Originea evolutivă a omului poate fi urmărită în straturile sateliților alfa ancestrali dispăruți

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

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.