Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 7341
Phylogenomic and functional analyses of enhancer
evolution of sonic hedgehog paralogs
Background
Cis-regulatory modules (CRM) of developmental genes are targets of evolutionary
changes that underlie morphological diversity of animals (Carroll et al. 2000).
Due to our lack of knowledge of the “grammar” of transcription
factor/CRM interactions, still little is known about the molecular mechanisms
that underlie the changes that take place in the CRMs of genes, particularly
after gene and genome duplications.
To this end,
we investigated the ar-C midline enhancer of sonic hedgehog (shh)
orthologs and paralogs of distantly related vertebrate lineages from fish to
human including the basal vertebrate Latimeria.
Results
We demonstrate that the shh
paralog tiggy winkle hh genes of fishes have a modified ar-C enhancer which
specifies a diverged function at the embryonic midline. We have identified
several conserved motifs indicative of putative transcription factor binding
sites by a local alignment of ar-C enhancers of numerous vertebrate sequences.
To trace the evolutionary changes among paralog enhancers phylogenomic
reconstruction was carried out and lineage-specific motif changes were
identified. The relevance of the motif composition to observed developmental
differences was studied through transgenic functional analyses. Altering and
exchanging motifs between paralog enhancers resulted in the reversal of
enhancer specificity in the floor plate and notochord.
Conclusions
By functional analysis of shh paralog enhancers a
reconstruction model for enhancer divergence during vertebrate evolution was
developed. Our model suggests that the identified motifs of the ar-C enhancer
function as binary switches responsible for specific activity between midline
tissues and that these motifs are adjusted during functional diversification of
paralogs. The unravelled motif changes can also account for the complex
interpretation of activator and repressor input signals within a single
enhancer.
Phylogenomische
und funktionelle Analyse der Enhancerevolution von sonic hedgehog
Paralogen
Zusammenfassung
Hintergrund
Cis-regulatorische Module (CRM) entwicklungsspezifischer Gene sind Ziel
evolutionärer Veränderungen, die der morphologischen Vielfalt von Tieren
zugrunde liegen (Carroll et al. 2000). Aufgrund des fehlenden Wissen über die
„Grammatik“ der Interaktion von Transcriptionsfaktoren mit CRMs ist
immer noch wenig über die molekularen Mechanismen bekannt, denen diese
Veränderungen in CRMs unterliegen, besonders im Hinblick auf die Duplikation
von Genen bzw. Genomen. Wir haben daher den ar-C Mittellinie Enhancer von sonic
hedgehog (shh) Orthologen und Paralogen entfernter Abstammungslinien vom
Fisch bis zum Mensch inklusive des ursprünglichen Vertebraten Latimeria auf
diese Mechanismen hin untersucht.
Ergebnisse
Wir konnten zeigen,
dass das shh paralog tiggy winkle hedgehog in Fischen einen modifizierten ar-C
Enhancer besitzt, der eine abweichende Funktion in der embryonalen Mittellinie
aufweist. Weiterhin konnten wir durch lokale Sequenz-Alignments von ar-C Enhancern
verschiedener vertebrater Spezies mehrere konservierte Motive identifizieren,
die auf Bindestellen für Transkriptionsfaktoren hinweisen. Um die evolutionären
Veränderungen innerhalb paraloger Enhancer zu verfolgen, wurden phylogenomische
Rekonstruktionen durchgeführt und abstammungsspezifische Veränderungen in den
Motiven identifiziert. Die Relevanz der Motivzusammensetzung im Vergleich zur
beobachteten Veränderung in der Entwicklung, wurde anhand funktioneller
Analysen in transgenen Zebrafischen studiert. Die Veränderung und der Austausch
von paralogen Enhancern führte zu einer Umkehrung der Spezifität des Enhancers
in der Bodenplatte und des Notochords.
Schlussfolgerung
Durch die funktionelle
Analyse von paralogen shh Enhancern konnte ein rekonstruierendes Modell zur
Divergenz von Enhancern in der Evolution der Vertebraten entwickelt werden.
Unser Modell legt den Schluss nahe, dass die identifizierten Motive des ar-C
Enhancers als binäre Schalter fungieren, verantwortlich für die spezifische
Aktivität zwischen Mittellinie Geweben und dass diese Motive während der
funktionellen Diversifizierung der Paraloge angepasst wurden. Die aufgedeckten
Motivänderungen könnten auch auf die komplexe Interpretation von Aktivator und
Repressor Eingangssignalen innerhalb eines einzigen Enhancers hinweisen.
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