Evolution of cellular energetics: comparative genomics and functional analysis

Abstract

Oxidative phosphorylation (OXPHOS) supplies over 90% of the cellular ATP requirements through the orchestrated function of five multiprotein complexes located in the inner mitochondrial membrane. The thesis explores how the evolutionary constraints imposed by the indispensable function of OXPHOS guide the outcome of Whole Genome Duplication (WGD) events. Two teleosts, the gilthead seabream (Sparus aurata, GSB) and the European seabass (Dicentrarchus labrax, ESB), which have undergone three rounds of WGDs were used as models during the highly plastic and energy-demanding period of early development. Fish ontogeny is a unique period in fish life marked with dramatic changes in morphology, physiology, metabolism and behavior. The tightly regulated landscape of cell divisions, migrations and differentiation driving these dramatic changes demands high energy supplies. The discovery of 24 and 22 OXPHOS gene families in GSB and ESB genome, respectively, and the subsequent phylogenetic analysis showed in most cases divergence from a common ancestor at the base of the teleost lineage, a process attributed to teleost-specific WGD. Overall results indicate that the WGD events have resulted in early retention of OXPHOS paralogue genes and subsequent species- or lineage-specific losses. OXPHOS paralogue gene expression levels were compared following RNA sequencing within and between distinct developmental stages in GSB and ESB. Different expression patterns between paralogs were revealed; some of them were in dosage balance, others were expressed only in particular stage(s) and a lot of them were differentially expressed between stages. The results were validated in a focused study comparing stage- and tissue-specific expression of OXPHOS paralogs in ESB. Differences in both the number and location of SNPs were revealed between paralogs, after merging the RNA sequencing data with whole genome sequencing data. Mutations were mapped mostly in the UTRs and very few in the CDS. The ratio of nonsynonymous to synonymous substitutions when comparing the CDS variants revealed Purifying and Neutral Selection in action, safeguarding protein structural integrity and/or function. Overall, regulatory neo/subfunctionalization of OXPHOS paralogs appeared as the evolutionary mechanism behind the retention of the paralogs in GSB and ESB genomes in favor of ontogenetic plasticity. Indeed, OXPHOS paralogs exhibited differential thermal plasticity in GSB that became evident under high energy demanding circumstances.

Η οξειδωτική φωσφορυλίωση (OXPHOS) καλύπτει πάνω από το 90% των κυτταρικών απαιτήσεων σε ΑΤΡ μέσω της ενορχηστρωμένης λειτουργίας πέντε πολυπρωτεϊνικών συμπλόκων που βρίσκονται στην εσωτερική μιτοχονδριακή μεμβράνη. Η διατριβή διερευνά πώς οι εξελικτικοί περιορισμοί που επιβάλλονται από την απαραίτητη λειτουργία της OXPHOS καθοδηγούν την έκβαση των γεγονότων διπλασιασμού ολόκληρου του γονιδιώματος (WGD). Δύο τελεόστεοι, η τσιπούρα (Sparus aurata, GSB) και το ευρωπαϊκό λαβράκι (Dicentrarchus labrax, ESB), τα οποία έχουν υποστεί τρεις γύρους WGD χρησιμοποιήθηκαν ως μοντέλα κατά τη διάρκεια της ιδιαίτερα πλαστικής και απαιτητικής σε ενέργεια περιόδου της πρώιμης ανάπτυξης. Η οντογένεση των ψαριών είναι μια μοναδική περίοδος στη ζωή των ψαριών που χαρακτηρίζεται από δραματικές αλλαγές στη μορφολογία, τη φυσιολογία, το μεταβολισμό και τη συμπεριφορά. Το αυστηρά ρυθμιζόμενο τοπίο των κυτταρικών διαιρέσεων, των μεταναστεύσεων και της διαφοροποίησης που οδηγούν σε αυτές τις δραματικές αλλαγές απαιτεί υψηλές ποσότητες ενέργειας. Η ανακάλυψη 24 και 22 οικογενειών γονιδίων OXPHOS στο γονιδίωμα των GSB και ESB, αντίστοιχα, και η επακόλουθη φυλογενετική ανάλυση έδειξαν στις περισσότερες περιπτώσεις προέλευση από έναν κοινό πρόγονο στη βάση της γενεαλογίας των τελεόστεων, μια διαδικασία που αποδίδεται στο ειδικό για τους τελεόστεους WGD. Συνολικά τα αποτελέσματα δείχνουν ότι τα γεγονότα WGD είχαν ως αποτέλεσμα την πρώιμη διατήρηση των παράλογων γονιδίων OXPHOS και τις επακόλουθες απώλειες να είναι ειδικές για το είδος ή την γενεαλογία. Τα επίπεδα έκφρασης των παράλογων γονιδίων OXPHOS συγκρίθηκαν μετά από αλληλούχιση RNA εντός και μεταξύ διαφορετικών αναπτυξιακών σταδίων στα GSB και ESB. Αποκαλύφθηκαν διαφορετικά πρότυπα έκφρασης μεταξύ των παραλόγων γονιδίων∙ ορισμένα από τα οποία βρίσκονταν σε ισορροπία δόσης, άλλα εκφράζονταν μόνο σε συγκεκριμένα στάδια και πολλά από αυτά εκφράζονταν διαφορικά μεταξύ των σταδίων. Τα αποτελέσματα επιβεβαιώθηκαν σε μια εστιασμένη μελέτη που συνέκρινε την έκφραση των παραλόγων του OXPHOS στο ESB, σε διαφορετικά αναπτυξιακά στάδια και ιστούς. Αποκαλύφθηκαν διαφορές τόσο στον αριθμό όσο και στη θέση των SNPs μεταξύ των παραλόγων, μετά τη συγχώνευση των δεδομένων αλληλούχισης RNA με δεδομένα αλληλούχισης ολόκληρου του γονιδιώματος. Οι μεταλλάξεις χαρτογραφήθηκαν ως επί το πλείστον στης UTR’s και λιγότερες στα CDS. Η αναλογία των μη συνώνυμων προς τις συνώνυμες υποκαταστάσεις κατά τη σύγκριση των παραλλαγών του CDS αποκάλυψε την Σταθεροποιούσα (Purifing) και Ουδέτερη (Neutral) επιλογή σε δράση, διασφαλίζοντας τη δομική ακεραιότητα ή/και τη λειτουργία των πρωτεϊνών. Συνολικά, η ρυθμιστική Neo/Subfunctionalization των παραλόγων γονιδίων της OXPHOS εμφανίστηκε ως ο εξελικτικός μηχανισμός πίσω από τη διατήρηση των παραλόγων γονιδίων στα γονιδιώματα των GSB και ESB. Πράγματι, τα παράλογα γονίδια της OXPHOS παρουσίασαν διαφορετική θερμική πλαστικότητα στο GSB, η οποία έγινε εμφανής υπό συνθήκες υψηλών ενεργειακών απαιτήσεων.