El genoma de las aves

1. El genoma de las aves Mònica López Ramos 14 junio 2007

2. Contenido • El genoma de red jungle fowl (Gallus gallus) • Secuenciación y ensamblaje • El contenido de genes • El contenido de repeticiones • El contenido de proteínas • Innovaciones, pérdidas, expansiones génicasy la evolución de la función en los ortólogos. • Arquitectura del genoma • El genoma conservado de la gallina • La incógnita del tamaño del genoma de las aves • Conclusión

3. El genoma de red jungle fowl (Gallus gallus) • Red jungle fowl se cree que es el ancestro (salvaje) más cercano de la gallina domestica. • Sirve como modelo principal de laboratorio de ~ 9.600 especies de aves. • El genoma de las aves se separó del de los mamíferos hace ~ 310 millones de años. Esta distancia aporta una nueva perspectiva en la evolución genómica de los vertebrados. • El embrión de gallina ha sido especialmente útil como modelo de los vertebrados en el estudio de la biología del desarrollo. • La gallina también ha sido utilizada en estudios de virología, oncogénesis e inmunología. • La gallina es un descendiente moderno de los dinosaurios y el primer amniota no mamífero cuyo genoma ha sido secuenciado • La gallina secuenciada • Proviene de una línea endogámica (empezaron en 1956) contiene poca heterozigosidad. • Esta línea ha servido para estudios genéticos y de otro tipo durante décadas, por lo que posee mucha información. • Se escogió a una gallina para tener información de los 2 cromosomas sexuales.

4. Secuenciación y ensamblaje • Whole-genome shotgun assembly • BAC-based physical map • PCAP • Genome coverage of 6,6X • Cromosomas Z y W el 50%

5. Contenido de genes • Genes de RNA no codificante • Se han identificado hasta un total de 571 ncRNA, de unas 20 familias de genes diferentes. Muchos menos que en humanos. • Genes que codifican para proteínas • Se han estimado entre 20.000 y 23.000 genes. • Pseudogenes • Solo se han identificado 51 pseudogenes procesados. En contraste, con los 15.000 observados en el genoma de los mamíferos. • En los mamíferos el atávico elemento transponible LINE (L1) parece ser el responsable del origen de la mayoría de los pseudogenes procesados. Ya que, la transcriptasa inversa codificada por estos elementos tiende a ser poco específica y podría reconocer mRNA procesados (p.e. mRNAs sin intrones y con cola poly-A) y usarlos comotemplate para hacer nuevo DNA que después sería reinsertado en el genoma creando pseudogenes procesados. • Pero las aves aunque poseen su propio elemento LINE-like (Chicken repeat 1 (CR1)), la transcriptasa inversa codificada por estos elementos no es capaz de copiar los mRNAs poliadenilados, lo que probablemente explica la falta de pseudogenes procesados en la gallina. • Conservación evolutiva • El alineamiento entre secuencias de genes ortólogos de gallina y humanos muestra un patrón se secuencia conservado, con la máxima identidad en los exones y la mínima en los intrones como era de esperar. • Este alineamiento ha llevado a pensar que quizás 2.000 genes humanos empiezan en un sitio diferente al que se creía.

6. Contenido de repeticiones • El tamaño del genoma de la gallina es de ~1.050 Mb en contraste con las ~3.100 Mb del genoma humano. • ~11% del genoma consiste en repeticiones (transposones, satélites), en contraste con el 40-50% del genoma de los mamíferos. • 4% genes • 85% desconocido. • Es posible que estas regiones desconocidas estén formadas por elementos transponibles antiguos que han mutado antes de ser reconocidos. • Muchas repeticiones reconocidas muestran una gran divergencia. • Estos dos aspectos sugieren que la poca cantidad de repeticiones se debe a una baja actividad de elementos transponibles más que no a una elevada tasa de deleción. • También podría contener elementos reguladores que no se han reconocido. • CR1 • Pertenece a la clase de repeticiones LINE. • Es el elemento repetitivo más abundante en el genoma de la gallina. • ~80% • El número de copias de CR1 se estima en ~200.000, lo que es significativamente menor a las de los mamíferos (~ 1 millón de copias). • La gran mayoría tiene ~5-6 Kb longitud. • No está claro si aún están activos en la gallina. • El genoma de la gallina no posee elementos specíficos SINE. • Los microsatélites son escasos y están esparcidos por el genoma. • Existen algunos pseudogenes procesados, retrotransposones y transposones de DNA.

7. Contenido de proteínas • ~60% de los genes que codifican para proteína tienen un único ortólogo humano. • La similitud en la secuencia entre estos genes es del 75,3%, mientras que entre roedores y humanos es del 88%, como era de esperar teniendo en cuenta su distancia evolutiva. • El análisis comparativo entre el genoma humano, el de la gallina y el pez indica que existe un core de genes que es probable esté presente en la mayoría de los vertebrados. • Las secuencias entre genes ortólogos relacionados con funciones citoplasmáticas y nucleares están más conservadas que aquellas relacionadas con la reproducción, el sistema inmune y la adaptación al ambiente. • El 40% restante son miembros de familias de genes en los que el ortólogo o el parálogo es menos evidente o constituyen innovaciones génicas en el genoma de las aves.

8. Innovaciones, pérdidas, expansiones génicasy la evolución de la función en los ortólogos. • Innovaciones génicas. • Las escamas, las garras y las plumas se forman utilizando una familia de keratinas específica de las aves, mientras que la formación de la fibra capilar en los mamíferos está relacionada con una familia diferente de keratinas. • Proteínas específicas de la cáscara del huevo, como la ovocleidin 116. • Pérdidas génicas. • Genes que codifican para receptores vomeronasales (detección de feromonas), proteínas de la leche (casein), del esmalte dental y asociadas a la saliva. • Parece estar relacionado con la evolución del órgano vomeronasal y de las glándulas mamarias en los mamíferos, y con la pérdida de los dientes en las aves. • Parece que las gallinas poseen ciertos enzimas dependientes de la luz de los que carecen los mamíferos. Se cree que los mamíferos inicialmente eran animales nocturnos y que en ese periodo los habrían perdido. • Sorprende que de todos los genomas de los vertebrados que se han secuenciado hasta ahora, el de la gallina sea el único que aparentemente parece haber perdido más genes que los que ha ganado.

9. Innovaciones, pérdidas, expansiones génicasy la evolución de la función en los ortólogos. • Expansiones génicas. • El genoma de la gallina muestra evidencia de una reciente y rápida expansión de ciertos receptores olfativos y se ha encontrado que tienen un número total de receptores parecido al humano. • Este hallazgo ha sorprendido y sugiere que la idea de que las gallinas tienen un pobre sentido del olfato podría tener que ser reconsiderada. • Aparentemente tiene ~ 40% de expansión del dominio SRCR que es un regulador de la homeostasis de la mucosa. • Muestra pocos genes para los receptores de proteína-G que se cree que están relacionados con el sentido del sabor amargo, indicando que las aves tendrían una limitada percepción para el sabor amargo. Parece ser que ha habido una expansión génica de receptores para estas proteínas G en los mamíferos. • El ser humano tiene una extensa familia de genes para α-interferones. El genoma de la gallina carece de ellos. Se cree que la expansión y la diversificación de estos genes en los mamíferos son una innovación que aparece como respuesta a la exposición a diferentes patógenos. • Evolución de la función en los ortólogos. • Algunos genes que se encuentran tanto en la gallina como en los humanos podrían haber cambiado su función. • Se ha pensado durante mucho tiempo que las aves carecían del ciclo de la urea y excretaban el nitrógeno en forma de ácido úrico, mientras que los mamíferos excretan urea. Sin embargo, los genes que codifican para todos los enzimas del ciclo de la urea de los mamíferos se han encontrado en el genoma de la gallina, así que esto podría indicar que su función ha variado en las aves.

10. Arquitectura del genoma de la gallina 76 autosomas macrocromosomas 1-5 78 cromosomas microcromosomas 6-38 2 cr. Sexuales: Z, W (ZW hembra, ZZ macho) • El cariotipo se define como 2n=78 • Una característica distintiva del genoma de las aves es que poseen cromosomas de tamaño muy diferente. • Se desconoce si los microcromosomas aparecen con las aves o si ya existían en vertebrados ancestrales. • El tamaño oscila de < 5 Mb a > 180 Mb

11. Arquitectura del genoma • Micro y macro cromosomas presentas características diferentes. • Microcromosomas • Tienen un contenido más elevado de GC y más densidad de islas CpG, genes y repeats. • Exhiben características de DNA transcripcionalmente activo. • Presentan homología a las bandas R de mamíferos. • La diferencia más llamativa es la tasa de recombinación. • La tasa media de recombinación de los microcromosomas es de 6,4 cM Mb-¹, mientras que para los macro es de 2,8 cM Mb-¹. • 1 cM aprox es 1% de recombinación. • Estos datos contrastan con la baja tasa de recombinación de humanos que es de 1-2 cM Mb-¹, o de ratón que es de 0,5-1 cM Mb-¹.

12. Arquitectura del genoma de la gallina • Han encontrado una fuerte correlación entre la longitud del gen y el tamaño del cromosoma en el que se encuentra, un efecto que está determinado ampliamente por la variación en el tamaño del intrón. Ya que la longitud del exón y el número de ellos no varia significativamente en los diferentes tipos de cromosoma. • Las distancias génicas aumentan con el tamaño del cromosoma. • La tasa de sustitución sinónima, Ks es significativamente mayor para los microcromosomas que para los macrocromosomas. • Por otro lado, la tasa de sustitución no sinónima, Ka es mayor para los macrocromosomas que para los micro. • La Ka/Ks es menor, en promedio para los microcromosomas indicando que están sujetos a un mayor grado de selección purificadora. • Parece ser que ha habido muchas menos duplicaciones génicas en la línea evolutiva de la gallina que en la del ser humano. • El 93% son intracromosómicas. • Los dos genomas muestran similar número de duplicaciones antiguas que probablemente ocurrieron ancestralmente antes de su divergencia.

13. El genoma conservado de la gallina • Posee largos bloques de sintenia incluso con sps distantes. • La estabilidad del genoma de las aves también está reflejada en una tasa baja de duplicaciones, tanto para las duplicaciones génicas como para los segmentos (no intercromosómica). • La reconstrucción del genoma del ancestro amniota de las aves y de los mamíferos indica que el genoma de la gallina se ha mantenido relativamente estable. • Los mapas de sintenia confirman que el genoma humano es más cercano al de la gallina que al de los roedores en lo que hace referencia a la organización cromosómica de los genes. • Sorprende que de la fracción del genoma humano que se alinea con el de la gallina un poco más de la mitad sea DNA no codificante. • El hecho de que este DNA no codificante posea pocas repeticiones y no contenga lugares de rotura cromosómica hace pensar que pueda tener alguna función.

14. La incógnita del tamaño del genoma de las aves • El tamaño 3 veces inferior del genoma de las aves en relación con los mamíferos refleja una reducción en el contenido de repeticiones, pseudogenes y duplicaciones.

15. La incógnita del tamaño del genoma de las aves • Se ha propuesto la idea de que existiría una correlación inversa entre la tasa basal metabólica y el tamaño del genoma y de los intrones de las aves como consecuencia a la demanda fisiológica de volar, ya que se reduciría el coste metabólico asociado a tener un tamaño celular y genómico grande. • Aunque diferentes trabajos parecen no corroborar esta hipótesis.

16. La incógnita del tamaño del genoma de las aves • Utilizando un método bayesian comparativo que muestra que existe una correlación entre el tamaño de la célula ósea y el tamaño del genoma, han calculado el tamaño genómico de 31 sps de dinosaurios y aves extinguidas. • Estos resultados indican que el genoma pequeño apareció en la línea evolutiva de los dinosaurios hace 230-250 millones de años, antes de la aparición de las aves.

17. La incógnita del tamaño del genoma de las aves • El número de genes no parece ser la respuesta, ya que se ha estimado que tienen una cantidad de genes parecida a la de los mamíferos. • La implicación evolutiva de esta diferencia permanece desconocida. • Así como muchas otras incógnitas por descubrir.

18. Conclusión • La secuenciación y el análisis del genoma de una sp nos aporta mucha información nueva para entender la evolución y la diversificación de los seres vivos.