Animal microRNAs and the evolution of tissue identity

Abstract

This thesis addresses the emerging link between the evolution of microRNAs and the evolution of complex bilaterian body plans. Recent deep sequencing of various metazoan animals revealed that early metazoans possessed at least one conserved microRNA, miR100 (plus an unknown number of non conserved microRNAs), growing to 36 microRNAs in the last common ancestor of protostomes and deuterostomes. To further explore the putative link between the evolution of stem bilaterians and microRNAs, I set out to determine the ancient sites of activity of conserved microRNA families in a comparative approach. I investigated the full set of 36 conserved bilaterian microRNAs in two slow-evolving protostome animals, the marine annelids Platynereis and Capitella, in a slow-evolving deuterostome, the sea urchin Strongylocentrotus and in a basal metazoan, the sea anemone Nematostella. The resulting comparative expression data showed that in these animals, other than in the fast-evolving fly Drosophila and nematode Caenorhabditis, microRNAs largely retain their ancient expression sites. The oldest animal microRNA, miR-100, together with the co-transcribed let-7 and miR-125, was found expressed in a small group of neurosecretory cells located around the mouth, in cnidarians, annelids and sea urchin. This is where the conserved role of let-7 and miR-125 in developmental timing must have evolved. Other sets of ancient microRNAs were first present in locomotor ciliated cells, specific brain centres, or, more broadly, one of four major organ systems: central nervous system, sensory tissue, musculature and gut. Insights into the contribution of the step-wise acquisition of microRNA families towards bilaterian complexity are given in the second part of this thesis. Using Platynereis and Capitella developing annelids, I localized the expression of 7 microRNAs specific to the protostome, 6 to the lophotrochozoan, 2 to the annelid and 2 to the Platynereis lineage. In most cases lineage specific microRNAs appeared to reinforce the regulatory signature of ancient bilaterian microRNAs by joining their expression in the above stated tissues. However, few of them were highly restricted to subsets of these ancient bilaterian tissues. In conclusion, the expression data of this comparative study suggest that both ancient bilaterian and “younger” lineage -specific microRNAs evolved in a tissue -specific context and conferred developmental robustness to an ancient set of animal cell types and tissues. They also imply that these microRNA-defined tissues were in place already in the last common ancestor of protostomes and deuterostomes. By this property, microRNAs provide a new tool for reconstructing ancient animal body plans at important evolutionary nodes, focusing here on the protostome-deuterostome divergence.

Η εξέλιξη της περιπλοκότητας του σώματος των σύγχρονων αμφισυμμετρικών ζώων και πιο συγκεκριμένα το πως αυτή επηρεάστηκε από την εξέλιξη των μικρών-RNA αποτελούν σκοπό αυτής της διδακτορικής εργασίας. Μετά από πρόσφατη εις βάθος αλληλούχηση (deep sequencing) των μικρών-RNA ζώων που κατατάσσονται σε γενεαλογικές γραμμές πριν και μετά τον διαχωρισμό των πρωτοστόμιων-δευτεροστόμιων, βρέθηκε ένα κοινά διατηρημένο μικρό-RNA, το miR-100. Για την περαιτέρω μελέτη των μικρών-RNA στην εξέλιξη των αμφισυμμετρικών ζώων, και πιο συγκεκριμένα εάν τα μικρά-RNA έπαιξαν σημαντικό ρόλο στην διαμόρφωση του σώματος του κοινού προγόνου των προτεοστόμιων και δευτεροστόμιων, προσπάθησα να χαρακτηρίσω και να συσχετίσω την δράση 36 αρχαίων μικρών-RNA -τα οποία έχουν διατηρηθεί και στις δύο γενεαλογικές γραμμές- σε οργανισμούς που εξελίσσονται αργά. Οι θαλάσσιες αννελίδες, Platynereis dumerilii, Capitella spI, και ο αχινός Strongylocentrotus purpuratus εκπροσωπούν τα αργά εξελισσόμενα πρωτοστόμια και δευτεροστόμια, αντίστοιχα. Σημαντικός οργανισμός σε αυτή την σύγκριση είναι η θαλάσσια ανεμώνη, (Nematostella), που εκπροσωπεί έναν προδρομικό κλάδο των σύγχρονων αμφισυμμετρικών ζώων, τα κνιδάρια. Συγκρίνοντας την δράση των αρχαίων μικρών-RNA στα παραπάνω ζώα φάνηκε ότι τα πρώτα έχουν διατηρήσει την έκφραση τους κατά την διάρκεια της εξέλιξης, ενώ ταυτόχρονα επιτράπηκε η πρόβλεψη τις δράσης τους στον πρόγονο των πρωτοστόμιων-δευτεροστόμιων. Αντίθετα, το παραπάνω συμπέρασμα δεν ήταν εμφανές από την σύγκριση των πρότυπων έκφρασης των αρχαίων μικρών-RNA σε ζώα που εξελίσσονται γρήγορα, όπως είναι τα είδη Drosophila και Caenorhabditis. Ενδιαφέρον είχε το πρότυπο έκφρασης του αρχαιότερου μικρού- RNA, miR-100, το οποίο συν-μεταγράφεται με τα let-7 και miR-125. ΄Ολα μαζί εκφράζονται σε μία μικρή ομάδα νευρικών-εκκριτικών κυττάρων που εντοπίζονται γύρω από το στόμα. Αυτό το πρότυπο έκφρασης ήταν κοινό στα κνιδάρια, στις αννελίδες και στον αχινό. Πιθανώς να υποδεικνύει τον αρχικό ρόλο των let-7 και miR-125 στην επιλογή της χρονικής στιγμής για την μεταμόρφωση κατά την διάρκεια της ανάπτυξης του ζώου, μια διατηρημένη λειτουργία στην εξέλιξη των μεταζώων. Τα υπόλοιπα αρχαία μικρά-RNA εντοπίστηκαν σε κινητικά βλεφαριδωτά κύτταρα σε συγκεκριμένα τμήματα του εγκεφάλου και σε ένα από τα τέσσερα οργανικά συστήματα: κεντρικό νευρικό σύστημα, αισθητήρια όργανα, μυϊκό σύστημα και πεπτικό σύστημα. Το δεύτερο μέρος της διδακτορικής διατριβής εξετάζει την σχέση της κλιμακούμενης απόκτησης των μικρών-RNA και της περιπλοκότητας του σώματος των ζώων. Σε αυτό το σημείο εστιάζομαι, κυρίως, σε μικρά-RNA που είναι διατηρημένα σε μια γενεαλογική γραμμή και πως αυτά συσχετίζονται με σωματικά χαρακτηριστικά αυτής. Η μελέτη αυτή περιορίστηκε στις δυο αννελίδες (Platynereis και Capitella), στις οποίες μελετήθηκε η έκφραση των μικρών-RNA που εμφανίζονται αποκλειστικά σε πρωτοστόμια, λοφοτροχοζώα, αννελίδες και Platynereis, αντίστοιχα. Στις περισσότερες περιπτώσεις τα γενεαλογικά-εξειδικευμένα μικρά-RNA συν-διαμορφώνουν με τα αρχαία μικρά-RNA την κυτταρική ταυτότητα των προαναφερθέντων οργανικών συστημάτων. Συνοψίζοντας, η παραπάνω συγκριτική μελέτη προτείνει ότι τόσο τα αρχαία, όσο και τα νεότερα γενεαλογικά-εξειδικευμένα μικρά-RNA προσφέρουν αναπτυξιακή σταθερότητα σε μια ομάδα αρχέγονων κυτταρικών τύπων και οργάνων, οι οποίοι φαίνεται να ήταν παρόν στον κοινό πρόγονο των πρωτοστόμιων-δευτεροστόμιων. Επιπλέον, τα αρχαία μικρά-RNA διατηρούν το πρότυπο έκφρασης τους σε αργά-εξελισσόμενα ζώα αποτελώντας ένα νέο εργαλείο για να την έρευνα της εξέλιξη του σχεδίου σώματος των μεταζώων και πιο συγκεκριμένα του προγόνου των πρωτοστόμιων-δευτεροστόμιων.