대규모를 통한 새로운 두족류 유전자 조절 및 발현의 출현

Nature Communications 13권, 기사 번호: 2172(2022) 이 기사 인용

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콜레오이드 두족류(오징어, 오징어, 문어)는 무척추동물 중에서 가장 큰 신경계를 가지고 있어 다양한 계통별 형태학적 특성과 함께 복잡한 행동을 가능하게 합니다. 이러한 혁신의 기초가 되는 게놈 기반은 아직 알려지지 않았습니다. 모델 오징어 Euprymna scolopes의 비교 및 ​​기능 유전체학을 사용하여 두족류 게놈의 고유한 게놈, 위상 및 조절 조직을 밝힙니다. 우리는 콜레오이드 두족류 게놈이 다른 동물에 비해 광범위하게 재구성되어 수백 개의 긴밀하게 연결되고 진화적인 독특한 유전자 클러스터(마이크로신테니)가 출현했음을 보여줍니다. 이러한 새로운 마이크로신테니스는 뚜렷한 조절 구조를 가진 위상적 구획에 해당하며 복잡한 발현 패턴에 기여합니다. 특히, 우리는 두족류 신경계 발현이 광범위하게 풍부한 두족류 혁신(MACI)과 관련된 일련의 마이크로신텐을 식별합니다. 우리는 MACI의 출현이 두족류 신경계 진화에 중요한 역할을 했다고 가정하고 마이크로신텐닉 프로파일링이 두족류 혁신을 이해하는 데 핵심이 될 것이라고 제안합니다.

두족류는 가장 큰 무척추동물 신경계를 가지고 있으며 빠른 적응 위장, 빨판이 있는 팔, 카메라형 눈과 같은 계통별 적응을 많이 가지고 있습니다. 많은 두족류의 특성은 척추동물의 특성과 수렴하여 진화했으며, 이는 두족류를 광범위한 유기체 혁신의 유전적 기초와 진화 이면의 경로를 연구하는 데 매력적인 시스템으로 만듭니다.

게놈 수준에서 새로운 유전자의 출현, 광범위한 유전자 복제 및 광범위한 RNA 편집이 두족류 게놈에 설명되어 있습니다1. C2H2s, Protocadherins, GPCR과 같은 유전자군의 확장과 광범위한 RNA 편집을 통해 신경계에서 단백질 코딩 전사체의 다양화가 가능해졌으며 진화에 중요한 역할을 한 것으로 제안되었습니다. 유사한 혁신이 척추동물 게놈에서도 알려져 있지만 이러한 특징의 진화를 이끄는 메커니즘은 다릅니다. 척추동물은 대규모 다중 복제 유전자 세트와 기능의 다양화를 생성하는 여러 차례의 전체 게놈 복제를 거쳤지만 아무런 징후도 없습니다. 두족류1,2,3에서 유사한 사건이 발생했습니다. 대조적으로 콜레오이드 두족류(오징어, 오징어, 문어) 계통은 대규모 게놈 재구성을 거쳤다고 제안되었습니다2,3.

후생동물 게놈의 특성은 먼 관련 종들 사이에서도 국소 유전자 순서 또는 미세합성이 보존된다는 것입니다. 이러한 보존은 게놈 조절 블록(GRB)4,5,7에 표시된 조절 제약 조건에 대한 기능적 연구와 조직 또는 세포 유형8에서 이웃 유전자의 공동 발현에 의해 뒷받침됩니다. 여러 콜레오이드의 초기 게놈 어셈블리는 국소 유전자 순서가 크게 붕괴되어 고대 마이크로신테니스가 파괴되고 이전에 연결되지 않은 유전자가 합쳐졌음을 나타냅니다2,3. 잠재적으로 전체 게놈 규모의 이 사건은 수백 개의 유전자군에 영향을 미쳐 콜레오이드 두족류 및 기타 연체동물의 마지막 공통 조상과 비교하여 유전자의 순서를 혼란시킬 수 있습니다. 두족류의 염색체 규모 집합이 부족하기 때문에 이 사건의 정도를 추정하기가 어렵습니다. 게놈 재구성의 범위와 그것이 두족류 게놈 생물학 및 진화에 미치는 영향을 이해하기 시작하기 위해 우리는 새로운 모델 종인 Euprymna scolopes(하와이 짧은 꼬리 오징어)를 연구합니다. 이 종은 30년 넘게 공생 연구의 중심에 있었지만9,10 작은 성체 크기, 큰 알 클러치 및 상대적인 배양 용이성으로 인해 진화 및 발달 연구를 위한 매력적인 모델 시스템이기도 합니다.

E. scolopes 게놈의 규제 환경을 재구성하기 위해 염색체 형태 캡처(Hi-C) 및 개방형 염색질 프로파일링 기술(ATAC-seq)을 적용하고 추가 발현 데이터를 수집했습니다. Hi-C를 사용하면 이전에 발표된 E. scolopes 게놈 어셈블리를 개선하고 게놈의 3차원 구성을 포착할 수 있었습니다. 비교 게놈 접근 방식을 사용하여 우리는 콜레오이드 두족류에서 게놈 재편성의 전체적인 특성을 설명하고 이전에 다른 종에서 연결되지 않은 많은 마이크로신텐닉 영역의 출현을 보여줍니다. 우리의 데이터는 또한 E. scolopes 게놈의 3차원 조직을 밝히는 원거리 게놈 유전자좌(게놈의 위상학적 조직) 사이의 상호작용을 밝혀줄 뿐만 아니라 조절 루프 및 위상학적으로 연관 도메인(TAD)에 위치한 유전자를 식별합니다. 우리의 공개 염색질 데이터는 전사 인자에 접근할 수 있는 영역과 잠재적으로 규제 요소를 구성하는 영역을 보여줍니다. 이러한 데이터를 통해 우리는 유전자 연결의 진화적 변화와 새로운 유전자 조절의 출현이 미치는 영향에 대한 통찰력을 얻을 수 있습니다. 이 연구는 두족류 게놈의 진화에 대한 이해와 이 계통의 형태학적 새로움에 대한 가능한 함의를 위한 기초를 제공합니다.