[논문 리뷰] Lineage-specific transposons drove massive gene expression recruitments during the evolution of pregnancy in mammals

Vincent J. Lynch, Mauris C. Nnamani외 10명|arXiv (Cornell University)|2012. 08. 22.

Reproductive System and Pregnancy인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 체계 특이적 전위유전자들이 영속성 진화 과정에서 유태의 발현에 수천 개의 유전자를 빠르게, 체계 특이적으로 재편입시켰음을 보여준다. 전위유전자 유래 서열이 빈번히 새로운 조절 제어 기능을 제공함으로써, 저자들은 복잡한 모성-태반 소통 및 임신 유지 메커니즘의 진화를 가능하게 한 것을 밝혀냈다.

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.

연구 동기 및 목표

• 영속성 진화의 분자 기제를 이해하기 위해.
• 일般적으로 느린 조절 진화 속도를 고려할 때도 자궁에서의 유전자 발현이 어떻게 빠르게 진화했는지 조사하기 위해.
• 이동유전자 요소가 영속성 진화 과정에서 자궁 발현에 유전자를 재편입시키는 데 수행하는 역할을 규명하기 위해.
• 영속성 특이적 유전자 발현 프로그램의 출현에 기여한 전위유전자 유래 촉제 조절 요소를 식별하기 위해.

제안 방법

• 다양한 체계의 mammary mammal에서 자궁 유전자 발현을 비교 분석하여 체계 특이적 유전자 재편입을 규명하기 위해.
• genomic sequence alignment 및 annotation을 사용하여 재편입된 유전자와 관련된 촉제 조절 요소를 식별하기 위해.
• phylogenetic 및 비교 게놈 분석을 통해 조절 요소의 진화적 기원을 체계 특이적 전위유전자 가문으로 추적하기 위해.
• 재편입된 유전자들의 기능적 풍부도 분석을 통해 영속성과 관련된 핵심 생물학적 경로에의 관여를 평가하기 위해.
• 진화 속도 모델링을 사용하여 영속성 진화와 겹치는 가속된 조절 진화 기간을 탐지하기 위해.
• 다양한 종의 데이터 통합을 통해 체계 특이적 전위유전자 삽입과 고대 조절 요소를 구별하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떤 분자 기제가 영속성의 기원 과정에서 자궁 유전자 발현의 빠른 진화를 이끌었는가?
• RQ2 체계 특이적 전위유전자가 자궁 발현에 유전자를 재편입시키는 데 얼마나 기여했는가?
• RQ3 전위유전자 유래 조절 요소가 모성-태반 소통 및 임신 유지에 필수적인 유전자 근처에서 풍부하게 나타나는가?
• RQ4 전위유전자 삽입의 폭발적 활동은 자궁에서의 가속된 조절 진화 기간과 어떻게 관련되어 있는가?
• RQ5 영속성 진화를 이끄는 조절 네트워크가 주로 전위유전자를 통한 신규 조절 혁신에 의해 형성되는가?

주요 결과

• 영속성 진화 과정에서 수천 개의 유전자가 자궁 발현에 재편입되었으며, 특히 체계 특이적 폭발적 사건들 동안 두드러졌다.
• 이들 재편입된 유전자 대부분이 체계 특이적 전위유전자에서 유래한 촉제 조절 요소를 획득했으며, 이는 조절 혁신에서의 주요 역할을 시사한다.
• 전위유전자 유래 조절 요소는 면역 조절, 혈관신생, 호르몬 신호 전달과 관련된 유전자 근처에서 풍부하게 나타났다 — 영속성의 핵심 과정이다.
• 자궁에서의 빠른 유전자 발현 재편입 기간은 전위유전자 활동의 폭발적 증가와 겹쳐져 기계적 연관성을 시사한다.
• 일般적으로 자궁에서의 조절 진화 속도는 느리지만, 전위유전자 기반 혁신 사건들로 인해 끊김이 생기며, 이는 새로운 영속성 관련 기능의 출현을 가능하게 했다.
• 체계 특이적 전위유전자들이 모성-태반 소통 및 태반 발달에 필수적인 새로운 조절 네트워크의 진화에 기여했다.