Institutul de Afiliere pentru Genetică Moleculară, Academia Rusă de Științe, Moscova, Rusia

evolutivă

Institutul de Afiliere pentru Genetică Moleculară, Academia Rusă de Științe, Moscova, Rusia

Centrul de cercetare pentru sănătate mintală de afiliere, Academia Rusă de Științe Medicale, Moscova, Rusia

Centrul de cercetare pentru sănătate mintală de afiliere, Academia Rusă de Științe Medicale, Moscova, Rusia

  • Valery A. Shepelev,
  • Alexandru A. Alexandrov,
  • Yuri B. Yurov,
  • Ivan A. Alexandrov

Cifre

Abstract

Rezumatul autorului

Citare: Shepelev VA, Alexandrov AA, Yurov YB, Alexandrov IA (2009) Originea evolutivă a omului poate fi urmărită în straturile sateliților alfa ancestrali dispăruți care flanșează centromerii activi ai cromozomilor umani. PLoS Genet 5 (9): e1000641. https://doi.org/10.1371/journal.pgen.1000641

Editor: M. Katharine Rudd, Facultatea de Medicină a Universității Emory, Statele Unite ale Americii

Primit: 2 martie 2009; Admis: 11 august 2009; Publicat: 11 septembrie 2009

Finanțarea: Autorii au primit finanțare de la instituțiile lor. Finanțatorii nu au avut niciun rol în proiectarea studiului, colectarea și analiza datelor, decizia de publicare sau pregătirea manuscrisului.

Interese concurente: Autorii au declarat că nu există interese concurente.

Introducere

Anterior, am propus existența unei mașini de recombinare asociate kinetochore (KARM) care omogenizează doar centromerul activ, un model care explică bine observațiile de mai sus [1], [2]. Acumularea de dovezi sugerează că topoizomeraza II, o enzimă decatenantă a ADN-ului, este o parte importantă a acestei mașini. În mitoză, acesta locuiește în cinetocor [5] - [7] și joacă un rol crucial în rezoluția firelor PICH de cromatină recent descoperite care leagă centromeri cromatidici [8] - [12]. Enzima introduce rupturi de catenă dublă în matricele AS umane [13] - [15], iar în cromozomii dicentrici activitatea sa este observată numai în centromerul activ [16]. Deoarece se știe că pauzele topoizomerazei II inițiază recombinarea omologă [17] - [19], enzima este un candidat probabil pentru funcția KARM.

Aici prezentăm o analiză completă a straturilor AS ale cromozomilor 8, 17 și X și oferim pentru prima dată comparații cuprinzătoare ale întregului model de strat pe ambele brațe ale unui cromozom și între diferiți cromozomi. Așa cum era de așteptat, succesiunea mai multor straturi pare a fi în mare măsură simetrică în jurul centromerului. Mai surprinzător, structura stratului este în mare măsură împărțită între cromozomii neomologi, susținând un model de evenimente de expansiune la nivelul genomului care dau naștere la noi centromeri pe mulți cromozomi într-o perioadă scurtă de timp evolutivă. Comparațiile primatelor arată că fiecare taxon major din descendența umană corespunde unui strat centromeric „supracromozomal” separat, oferind o evidență completă a strămoșilor umani. Comparațiile divergenței inter și intra-specii într-un strat sugerează că, după relocarea centromerului, matrițele moarte au experimentat o explozie neobișnuită de mutabilitate. Structura foarte informativă și rolul lor potențial în „speciația centromerică” [20], [21] ar trebui să facă straturile centromerice extrem de utile pentru analiza filogenetică.

Rezultate

Analiza AS în cromozomii 8, 17 și X

În cromozomii umani 8, 17 și X, regiunile pericentromerice ale ambelor brațe cromozomiale au fost secvențiate aproape complet, începând de la regiunile eucromatice înconjurătoare și până la matricile HOR care constituie centromeri actuali. Am folosit structurile genomice ale acestor cromozomi (a se vedea tabelul S1 pentru secvențe de referință) pentru a identifica și extrage toți monomerii AS și i-am analizat folosind o abordare cladistică [3], [4], [22] - [24] bazată pe construcția monomerilor copaci filogenetici (Figura 1; vezi Textul S1 pentru detalii). Acest lucru a dus la identificarea unui număr de domenii AS distincte în fiecare centromer (enumerate în Tabelul 1 și prezentate în culori diferite în Figura 2). Principalele criterii pentru a atribui matrici situate diferit stratului supracromozomal de aceeași culoare a fost asemănarea structurală și capacitatea de a „amesteca bine” pe copacii filogenetici între ei, dar nu cu celelalte straturi. Rezultatele noastre nu contrazic analiza parțială anterioară a SA pe acești cromozomi [3], [4], [24] și pe întregul genom [1], [2]. Cu toate acestea, au fost observate câteva caracteristici noi importante (Tabelul 1 și Textul S1) și întregul model complex al relațiilor AS a fost dezvăluit pentru prima dată.

Fiecare domeniu colorat reprezintă o matrice AS compusă din monomeri care aparțin aceleiași ramuri pe copacii filogenetici arătați în Figura 1. Domeniile cromozomiale și arcadele care marchează ramuri diferite sunt în aceleași culori în Figurile 1 și 2. Straturile colorate sunt parțial simetrice în jurul centromer pe un cromozom și parțial împărțit între diferiți cromozomi. Sunt indicate brațele p și q ale cromozomilor. Casetele centrale albe și albastre deschise diagonal reprezintă noile domenii AS HOR, care formează centromeri actuali. Li se arată că nu sunt la scară. Pentru cromozomul 17, arătăm organizarea presupusă a domeniului HOR. Matricea HOR centrală D17Z1 16-mer este flancată de două matrice HOR omogene 14-mer, D17Z1-B pe brațul p [24] și una distinctă numită D17Z1-C pe brațul q (a se vedea Textul S1 pentru detalii).

Figura 2 arată că straturile AS de aceeași culoare sunt împărțite de ambele brațe ale unui cromozom, precum și de trei cromozomi diferiți. Cu toate acestea, au fost observate două domenii solitare, gri (H4) și verde măslin (H1H2). Pentru a afla dacă omologii domeniilor solitare erau prezenți în altă parte a genomului, am scanat bazele de date și am găsit matricile de secvențe care se amestecă bine (Tabelul S2 și Textul S1) pe cromozomii 1, 3, 4, 5 și 18 (gri) și 5 și 7 (verde măslin). Straturile galbene și albastre au corespuns SF4 (M1) și SF5 (R1R2) caracterizate anterior, respectiv [25], [26] (vezi Tabelul 1 și Textul S1). Distribuția la nivelul genomului acestor familii a fost documentată anterior [1], cu exemple suplimentare furnizate în Tabelul S6. Faptul că matrice de aceeași culoare din diferite cromozomi se amestecă pe copaci filogenetici (Figura 1C) confirmă faptul că, spre deosebire de noul AS, vechiul AS nu avea specificitate cromozomială și era omogenizat la nivelul genomului [1], [22] într-un „ supracromozomal ”strat.

Straturile identificate în Figura 2 nu au prezentat amestecuri semnificative între ele pe copaci filogenetici (Figura 1). Cu toate acestea, în cadrul unor straturi, pot fi discriminate două sau mai multe subdomenii strâns legate (figurile S1 și S2). Aceste substraturi s-au amestecat între ele într-o oarecare măsură (Figura S3) și, prin urmare, nu au putut fi identificate formal ca straturi individuale în cadrul acestui studiu. Natura și semnificația acestei structuri mai fine merită investigații suplimentare (a se vedea Textul S1 pentru detalii și discuții).

Interpretarea structurii stratului propusă mai sus permite o serie de predicții. Prin urmare, am trecut la verificarea acestuia prin analize filogenetice, de distribuție a transpozonului și de tipare de divergență.

Căutarea ultimelor straturi comune umane/primate AS

Contrar așteptărilor bazate pe vechile date de hibridizare [1], după o căutare extinsă (peste 11,4 Gb de secvențe WGS selectate), nu am reușit să găsim SF-uri noi în orangutani. Astfel, noul AS este, de fapt, specific maimuțelor africane, nu maimuțelor mari, așa cum se presupunea anterior. Așa cum era de așteptat, în genomele gorilelor și cimpanzeilor, toate straturile de mai sus plus cele trei SF noi 1, 2 și 3 au fost prezente (nu este prezentat, vezi Tabelul S6 pentru secvențe de referință). Așa cum s-a descris mai sus, anumite tipuri de secvențe AS care au fost absente în unele citiri WGS ale primatelor au fost ușor detectabile în colecțiile WGS ale altor primate. Cu toate acestea, concluziile bazate pe absența constatărilor ar trebui tratate cu un anumit grad de precauție, deoarece este posibil ca WGS să nu fie cuprinzătoare.

Întâlniri L1

Pentru a obține o altă estimare a vârstei straturilor AS identificate în această lucrare, am tastat retropozoni L1 integrați acolo, așa cum s-a descris anterior [2] - [4]. Vârsta celor mai vechi elemente L1 găsite într-un strat AS ar indica momentul în care s-a oprit omogenizarea și a devenit disponibil pentru inserții [2]. Tabelul 2 (vezi și Tabelul S3 și Textul S1 pentru detalii) arată că cele mai vechi elemente L1 au fost identificate după cum urmează: PA3 în stratul albastru; PA3 și doar un PA4 în galben; PA4 în dungi galbene; în principal PA4 și doar două copii ale PA5 în stratul verde-măslin. PA5 a fost cea mai veche repetare L1 în stratul roșu și PA7 în gri (numărul numeric al familiei L1 crește odată cu vârsta [31]).

Pentru a relaționa aceste rezultate cu filogenia primatelor vii, am marcat elementele L1 din genomul diferitelor primate în căutarea elementelor active în momentul divergenței taxonului respectiv cu descendența umană. În fiecare genom, cea mai tânără repetare majoră L1 împărtășită cu oamenii a fost identificată după cum urmează: PB3 și PA15 (au fost activi simultan [31]) pentru lemuri; PA8 pentru tarsieri; PA6 pentru NWM și PA5 pentru OWM. Gibonii au avut doar câteva PA3 abundente și PA4 abundente, orangutanii au avut PA3 abundente, gorilele și cimpanzeii au avut PA2 abundente (Tabelul 2 și Tabelul S4).

Suprapunând cele două seturi de date de mai sus, se poate concluziona că stratul albastru era deja disponibil pentru inserare la scurt timp după divergența orangutanului (PA3 era încă activ). Stratul galben, care a fost expus doar unei activități PA4 reziduale, dacă există, și multă activitate PA3, a început să acumuleze L1 între divergența gibbonului și orangutanului din linia umană. Stratul cu dungi galbene a obținut cel mai vechi drum L1 după divergența OWM (PA4 este abundent) și stratul verde măslin chiar înainte sau imediat după aceea, deoarece avea încă activitate PA5. Stratul roșu a aparținut unui OWM mai îndepărtat - strămoș uman (PA5 abundent), iar cel gri unui strămoș comun al OWM și NWM (PA7 prezent). Vârsta straturilor poate fi estimată aproximativ după cum urmează: AS 7 noi, albastru (R1R2) 14-16 ani, galben (M1) 16-18 ani, cu dungi galbene (V1) 18–23 ani, verde măslin H1H2 ) 23-26 myr, roșu (H3) 26-40 myr, gri (H4) 40-58 myr.

Ca o clasificare temporară (vezi Tabelul 1), propunem: (i) A denumi AS formând centromeri de maimuțe din descendența umană „AS antic” (tipuri H1 - H4; fără nume de familie supracromozomiale), (ii) să păstreze termenul „AS vechi” numai pentru straturile de maimuță inferioară, și anume V1 (cu dungi galbene; SF6), M1 (galben; SF4) și R1R2 (albastru; SF5) și, (iv) pentru a aplica termenul „nou AS” pentru maimuțele africane- SF-uri specifice 1, 2 și 3 [1] (a se vedea textul S1 pentru detalii).

Analiza divergenței în domeniile AS

Se așteaptă ca, cu cât stratul este mai aproape de un centromer curent, cu atât este mai tânăr și cu atât este mai mică divergența dintre monomeri (sau dimeri) din matrice. Tabelul 3 arată că, în toate cazurile, modelul divergenței nu contrazice această predicție. Cifrele de divergență pentru domenii de aceeași culoare pe un cromozom și pe cromozomi diferiți sunt în concordanță remarcabilă.

Discuţie

Originea speciilor este scrisă în centromeri

Scenarii mecaniciste ale evoluției AS

Figura 2 afișează simetria imperfectă a straturilor AS în jurul centromerului curent. Poate fi explicat în două moduri diferite. Procesul de creare a straturilor poate fi asimetric în natură, iar elementele de simetrie pot apărea la întâmplare ca o coincidență. Alternativ, procesul poate fi intrinsec simetric, dar simetria este imperfectă din mai multe motive istorice aleatorii, cum ar fi formarea de noi centromeri evolutivi, rearanjări cromozomiale etc.

Un mecanism pentru procesul simetric a fost descris ca fiind singurul posibil pentru noile SF specifice cromozomului [1], [29], [30], care sunt reprezentate de HOR structural diferiți pe fiecare cromozom. Acesta include o serie de transferuri intercromozomiale și evenimente de amplificare, facilitate, așa cum propunem noi, de KARM, care este, de asemenea, responsabil de omogenizare („scenariu de transfer/amplificare intercromozomală”). În cele mai multe cazuri, noile variante provin dintr-o altă locație, se introduc în centromerul activ, îl împart și îl inactivează, aducând cinetocorul către noua matrice și mută rămășițele lateral, ca urmare a auto-expansiunii. Potențial, acest proces ar putea fi singurul responsabil pentru modelul stratului revelat în cromozomii 8, 17 și X. Cu toate acestea, în funcție de gradul de simetrie și de asemănarea intercromozomială a modelelor stratului în restul genomului, o combinație a celor două scenarii poate par a fi parsimonios. În special, în această lucrare am studiat numai centromerii cu domenii HOR SF2 (cromozomul 8) și SF3 (cromozomii 17 și X). Cu toate acestea, rezultatele noastre preliminare nepublicate arată că centromerii SF1 sunt flancați de aceleași tipuri de secvențe AS vechi și antice (vezi secvențele cromozomului 7 din tabelele S3 și S6).

Plasticitatea centromerului

Centromerul este remarcabil pentru plasticitatea sa. ADN-ul și proteinele centromerice sunt supuse variației filogenetice foarte mult spre deosebire de alte componente ale mașinii de cromatină și diviziune celulară [21]. Aici arătăm că generarea constantă de noi variante AS și poate concurența lor pentru funcția centromerică a dus la valuri seriale de expansiune AS în cursul evoluției primatelor. Fiecare val a dus la apariția de noi secvențe subiacente în centromeri activi ai multor cromozomi. S-a demonstrat anterior că în genomurile maimuțelor, AS de tip A, de regulă, este același în toți cromozomii și, prin urmare, este omogenizat pe întregul genom [1], [22]. Dimpotrivă, noul tip AS de tip AB, care este prezent în genomii maimuțelor africane, este specific cromozomului și, de regulă, este omogenizat efectiv numai în cadrul unui singur cromozom. Conform modelului nostru, un strat AS unește matricile care (i) au o origine comună, (ii) erau centromeri activi în același timp și (iii) în acel moment erau omogenizați pe tot genomul ca o singură entitate. Punctele i și ii sunt valabile și pentru noile SF-uri, dar punctul 3 nu este, altfel SF-urile și straturile AS sunt aceleași. Această diferență reflectă o trecere de la omogenizarea la nivel de genom la omogenizarea specifică cromozomului.

Materiale și metode

Repetările non-AS au fost identificate de RepeatMasker (www.RepeatMasker.org). Același program a fost folosit pentru clasificarea L1.

Ratele de mutație au fost calculate utilizând formula Jukes și Cantor [43] (a se vedea Textul S1).