Metazoan-wide phylogenomics supports the emergence of recognisable canonical prostanoid-receptor family structure across the vertebrate transition
Diese metazoenweite phylogenomische Studie zeigt, dass die kanonische Acht-Familien-Struktur der Prostanoid-Rezeptoren eine wirbeltierspezifische Innovation darstellt, wobei sie offenlegt, dass zuvor vorgeschlagene Nicht-Wirbeltier-Homologe tatsächlich distinkte Rezeptorlinien sind, deren scheinbare Ähnlichkeit mit den EP4-Rezeptoren der Wirbeltiere auf phylogenetischer Nähe statt auf wahrer Orthologie beruht.
Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dies ist eine KI-generierte Erklärung eines Preprints, das nicht peer-reviewed wurde. Dies ist kein medizinischer Rat. Treffen Sie keine Gesundheitsentscheidungen auf Grundlage dieses Inhalts. Vollständigen Haftungsausschluss lesen
In den Körpern von Tieren, von den einfachsten Schwämmen bis hin zu komplexen Menschen, koordiniert eine ausgeklügelte chemische Sprache lebenswichtige Prozesse wie Entzündungen, den Blutfluss und die Fortpflanzung. Diese Sprache stützt sich auf eine Gruppe von Lipidmolekülen namens Prostanoiden, die als lokale Botenstoffe fungieren. Um diese Nachrichten zu empfangen, nutzen Zellen spezialisierte Proteine, die in ihre Außenwände eingebettet sind, die als Rezeptoren bekannt sind. Bei Wirbeltieren wie Fischen, Vögeln und Säugetieren sind diese Rezeptoren in acht verschiedenen Familien organisiert, von denen jede auf einen spezifischen Typ eines Prostanoide-Signals abgestimmt ist. Wissenschaftler gingen lange Zeit davon aus, dass dieses komplexe Acht-Familien-System von uralten Vorfahren geerbt wurde, was bedeutete, dass selbst Kreaturen ohne Wirbelsäule, wie Quallen oder Insekten, die direkten evolutionären Vorläufer dieser acht spezifischen Familien besitzen sollten.
Eine neue Studie stellt diese lang gehegte Annahme infrage, indem sie die genetische Geschichte dieser Rezeptoren im gesamten Tierreich untersucht. Die Forschung unter der Leitung des unabhängigen Forschers Sebastiano Scibelli zielte darauf ab, zu bestimmen, wann und wie die erkennbare Struktur dieser acht Familien entstand. Durch die Analyse tausender genetischer Datensätze aus Hunderten von Tierarten zeigt die Studie, dass die spezifische Acht-Familien-Anordnung, die bei Wirbeltieren zu finden ist, kein Merkmal aller Tiere ist, sondern eine Entwicklung, die speziell während des Übergangs zu den Wirbeltieren auftrat.
Der Forscher begann mit der Sammlung einer gewaltigen Menge an genetischen Daten und untersuchte Proteinsequenzen von über 3.000 Arten, die 30 verschiedene Tiergruppen repräsentieren. Er verglich diese Sequenzen mit einem sorgfältig kuratierten Satz von 78 bekannten Wirbeltier-Rezeptoren, die als Standardreferenz für die acht Familien dienen. Das Ziel war es zu sehen, ob irgendwelche dieser Nicht-Wirbeltiere Rezeptoren besaßen, die sich ordnungsgemäß in diese acht etablierten Kategorien einfügten. Der Forscher wandte ein strenges, mehrstufiges Verfahren an, um die Genauigkeit zu gewährleisten. Zuerst warf er ein weites Netz aus, um potenzielle Übereinstimmungen zu finden, wandte dann strikte Filter an, um zu bestätigen, dass die Proteine die korrekte Struktur besaßen, und platzierte sie schließlich auf Evolutionsbäumen, um zu sehen, wo sie hingehörten. Diese Methode ermöglichte es ihm, zwischen einem Rezeptor, der lediglich einem Wirbeltier-Rezeptor ähnlich ist, und einem, der ein echter evolutionärer Verwandter ist, zu unterscheiden.
Die Ergebnisse waren bemerkenswert. Unter den tausenden analysierten Sequenzen aus Nicht-Wirbeltieren konnte nicht eine einzige eindeutig innerhalb einer der acht kanonischen Familien eingeordnet werden. Obwohl viele dieser alten Rezeptoren im weiteren Sinne mit dem Prostanoide-System verwandt waren, gehörten sie nicht zu den spezifischen Gruppen, die als DP1, EP1 bis EP4, FP, IP oder TP bekannt sind. Stattdessen bildeten die Nicht-Wirbeltier-Rezeptoren ihre eigenen, distinkten Linien, die sich abspalteten, bevor die Wirbeltier-Familien vollständig ausgebildet waren. Der Forscher fand heraus, dass diese alten Rezeptoren oft am nächsten nhất zu einer spezifischen Wirbeltier-Familie, EP4, erschienen, was jedoch ein Resultat der Art und Weise war, wie der Evolutionsbaum geformt war, und kein Beweis dafür, dass sie die wahren Vorfahren der EP4-Familie waren. Der Forscher demonstrierte, dass diese Nähe ein geometrischer Artefakt der Daten und kein Zeichen einer direkten Abstammung war.
Die Studie befasste sich auch mit früheren Forschungsarbeiten, die spezifische Rezeptoren in Seeanemonen und Korallen als direkte Äquivalente zu den Wirbeltier-EP2- und EP4-Rezeptoren identifiziert hatten. Bei der erneuten Untersuchung der genetischen Sequenzen mit ihren umfassenderen und strengeren Methoden stellte der Autor fest, dass diese Zuordnungen nicht korrekt waren. Die Sequenzen der Seeanemone waren zwar mit dem Prostanoide-System verwandt, passten aber nicht in die spezifischen EP2- oder EP4-Kategorien. Noch bedeutender war, dass die Sequenzen der Koralle, die als EP2 und EP4 bezeichnet worden waren, tatsächlich gar nicht mit der Prostanoide-Rezeptorfamilie verwandt waren, sondern zu anderen Gruppen von Zelloberflächenproteinen gehörten. Dies deutet darauf hin, dass frühere Studien, die stark auf einfachen Ähnlichkeitssuchen basierten, diese antiken Proteine möglicherweise falsch identifiziert haben.
Das Entstehen der erkennbaren Acht-Familien-Struktur scheint sich schrittweise während der Evolution der Wirbeltiere vollzogen zu haben. Die Studie deutet darauf hin, dass sich die klare Trennung in die acht verschiedenen Familien während des Übergangs von frühen Chordaten zu den knöchernen Wirbeltieren (Jawed Vertebrates) etablierte. Während einige frühe Wirbeltiergruppen, wie Lampreten und Haackfische, Anzeichen dieser entstehenden Struktur zeigten, war die vollständige, stabile Anordnung noch nicht abgeschlossen. Erst in den Vorfahren der modernen knöchernen Wirbeltiere festigte sich das System zu den heute existierenden acht Familien. Der Forscher untersuchte auch die physische Lage dieser Gene auf den Chromosomen, um zu verstehen, wie sie sich vervielfältigten. Er fand heraus, dass während einige Paare von Rezeptoren nah beieinander auf demselben Chromosom blieben, was darauf hindeutete, dass sie durch lokale Duplikation entstanden waren, andere jedoch verstreut waren, was auf eine komplexere Geschichte unter Beteiligung groß angelegter Genomduplikationen hindeutete. Die Daten stützten jedoch kein einfaches Modell, bei dem alle acht Familien gleichzeitig durch ein einziges uraltes Ereignis geschaffen wurden.
Diese Arbeit verändert grundlegend unser Verständnis darüber, wie biologische Signalsysteme bei Tieren evolvierten. Sie zeigt, dass die Fähigkeit, auf Prostanoide-Signale zu reagieren, uralt und weit verbreitet ist und in vielen Formen im gesamten Tierreich existiert. Das spezifische, hoch organisierte Acht-Familien-System jedoch, das die Biologie der Wirbeltiere definiert, ist eine spätere Innovation. Die in Invertebraten gefundenen Rezeptoren sind keine defekten oder unvollständigen Versionen des Wirbeltier-Systems; sie sind ein vielfältiger, sich unabhängig entwickelnder Pool von Proteinen, die ähnliche Funktionen erfüllten, aber einen anderen evolutionären Pfad einschlugen. Die Studie kommt zu dem Schluss, dass die Komplexität des Prostanoide-Systems der Wirbeltiere ein einzigartiges Merkmal dieser Abstammungslinie ist, das aus einer Mischung aus lokalen Genduplikationen und größeren genomischen Ereignissen hervorging, statt eine direkte Vererbung von einem bereits existierenden, voll ausgebildeten invertebraten Vorfahren zu sein.
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