[論文レビュー] Lineage-specific transposons drove massive gene expression recruitments during the evolution of pregnancy in mammals

Vincent J. Lynch, Mauris C. Nnamani+10 more|arXiv (Cornell University)|Aug 22, 2012

Reproductive System and Pregnancy被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、顕著な系統特異的トランスポゾンが、胎生の進化に伴い、急速かつ系統特異的に数千の遺伝子を子宮での発現に参加させたことを示している。cis-Regulatory要素を分析することで、研究者たちは、トランスポゾン由来配列が頻繁に新しい調節制御を提供しており、複雑な母体・胎児間コミュニケーションおよび妊娠維持機構の進化を可能にしたことを明らかにした。

ABSTRACT

A major challenge in biology is explaining how novel characters originate, however, the molecular mechanisms that underlie the emergence of evolutionary innovations are unclear. Here we show that while gene expression in the uterus evolves at a slow and relatively constant rate, it has been punctuated by periods of rapid change associated with the recruitment of thousands of genes into uterine expression during the evolution of pregnancy in mammals. We found that numerous genes and signaling pathways essential for the establishment of pregnancy and maternal-fetal communication evolved uterine expression in mammals. Remarkably the majority of genes recruited into endometrial expression have cis-regulatory elements derived from lineage-specific transposons, suggesting that that bursts of transposition facilitate adaptation and speciation through genomic and regulatory reorganization.

研究の動機と目的

• 哺乳類における妊娠の進化の背後にある分子機構を理解すること。
• 一般的に遅い調節子の進化のペースであるにもかかわらず、子宮での遺伝子発現がどのように急速に進化したかを調査すること。
• 転移因子が妊娠進化中に遺伝子が子宮発現に参加する過程で果たす役割を特定すること。
• 妊娠特異的遺伝子発現プログラムの出現に寄与した、トランスポゾン由来のcis-Regulatory要素を同定すること。

提案手法

• 複数の哺乳類系統における子宮遺伝子発現の比較トランスクリプトーム解析により、系統特異的遺伝子参加を同定する。
• ゲノム配列アラインメントとアノテーションを用いて、参加した遺伝子に関連するcis-Regulatory要素を同定する。
• 系統特異的トランスポゾン家系への調節子の進化的起源を追跡するための系統発生的および比較ゲノム解析。
• 妊娠関連の主要な生物学的経路への関与を評価するため、参加した遺伝子の機能的豊度解析。
• 妊娠進化と一致する時期に調節子進化が加速した時期を特定するため、進化速度モデルの使用。
• 複数種からのデータ統合により、系統特異的トランスポゾン挿入と古来の調節子要素を区別する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 哺乳類における妊娠の起源に伴う、子宮遺伝子発現の急速な進化の背後にある分子機構は何か？
• RQ2 どの程度まで系統特異的トランスポゾンが、子宮発現に遺伝子が参加する原因となっているか？
• RQ3 トランスポゾン由来の調節子要素は、母体・胎児間コミュニケーションおよび妊娠維持に不可欠な遺伝子の周辺に有意に豊富に存在するか？
• RQ4 トランスポジションの爆発的増加は、子宮における調節子進化の加速期と相関しているか？
• RQ5 妊娠進化を駆動する調節ネットワークは、主にトランスポゾンによるde novo調節インノベーションによって形作られているか？

主な発見

• 妊娠の進化に伴い、特に系統特異的バーストによって、数千の遺伝子が子宮発現に参加した。
• これらの参加遺伝子の大部分が、系統特異的トランスポゾン由来のcis-Regulatory要素を獲得しており、調節子のインノベーションにおける主要な役割を果たしていることが示された。
• トランスポゾン由来の調節子要素は、免疫調節、血管新生、ホルモンシグナル伝達に関与する遺伝子の周辺に有意に豊富に存在しており、妊娠に不可欠なプロセスに関連している。
• 子宮における遺伝子発現参加の急速な時期と、トランスポジション活動の爆発的増加の時期が一致しており、機構的関連が示唆された。
• 子宮における調節子進化の速度は一般的に遅いが、トランスポゾン駆動のインノベーションイベントによって一時的に加速し、新しい妊娠関連機能の出現を可能にした。
• 系統特異的トランスポゾンは、母体・胎児間コミュニケーションおよび胎盤発達に不可欠な新しい調節ネットワークの進化に貢献した。