome assembly. The research highlights the significant role of transposable elements (TEs) in driving genome expansion, with notable differences observed among the lungfish lineages and salamanders. Specifically, the South American lungfish exhibited a twofold increase in genome size, correlating with a higher abundance of TEs. The authors identified a potential molecular mechanism behind this expansion, including a reduction or absence of intact piRNAs, which are crucial for regulating TE activity.
The findings also reveal that despite the extensive TE proliferation, there was no direct relationship between TE abundance and genome stability, facilitating the reconstruction of the ur-tetrapod karyotype. Morphological and physiological adaptations among lungfish were examined, noting that the Australian lungfish has remained phenotypically stable for over 100 million years, while lepidosirinid lungfishes underwent significant changes, including the loss of scales and limb-like fin features. The study attributes these evolutionary modifications to alterations in Shh signaling pathways. Overall, the chromosome-level genomes of lungfish provide a valuable resource for further investigations into the evolutionary transitions of lobe-finned ancestors of tetrapods during the Devonian period.
Methods
In this study, biopsy samples for DNA and RNA isolation were collected from various species, including three lungfish (Neoceratodus forsteri, Protopterus annectens, and Lepidosiren paradoxa), axolotl (Ambystoma mexicanum), Xenopus laevis, and five teleosts (Tetraodon nigriviridis, Astatotilapia burtoni, Amphilophus amarillo, Xiphophorus maculatus, and Poecilia reticulata). The collection adhered to the German Animal Welfare Law, with necessary permits obtained from the University of Konstanz and the Veterinary Office of the District Government of Lower Franconia.
To accurately identify the South American lungfish specimen, mitochondrial DNA analysis was employed, confirming its classification within the southern basin clade. This methodological approach ensures the reliability of species identification, particularly for Protopterus, where multiple species are described. Further details regarding the sampling and methodologies can be found in the accompanying reporting summary.
Discussion
In this section, the authors discuss the genome sequencing, assembly, and annotation of South American and African lungfishes, which possess some of the largest known animal genomes. Utilizing long-read sequencing and Hi-C chromosome conformation capture techniques, they achieved chromosome-level assemblies, resulting in genome sizes of 87.2 Gb for the South American lungfish and 40.5 Gb for the African lungfish. The assemblies demonstrated high completeness, with 94.3% and 97.5% of the genomes assigned to full-length chromosomes, respectively. The study identified 19,777 protein-coding genes in the South American lungfish and 19,181 in the African lungfish, with a re-annotation of the Australian lungfish genome revealing 21,552 protein-coding genes. Phylogenomic analyses confirmed lungfishes as the closest living relatives of tetrapods, supporting their evolutionary significance.
The authors further explore chromosomal synteny and the reconstruction of the ancestral tetrapod karyotype, revealing a high degree of conserved synteny among the three lungfish lineages despite significant genome expansions over 200 million years. They note that lungfish genomes exhibit a tendency to lose duplicate genes following ancient whole-genome duplications, with the Australian lungfish retaining a more conserved karyotype. The discussion also highlights massive genome expansions driven primarily by transposable elements (TEs), particularly long interspersed nuclear elements (LINEs) in lungfishes. The authors suggest that deficiencies in piRNA pathways, which typically regulate TE activity, may contribute to the extensive genome expansions observed in lungfishes. Overall, the findings underscore the complex evolutionary dynamics of lungfish genomes, including gene loss, retrogene formation, and the impact of TEs on genome architecture and function.