Micro e macroevoluzione del fenotipo del veleno di anemone di mare

Nature Communications volume 14, numero articolo: 249 (2023) Citare questo articolo

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Il veleno è un tratto complesso con sostanziale variabilità inter e intraspecifica derivante da forti pressioni selettive che agiscono sull'espressione di molte proteine tossiche. Tuttavia, la comprensione dei processi alla base delle dinamiche di espressione delle tossine che determinano il fenotipo del veleno rimane irrisolta. Mediante confronti interspecifici riveliamo che l'espressione delle tossine negli anemoni di mare si evolve rapidamente e che in ciascuna specie diverse famiglie di tossine determinano il fenotipo del veleno mediante massicci eventi di duplicazione genetica. L'analisi approfondita dell'anemone di mare, Nematostella vectensis, ha rivelato una sorprendente variazione del numero di copie diploidi della tossina dominante (Nv1) tra le popolazioni (1-24 copie) risultanti da eventi di espansione/contrazione indipendenti, che generano aplotipi distinti. Il numero di copie di Nv1 è correlato all'espressione sia a livello di trascrizione che di proteina, con una popolazione che ha una perdita quasi completa della produzione di Nv1. Infine, stabiliamo l’ipotesi della tossina dominante che incorpora osservazioni in altri lignaggi velenosi secondo cui gli animali hanno evoluto in modo convergente una strategia simile nel modellare il loro veleno.

Comprendere i processi molecolari che guidano la diversità fenotipica tra specie, popolazioni e individui è essenziale per svelare il legame tra micro e macroevoluzione. La maggior parte dei tratti sono poligenici, il che significa che il loro fenotipo è influenzato da più loci genomici1,2,3,4,5. Tuttavia, comprendere l’ereditarietà di questi tratti complessi è impegnativo. L’espressione genica è probabilmente una caratteristica essenziale nel determinare il tipo di effetto che un gene ha su un tratto poligenico. Ciò è evidente con le dinamiche ereditarie dell'espressione genetica che contribuiscono alle variazioni fenotipiche all'interno e tra le specie6,7. I meccanismi che guidano queste dinamiche di espressione genica, che includono mutazioni degli elementi cis- e trans-regolatori8,9, modifiche epigenetiche7,10,11 e duplicazione genica12,13,14, sono soggetti a pressioni selettive che possono provocare tratti adattativi in un organismo.

Tra i meccanismi in grado di guidare rapidi cambiamenti nella dinamica dell’espressione genica c’è la duplicazione genetica, che può causare un aumento nell’abbondanza dei trascritti portando a variazioni fenotipiche all’interno e tra le specie. Le duplicazioni geniche, che determinano una variazione del numero di copie (CNV), possono avere origine da una combinazione di slittamento della replicazione, crossover disuguale durante la meiosi, retroposizione delle trascrizioni genetiche e duplicazioni dell'intero genoma15,16. Oltre a fornire un substrato su cui l'evoluzione molecolare può agire attraverso la diversificazione, la CNV derivante dalla duplicazione genetica può anche causare effetti immediati sulla forma fisica derivanti dall'aumento dell'espressione genetica attraverso il dosaggio17. In effetti, il potenziale di effetti fenotipici immediati e gli alti tassi di mutazione dei geni duplicati suggeriscono che la CNV potrebbe essere un meccanismo importante per un rapido adattamento a nuove nicchie ecologiche. Sebbene la CNV sia studiata principalmente nel contesto delle malattie genetiche umane e dei recenti adattamenti18,19,20, vi è un crescente apprezzamento per il ruolo della CNV su scala individuale e di popolazione nei processi ecologici ed evolutivi in altre specie e il suo impatto su tratti complessi21, 22,23.

Un tratto complesso che si ipotizza si evolva sotto una forte pressione selettiva è il veleno a causa dei suoi ruoli ecologici essenziali legati alla predazione e alla difesa24,25,26. Il fenotipo del veleno è spesso un tratto complesso perché si basa sull’espressione coordinata di più geni codificanti le tossine. Queste tossine si combinano per produrre profili di veleno altamente distinti, che variano in modo significativo all'interno e tra le specie26,27. Le prove supportano il fatto che le differenze nell’espressione dei geni delle tossine tra le specie contribuiscono in modo determinante alla rapida evoluzione dei fenotipi del veleno28,29. Si è ipotizzato che le famiglie di geni delle tossine si evolvano attraverso un modello di nascita e morte di evoluzione adattativa poiché queste proteine sono fondamentali per l'idoneità di un individuo nel mediare le interazioni sia per la nutrizione che per la sopravvivenza24,25. La genomica comparativa ha rivelato prove a sostegno dell'ipotesi che un certo numero di organismi velenosi accumulano rapidamente duplicazioni genetiche nei loro genomi: esempi includono ragni30,31, lumache cono32 e scorpioni33, sebbene ci siano eccezioni come i ragni vedova34.

95% at nodes. B Representative images of the three sea anemone superfamilies included in the phylotranscriptomic analyses (Edwardsioidea—N. vectensis; Actinioidea—Aulactinia veratra; Metridioidea—Calliactis polypus). Actinioidea and Metridioidea photos courtesy of Peter Prentis. C Models of trait evolution fitted to toxin expression highlights that pulsed evolutionary process best describes sea anemone venom evolution. Model of best fit highlighted in color based on weighted AIC and are colored according to the toxin family key in panel A. See Supplementary Data 1 for species code and reference./p>50% of the total toxin expression (Supplementary Data 2). During diversification of Actinioidea, ASR suggests that KTx3 evolved to become the dominant toxin family. The KTx3 family is the dominant toxin family in 10 of the 17 Actinioidea species, with Actinoporin, KTx1, and KTx2 dominant in four, one and two species, respectively. Outside of Actinioidea, the Edwardsiid Scolanthus callimorphus Gosse, 1853 convergently evolved to have KTx3 as the dominant toxin. These shifts in the dominant toxin can be explained by a model of punctuated evolution53,54. We tested this by modeling the rates of evolution acting on the expression of toxins. We find evidence that all sea anemone venom components undergo dramatic and unique shifts that is best explained through a mode of rapid pulses (Pulsed) as opposed to Brownian motion (BM), Ornstein–Uhlenbeck (OU), or early burst (EB) models (Fig. 1C)./p>90%, except for Massachusetts (Supplementary Data 10, BUSCO = 72.2%). In all, 2589 single-copy orthologs were identified using OrthoFinder and used to generate a well-supported maximum-likelihood phylogenetic tree (Fig. 4B). Broadly, populations clustered according to geographical location, with populations from North (Massachusetts, Maine, New Hampshire, New Jersey, and Nova Scotia) and South (North Carolina, South Carolina, and Florida) clustering independently together. This phylogenetic analysis also supports that the Maryland population, which serves as the source for the most common N. vectensis lab strain61, clusters more closely with southern populations, consistent with the previous analyses62. Differences among populations from close geographical locations are also observed, specifically with South Carolina populations clustering more closely with Florida than North Carolina./p>2, red dots are proteins with significant P value and Log2 fold change./p>500, while Florida had a TPM of five (Supplementary Data 11A). Expression differences of Nv1 among populations were further validated using nCounter platform, revealing that indeed Nv1 gene expression is massively reduced in the Florida population (Supplementary Data 11B). This striking result suggests that the Nv1 cluster in Florida has undergone a massive contraction./p>50% of the total conotoxin expression69. These dominant toxin superfamilies convergently evolve in a highly dynamic manner, where closely-related species have different dominant toxins69. From these results, we suggest that given venom is a polygenic trait in many other venomous animals, a single dominant toxin family is the major dictator of the venom phenotype and the shift in the dominant toxin is likely driven by selection to meet the ecological requirements of these animals./p>300 bp. In snakes, transposable elements have been proposed as the NAHR substrate90,91; however, this does not appear to be the case for the Nv1 locus as TEs are largely absent from within the Nv1 locus. If NAHR is the mechanism driving the expansion and contraction of the Nv1 haplotypes, it is unclear why it would not occur across haplotypes because sufficient NAHR substrate is evident between haplotypes despite the presence of haplotype-specific paralogs. An alternative hypothesis would be that expansions and contractions at the locus are a result of backward replication slippage92. We suggest that this mechanism is more likely responsible for the tandem duplications at the Nv1 locus as there is the sufficient substrate, the duplication sizes are consistent with past observations of replication slippage, and importantly, would maintain the strong haplotype structure./p> 2.2100). This included individual reads being mapped back to reference de novo transcriptome assemblies independently for each species using Bowtie2101, and abundance estimated using RSEM102. Normalized abundance estimates of the transcript were calculated and corrected for their length to generate TPM values. Finally, we calculated the cumulative TPM values for each toxin family and the venom phenotype was generated as the percentage that each family contributes./p>100 amino acids in length were retained and redundant sequences with >88% similarity were removed to produce a predicted proteome for the 29 transcriptomes using CD-HIT103./p> 8). Sequencing libraries were prepared using the Kapa Stranded mRNA-seq kit (Roche, Switzerland) and sequenced on an Illumina HiSeq 4000 using 150 bp paired-end chemistry performed at Duke Center for Genomic and Computational Biology (Durham, NC, USA). Raw reads from each population were cleaned using Trimmomatic94 to retain only high-quality reads and to remove non-biological sequence and assembled into nine transcriptomes using the Trinity 2.6.695. To assess the completeness of de novo transcriptomes, BUSCO (v3.0) was performed on each transcriptome to assess the completeness of each assembly, by determining the percentage of full-length sequences in each transcriptome corresponding to a conserved set of metazoan orthologs114./p>88% sequence similarity were removed using CD-HIT103. Protein sequences >100 amino acids in length were used to identify single-copy orthologs using OrthoFinder115 and leveraged using DIAMOND116. In addition, we added S. callimorphus and Edwardsiella carnea as outgroups to the N. vectensis populations. This resulted in 2589 single-copy orthologs shared among the 11 transcriptomes. Protein sequences for each single-copy ortholog were individually aligned using MAFFT99. Protein alignments were then concatenated and imported into IQ-TREE, and the best-fit model of evolution selected using ModelFinder106, and posterior mean site frequency models were used to reduce long-branch attraction artefacts117. A maximum-likelihood phylogenetic tree was generated using 1000 ultrafast bootstrap iterations./p>