Pierderile de gene convergente luminează modificările metabolice și fiziologice la erbivore și carnivore
Editat de Clifford J. Tabin, Harvard Medical School, Boston, MA și aprobat pe 21 decembrie 2018 (primit pentru examinare 27 octombrie 2018)
Semnificaţie
Mamiferele s-au adaptat în mod repetat la dietele specializate, inclusiv dietele pe bază de plante pentru erbivore și dietele pe bază de carne sau insecte pentru carnivore. În afară de consumul de diete cu diferite compoziții nutritive, erbivorele obligatorii și carnivorele diferă în alte aspecte, cum ar fi timpul petrecut în hrănire, regularitatea secreției de suc pancreatic, expunerea la compuși toxici din plante și diversitatea microbiomului intestinal. Pentru a înțelege mai bine cum au evoluat modificările legate de dietă, am efectuat ecrane la nivelul genomului pentru pierderile de gene convergente care au apărut preferențial la erbivore sau la carnivore. Am descoperit pierderi repetate de gene implicate în digestia grăsimilor, secreția sucului pancreatic, homeostazia glucozei, reglarea apetitului, detoxifiere și diversitatea microbiomului intestinal. Rezultatele noastre relevă modificări genomice asociate specializării dietetice și luminează modificările metabolice și fiziologice la mamiferele erbivore și carnivore.
Abstract
Adaptările la diferite surse de alimente au dus la specializări dietetice repetate, care constituie o piatră de temelie a ecologiei mamiferelor. În timp ce compoziția dietetică exactă este probabil unică pentru fiecare descendență, mamiferele placentare pot fi clasificate pe scară largă în erbivore, omnivore și carnivore. Specializarea dietetică este asociată cu o varietate de trăsături. Pentru a digera materialul vegetal, erbivorele posedă adesea un tract gastrointestinal mărit, ceea ce crește timpul de retenție a alimentelor și facilitează fermentarea de către comunități bacteriene specializate din intestin (1). Specializarea dietetică este asociată cu diferențe de nivel și activitate ale enzimelor și transportorilor intestinali (2). O dietă erbivoră sau carnivoră este, de asemenea, un factor major care influențează compoziția și diversitatea microbiomului intestinal (3).
Pentru a detecta în mod sistematic modificările genomice care sunt asociate cu o dietă erbivoră obligatorie sau carnivoră obligatorie, am efectuat un ecran imparțial pentru pierderile de gene convergente care sunt asociate cu astfel de specializări dietetice la 31 de mamifere placentare. Ecranul nostru a descoperit o serie de pierderi de gene necunoscute anterior la erbivore și carnivore care luminează diferențele legate de compoziția dietetică, tiparele de hrănire și microbiomii intestinali.
Rezultate
Clasificarea mamiferelor în descendențe independente de erbivore și carnivore.
Pentru a identifica pierderile de gene convergente asociate cu specializarea dietetică în erbivore și carnivore, am clasificat mamiferele placentare cu un genom secvențiat în 16 erbivore obligatorii și 15 carnivori obligați (Fig. 1 și Dataset S1). Omnivorii au fost excluși din analiză. Mamiferele insectivore obligatorii au fost incluse în grupul carnivorelor. Folosind o definiție destul de strictă de erbivor și carnivor, am obținut șase descendențe independente de erbivore și cinci descendențe independente de carnivore (Fig. 1).
Prezentare generală a pierderilor de gene convergente la mamiferele erbivore sau carnivore. O dietă strictă erbivoră sau carnivoră a evoluat de mai multe ori independent la mamifere. Cele șase descendențe erbivore și cinci carnivore sunt indicate prin fundaluri roșii și, respectiv, albastre. Speciile cu caractere aldine au fost incluse în ecranul inițial la nivelul întregului genom; speciile cu font gri închis au fost inspectate manual pentru prezența mutațiilor comune care nu activează genele. Modelele de pierdere ale genelor legate de dietă care se pierd preferențial fie în erbivore, fie în carnivore sunt prezentate prin cruci roșii. Pierderile genetice care au avut loc deja la strămoșul speciilor înrudite, deduse din mutații inactivante comune, sunt indicate de căsuțe roșii. Siluetele de animale au fost descărcate de pe phylopic.org/ și sunt oferite de Steven Traver, David Orr, Oscar Sanisidro, Yan Wong și Michael Keesey.
Identificarea sistematică a pierderilor de gene convergente la erbivore și carnivore.
Am efectuat un ecran sistematic pentru gene care codifică proteinele, care sunt preferențial pierdute, fie în linii erbivore independente, fie în linii independente de carnivore. În acest scop, am folosit datele despre pierderea genelor generate de o abordare de calcul care detectează cu precizie mutațiile care inactivează genele care codifică proteinele pe baza alinierilor genomului (9, 10). Mai exact, această abordare analizează codonii de oprire prematură, mutațiile care împiedică site-ul de îmbinare, inserțiile și delețiile de schimbare a cadrelor și ștergerea exonilor întregi sau chiar a genelor întregi. Toți pașii pe care i-am efectuat pentru identificarea și validarea pierderilor genetice sunt prezentate în apendicele SI, fig. S1.
Pentru a detecta în mod robust pierderile de gene convergente la erbivore, am cerut ca o genă să fie pierdută în cel puțin trei linii independente de erbivore. În plus, am cerut ca gena să prezinte un cadru de citire intact în cel puțin 80% din toate carnivorele. O abordare analogă a fost aplicată pentru a identifica pierderile de gene convergente la carnivore. Aceste ecrane au identificat 37 de gene care se pierd preferențial în erbivore și 44 de gene care se pierd preferențial în carnivore (seturile de date S2 și S3).
Servind drept controale pozitive, ecranul nostru a detectat pierderea convergentă a carnivorului a două gene ale receptorilor de gust, TAS1R1 și TAS1R2, și gena markerului gustului acru, PKD2L1, care au fost anterior legate de mamifere cu o dietă carnivoră (6, 7). De asemenea, am confirmat și extins constatările anterioare că UGT1A6, o genă care codifică o enzimă metabolizantă xenobiotică, se pierde la pisică, focă Weddell și morsă (11, 12) (Anexa SI, Fig. S2 și Dataset S4). Cu toate acestea, UGT1A6 nu se pierde în alte linii de carnivore independente; prin urmare, nu a îndeplinit criteriul nostru de a fi pierdut în cel puțin trei descendențe independente. În afară de detectarea câtorva pierderi de gene cunoscute, majoritatea celor 37 și 44 de pierderi de gene convergente nu au fost descrise anterior.
Identificarea pierderilor genei convergente legate de specializările dietetice.
Pentru a explora care dintre cele 37 de gene asociate cu erbivore și 44 de carnivore au funcții legate de dietă, am investigat dacă aceste gene sunt îmbogățite pentru anumiți termeni ai ontologiei genetice (GO). Deși nu am identificat îmbogățiri semnificative după ce am corectat testele multiple, termenii GO de top au indicat asociații potențial legate de dietă (seturile de date S5 și S6). Pentru pierderile de gene asociate erbivorilor, acești termeni GO includ „exocitoză” [SYCN (sincolină), MIA3]. Pentru pierderile de gene asociate carnivorilor, termenii GO de top includ „reglarea pozitivă a comportamentului de hrănire” [RXFP4 (peptida familiei relaxinei/receptorul INSL5 4), INSL5 (insulină ca 5)], „activitatea receptorului gustului” (TAS1R1, TAS1R2) și „secreția de acid arahidonic” (PLA2G2C, PLA2G2A).
Important, nu fiecare genă care se pierde preferențial fie la erbivore, fie la carnivore are o funcție evidentă legată de dietă. Acest lucru este exemplificat de PLCZ1, gena de top clasificată identificată în ecranul erbivorilor (Dataset S2), care este implicată în activarea ovocitelor (13). Prin urmare, pentru a evalua care dintre genele pierdute au funcții legate de dietă, am efectuat o căutare literară pentru cele două seturi de 20 de gene de top. Această căutare a relevat șase gene cu funcții relevante pentru specializarea dietetică: PNLIPRP1 (proteina 1 legată de lipaza pancreatică) și SYCN, care au funcții diferite în pancreas și se pierd preferențial în erbivore; și INSL5, RXFP4, NR1I3 (subfamilia receptorului nuclear 1 grupa I membru 3) și NOX1 (NADPH oxidază 1), care sunt implicate în reglarea aportului alimentar, homeostaziei glucozei, detoxifierii xenobiotice și imunității înnăscute și se pierd preferențial în carnivore (Fig. 1).