Atrás do papel: uma ampulheta transcriptômica em algas marrons

As algas marrons são um grupo de eucariotos multicelulares complexos, não relacionados a animais, plantas e fungos. Segue-se que as algas marrons evoluíram o processo de desenvolvimento multicelular de forma independente, oferecendo uma oportunidade única para investigar os princípios compartilhados subjacentes à evolução do desenvolvimento em toda a árvore da vida. Um desses princípios é o modelo de ampulheta da evolução embrionária. O modelo de ampulheta descreve um padrão de conservação evolutiva e divergência durante a embriogênese, onde os estágios divergentes anteriores e posteriores são interligados por um período embrionário médio conservado (Duboule 1994). Esses padrões de ampulheta foram observados no desenvolvimento de animais, plantas e fungos (Drost et al. 2017). Mas e as algas marrons?

Em nosso artigo recente, “Uma ampulheta transcriptômica em algas marrons”(Lotharukpong et al. 2024), fizemos uma pergunta simples: o desenvolvimento de algas marrons segue o modelo de ampulheta? Ao traçar o perfil do transcriptoma do desenvolvimento em dois Fuco espécies, observamos um padrão de ampulheta na embriogênese das algas marrons (Figura 1). O período embrionário médio conservado é sustentado pela expressão reduzida de genes evolutivamente mais jovens e pela presença de genes potencialmente pleiotrópicos mais amplamente expressos. Também exploramos o transcriptoma ao longo dos estágios do ciclo de vida em algas marrons com diferentes níveis de complexidade morfológica. Crucialmente, em morfologicamente simples Ectocarpo Em espécies sem embriões canônicos, o próprio desenvolvimento multicelular pareceu restringir a evolução do transcriptoma, sugerindo como tais padrões de ampulheta embrionária podem ter surgido em primeiro lugar (pelo menos em algas marrons). No geral, este trabalho evidencia o modelo da ampulheta como um princípio geral subjacente à evolução do desenvolvimento ao longo da árvore da vida.

Mas como todos sabemos; muita coisa aconteceu atrás do papel.

Amostragem e cultivo de espécies de algas marrons:

Para testar o modelo de ampulheta em algas marrons, primeiro tivemos que literalmente encontrar algas marrons morfologicamente complexas que sofrem embriogênese (Figura 2). Entre a França e a Alemanha, Rémy Luthringer (co-autor) teve de recolher adultos reprodutivamente maduros para produzir embriões e cultivá-los em laboratório. Foi um desafio à cultura Fuco embriões além dos primeiros estágios embrionários, pois requerem muitos cuidados para garantir um crescimento saudável. Isto foi ainda mais difícil para espécies como F. distichusque exigiu até meio ano para atingir o último estágio embrionário utilizado no estudo.

Bioinformática em destaque:

Em seguida, enfrentamos vários obstáculos no lado da bioinformática ao montar este estudo, o que exigiu um impulso sustentado no desenvolvimento de software program. Em specific, queríamos inferir a idade evolutiva de cada gene, necessária para calcular o índice de idade do transcriptoma (uma métrica chave para a transcriptômica evolutiva). As abordagens existentes não eram adequadas nem computacionalmente escaláveis ​​para grandes bancos de dados atuais, como o banco de dados não redundante (nr) do Centro Nacional de Informações sobre Biotecnologia (NCBI) e não levavam em conta possíveis contaminações de bancos de dados entre outros fatores de confusão na inferência da idade genética. Por isso nos unimos a Josué Barrera-Redondo para criar GenEra (Barrera-Redondo et al. 2023), um invólucro em torno do alinhador de sequência de pares rápido e sensível DIAMOND v2 (Buchfink et al. 2021), o que reduziu o tempo de busca de meses para dias. Isto finalmente nos permitiu inferir a idade do gene em tempo hábil para qualquer genoma eucariótico, incluindo as espécies que usamos no estudo da ampulheta (Fucus serrátil, Fucus distichus, Ectocarpo sp., Laminária digitada e Saccorhiza poliscídeos).

Além disso, estendemos as funcionalidades dos pacotes R para transcriptômica evolutiva, como myTAI (Drost et al. 2018), para acomodar nossas análises. Funções novas e existentes no myTAI nos permitiram distinguir sinais evolutivos de ruídos aleatórios. Esperamos que estes esforços sejam úteis para a comunidade mais ampla interessada em fazer perguntas sobre evo-devo usando dados transcriptômicos.

O que vem a seguir na história?

É um momento emocionante para a pesquisa de algas marrons. Um estudo recente forneceu várias dezenas de conjuntos de genomas em grandes grupos de algas marrons (Denoeud et al. 2024). Além disso, a genética funcional é agora uma possibilidade para múltiplas espécies de algas marrons, alimentando descobertas recentes, como a evolução independente dos genes do domínio HMG como um fator determinante do sexo masculino (Luthringer et al. 2024). Há também um esforço para gerar dados transcriptômicos para compreender a evolução do tipo de célula e do tecido nas algas marrons, que também desenvolveram tipos de células e tecidos independentemente de outros eucariotos multicelulares complexos. Ainda há muito mais por vir!

Referências

Barrera-Redondo J, Lotharukpong JS, Drost HG, Coelho SM. 2023. Descobrindo eventos fundadores de famílias de genes durante grandes transições evolutivas em animais, plantas e fungos usando GenEra. Genoma Biol. 24:54.

Buchfink B, Reuter Ok, Drost HG. 2021. Alinhamentos de proteínas sensíveis em escala de árvore da vida usando DIAMOND. Nat. Métodos 18:366–368.

Denoeud F, Godfroy O, Cruaud C, Heesch S, Nehr Z, Tadrent N, Couloux A, Brillet-Guéguen L, Delage L, Mckeown D, et al. 2024. Genómica evolutiva do surgimento de algas castanhas como componentes-chave dos ecossistemas costeiros. :2024.02.19.579948. Disponível em: https://www.biorxiv.org/content material/10.1101/2024.02.19.579948v2

Drost HG, Gabel A, Liu J, Quint M, Grosse I. 2018. myTAI: transcriptômica evolutiva com R. Bioinformática 34:1589–1590.

Drost HG, Janitza P, Grosse I, Quint M. 2017. Comparação entre reinos da ampulheta de desenvolvimento. Curr. Opinião. Geneta. Dev. 45:69–75.

Duboule D. 1994. Colinearidade temporal e progressão filotípica: uma base para a estabilidade de um vertebrado Bauplan e a evolução das morfologias através da heterocronia. Desenvolvimento 1994:135–142.

Lotharukpong JS, Zheng M, Luthringer R, Liesner D, Drost HG, Coelho SM. 2024. Uma ampulheta transcriptômica em algas marrons. Natureza 635:129–135.

Luthringer R, Raphalen M, Guerra C, Colin S, Martinho C, Zheng M, Hoshino M, Badis Y, Lipinska AP, Haas FB, et al. 2024. Cooptação repetida de genes HMG-box para determinação de sexo em algas marrons e animais. Ciência 383:eadk5466.

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