Metazoan-wide phylogenomics supports the emergence of recognisable canonical prostanoid-receptor family structure across the vertebrate transition
Deze over de gehele metazoa reikende fylogenomische studie toont aan dat de canonieke acht-familie-structuur van prostanoidreceptoren een vertebraten-specifieke innovatie is, waarbij wordt onthuld dat eerder voorgestelde niet-vertebrate homologen in werkelijkheid afzonderlijke receptorlijnen zijn waarvan de schijnbare gelijkenis met vertebrate EP4-receptoren voortkomt uit fylogenetische nabijheid in plaats van ware orthologie.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van een preprint die niet peer-reviewed is. Dit is geen medisch advies. Neem geen gezondheidsbeslissingen op basis van deze inhoud. Lees de volledige disclaimer
In de lichamen van dieren, van de eenvoudigste zeezomen tot complexe mensen, coördineert een geavanceerde chemische taal vitale processen zoals ontsteking, bloedstroom en voortplanting. Deze taal steunt op een groep lipidenmoleculen genaamd prostanoiden, die fungeren als lokale boodschappers. Om deze boodschappen te ontvangen, gebruiken cellen gespecialiseerde eiwitten die in hun buitenwanden zijn ingebed, bekend als receptoren. Bij gewervelde dieren, zoals vissen, vogels en zoogdieren, zijn deze receptoren georganiseerd in acht afzonderlijke families, die elk zijn afgestemd op een specifiek type proastanoïde signaal. Wetenschappers gingen er lang van uit dat dit complexe acht-familiesysteem afstamde van oude voorouders, wat zou betekenen dat zelfs wezens zonder ruggengraat, zoals kwallen of insecten, de directe evolutionaire voorgangers van deze acht specifieke families zouden bezitten.
Een nieuwe studie daagt deze langgekoesterde aanname uit door naar de genetische geschiedenis van deze receptoren te kijken over het gehele dierenrijk. Het onderzoek, geleid door onafhankelijk onderzoeker Sebastiano Scibelli, had als doel te bepalen wanneer en hoe de herkenbare structuur van deze acht receptorfamilies daadwerkelijk ontstond. Door duizenden genetische datasets van honderden diersoorten te analyseren, onthult het onderzoek dat de specifieke achtfamiliesstructuur die bij gewervelde dieren wordt aangetroffen, geen kenmerk is van alle dieren, maar een ontwikkeling die specifiek verscheen tijdens de overgang naar gewervelde dieren.
De onderzoeker begon met het verzamelen van een enorme hoeveelheid genetische data, waarbij eiwitsequenties van meer dan 3.000 soorten die 30 verschillende diergroepen vertegenwoordigen, werden onderzocht. Hij vergeleek deze sequenties met een zorgvuldig samengestelde set van 78 bekende gewervelde receptoren, die dienen als de standaardreferentie voor de acht families. Het doel was om te zien of enige van de niet-gewervelde dieren receptoren bezaten die netjes binnen deze acht gevestigde categorieën pasten. De onderzoeker gebruikte een rigoureus, meerstaps proces om nauwkeurigheid te garanderen. Eerst wierp hij een breed net uit om eventuele overeenkomsten te vinden, paste hij vervolgens strikte filters toe om te bevestigen dat de eiwitten de juiste structuur hadden, en plaatste hij ze ten slotte op evolutionaire bomen om te zien waar ze thuishoorden. Deze methode stelde hem in staat om onderscheid te maken tussen een receptor die slechts lijkt op een gewervelde en een die een ware evolutionaire verwant is.
De resultaten waren opmerkelijk. Onder de duizenden sequenties die geanalyseerd waren van niet-gewervelde dieren, kon er geen enkele definitief binnen een van de acht canonieke families worden geplaatst. Hoewel veel van deze oude receptoren in brede zin gerelateerd waren aan het prostanoidesysteem, behoorden ze niet tot de specifieke groepen die bekend staan als DP1, EP1 tot EP4, FP, IP of TP. In plaats daarvan vormden de niet-gewervelde receptoren hun eigen afzonderlijke lineages die aftakten voordat de gewervelde families volledig gevormd waren. De onderzoeker merkte op dat deze oude receptoren vaak het dichtst bij één specifieke gewervelde familie verschenen, de EP4, maar dat dit een gevolg was van de manier waarop de evolutionaire boom gevormd was, en niet bewijs dat zij ware voorouders van de EP4-familie waren. De onderzoeker toonde aan dat deze nabijheid een geometrische artefact van de data was en geen teken van directe afstamming.
De studie behandelde ook eerder onderzoek dat specifieke receptoren in zeeanemonen en koralen had geïdentificeerd als directe equivalenten van de gewervelde EP2- en EP4-receptoren. Bij het heronderzoeken van de genetische sequenties met hun meer uitgebreide en rigoureuze methoden, stelde de auteur vast dat deze toewijzingen onjuist waren. De sequenties van de zeeanemoon waren inderdaad gerelateerd aan het proastanoïdesysteem, maar pasten niet in de specifieke EP2- of EP4-categorieën. Nog significanter was dat de sequenties van het koraal, die als EP2 en EP4 waren bestempeld, eigenlijk geheel ongerelateerd waren aan de proastanoïde receptorfamilie en in plaats daarvan tot andere groepen celoppervlakte-eiwitten behoorden. Dit suggereert dat eerdere studies, die zwaar vertrouwden op eenvoudige gelijkeniszoekopdrachten, deze oude eiwitten mogelijk verkeerd hebben geïdentificeerd.
Het ontstaan van de herkenbare achtfamiliesstructuur lijkt geleidelijk te zijn gebeurd naarmate gewervelde dieren evolueerden. De studie geeft aan dat de duidelijke scheiding in de acht afzonderlijke families werd gevestigd tijdens de overgang van vroege chordaten naar gewervelde dieren met een ruggengraat. Hoewel sommige vroege groepen gewervelden, zoals lampreien en hagfis, tekenen vertoonden van deze opkomende structuur, was de volledige, stabiele arrangement nog niet voltooid. Pas bij de voorouders van de moderne gewervelde dieren met een ruggengraat (jawed vertebrates) consolideerde het systeem zich tot de acht families zoals die vandaag de dag bestaan. De onderzoeker keek ook naar de fysieke locatie van deze genen op chromosomen om te begrijpen hoe ze zich vermenigvuldigden. Hij vond dat terwijl sommige paren receptoren dicht bij elkaar op hetzelfde chromosoom bleven, wat suggereerde dat ze door lokale duplicatie waren ontstaan, anderen verspreid waren, wat wees op een complexere geschiedenis die gepaard ging met grootschalige genoomduplicaties. De data ondersteunden echter niet een simpel model waarbij alle acht families simultaan door een enkele oude gebeurtenis werden gecreëerd.
Dit werk verandert fundamenteel ons begrip van hoe dierlijke signaleringssystemen evolueerden. Het laat zien dat het vermogen om op proastanoïde signalen te reageren oud en wijdverspreid is, bestaand in vele vormen over het hele dierenrijk. Echter, het specifieke, hoog georganiseerde achtfamiliesysteem dat de biologie van gewervelde dieren definieert, is een latere innovatie. De receptoren die in ongewervelden worden gevonden, zijn geen gebroken of onvolledige versies van het gewervelde systeem; het zijn diverse, onafhankelijk evoluerende pools van eiwitten die vergelijkbare functies vervulden maar een ander evolutionair pad volgden. De studie concludeert dat de complexiteit van het proastanoïde systeem van gewervelden een uniek kenmerk is van die lineage, voortgekomen uit een mix van lokale gen-duplicaties en grotere genomische gebeurtenissen, in plaats van een directe overerving van een vooraf bestaande, volledig gevormde ongewervelde voorouder.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.