Czynniki wzrostu fibroblastów (Fgfs) kodują małe białka sygnałowe, które pomagają regulować kształtowanie zarodka. Fgf dzielą się na siedem rodzin, w tym FgfD. Bezkręgowce mają pojedynczy gen FgfD; ssaki mają trzy (Fgf8, Fgf17 i Fgf18); a teleosty mają ich sześć (fgf8a, fgf8b, fgf17, fgf18a, fgf18b, i fgf24). Jakie są procesy ewolucyjne, które doprowadziły do strukturalnej duplikacji i funkcjonalnej dywersyfikacji genów FgfD podczas filogenezy kręgowców? kręgowców? Aby zbadać to pytanie, zbadaliśmy zachowane syntenie, wzorce ekspresji genów i dystrybucję konserwowanych elementów niekodujących (CNE) w genach FgfD ciernika i danio pręgowanego i porównaliśmy je z danymi pochodzącymi od cephalochordates, urochordates i ssaków. Analiza genomiczna sugeruje, że Fgf8, Fgf17, Fgf18 i Fgf24 powstały w dwóch rundach duplikacji całego genomu u podstawy kręgowców. podstawie promieniowania kręgowców; że duplikacje fgf8 i fgf18 wystąpiły u podstawy promieniowania teleostów; i że Fgf24 jest homologiem, który został utracony w linii ssaków. Analiza ekspresji sugeruje, że ancestralne subfunkcje podzielone między duplikaty genów i wskazuje na ewolucję nowych domen ekspresji. nowych domen ekspresji. Analiza CNE, z których przynajmniej niektóre są kandydatami na elementy regulatorowe elementów regulatorowych, sugeruje, że przodkowie CNE dzielili się między duplikatami genów. duplikatami genów. Wyniki te pomagają wyjaśnić ścieżki ewolucyjne, dzięki którym powstała rozwojowo ważna rodzina cząsteczek FgfD i wydedukowanych zasady, które kierowały ewolucją FgfD, prawdopodobnie mają zastosowanie do ewolucji regulacji rozwoju w wielu rodzinach multigenów kręgowców. --- Jednym z kluczowych odkryć projektów sekwencjonowania genomów kręgowców była identyfikacja wysoce konserwatywnych elementów niekodujących (CNE). Niektóre charakterystyka CNE obejmuje ich wysoką częstotliwość w genomach ssaków, ich potencjalną rolę regulacyjną w ekspresji genów i ich wzbogacenie w geny w pobliżu głównych genów rozwojowych. Nieprawidłowy rozwój komórek komórek grzebienia nerwowego (NCC) prowadzi do szerokiego spektrum wrodzonych wad rozwojowych, zwanych neurokrystopatiami i/lub predyspozycji do nowotworów. Tutaj dokonujemy przeglądu ostatnich odkrycia, że zakłócenia CNE, w obrębie lub w dużej odległości od sekwencji kodujących sekwencji kluczowych genów zaangażowanych w rozwój NCC, powodują neurokrystopatie poprzez zmianę specyficznej dla tkanki lub etapu długodystansowej regulacji ekspresji genów. ekspresji genów. Podczas gdy większość badań nad ludzkimi zaburzeniami genetycznymi koncentrowała się na sekwencjach sekwencjach kodujących białka, przykłady te sugerują, że badanie zmian genomowych zmian genomowych CNE zapewni szersze zrozumienie molekularnej etiologii zarówno rzadkich, jak i powszechnych wrodzonych wad rozwojowych u ludzi. --- Przedstawiamy dowody na istnienie mechanizmu utrzymywania konserwatywnej syntenii w genomach kręgowców. Stwierdziliśmy, że największe zachowane segmenty chromosomów ssaków i teleostów segmenty chromosomalne, które obejmują wysoce konserwatywne elementy niekodujące (HCNE), ich docelowe geny regulujące rozwój oraz filogenetycznie i funkcjonalnie niepowiązane geny "postronne". Geny pomocnicze nie są specjalnie pod kontrolą elementów regulatorowych, które napędzają geny docelowe i są wyrażane we wzorcach, które różnią się od wzorców genów docelowych. Wstawki reporterowe dystalnie do rozwojowych genów regulatorowych pax6.1/2, rx3, id1 i fgf8 oraz genów miRNA mirn9-1 i mirn9-5 odtwarzają wzorce ekspresji tych genów, nawet jeśli wzorce ekspresji tych genów, nawet jeśli znajdują się wewnątrz lub poza geny, sugerując, że domena regulacyjna rozwojowego genu regulacyjnego może rozciągać się na sąsiednie jednostki transkrypcyjne i poza nie. Określiliśmy te segmenty chromosomalne genomowymi blokami regulacyjnymi (GRB). Po duplikacji całego genomu u teleostów, GRB, w tym HCNE i geny docelowe, były często zachowane w obu kopiach, podczas gdy geny postronne były zwykle tracone z jednego GRB, co silnie sugeruje, że presja ewolucyjna działa na utrzymanie pojedynczej kopii GRB u wyższych kręgowców. Pokazujemy, że utrata genów pomocniczych i innych zdarzeń mutacyjnych, których doświadczyły zduplikowane GRB w genomach teleostów, pozwala na identyfikację genu docelowego i przypisanie HCNE/genu docelowego. Te odkrycia wyjaśniają brak ewolucyjnych punktów przerwania w dużych segmentach chromosomów kręgowców segmentów chromosomalnych kręgowców i pomogą w rozpoznaniu mutacji z efektem pozycji mutacji w ludzkich GRB. --- TŁO: Wszystkie kręgowce mają niezwykły stopień podobieństwa w rozwoju i podstawowych funkcjach komórek. rozwoju, a także w podstawowych funkcjach ich komórek. Pomimo tego, próby odkrycia elementów regulacyjnych w całym genomie zachowanych w całej linii kręgowców przy użyciu metod podobnych do BLAST do tej pory wykryły niekodującą w zaledwie kilkuset genach, głównie związanych z regulacją transkrypcji i rozwoju. transkrypcji i rozwoju. WYNIKI: Użyliśmy unikalnej kombinacji narzędzi, aby uzyskać regionalne globalne i lokalne wyrównania ortologicznych loci. Podejście to uwzględnia tasowanie regionów regulatorowych, które mogą wystąpić na odległościach ewolucyjnych większych niż te dzielące genomy ssaków. Podejście to ujawniło o jeden rząd rzędu wielkości więcej konserwatywnych elementów kręgowców niż wcześniej zgłoszono w ponad 2000 genów, w tym dużą liczbę genów znajdujących się w błonie i regionach zewnątrzkomórkowych. regionach zewnątrzkomórkowych. Nasza analiza wykazała, że 72% zidentyfikowanych elementów zostało poddanych tasowaniu. Przetestowaliśmy zdolność zidentyfikowanych elementów do transkrypcji w zarodkach danio pręgowanego i porównaliśmy ich aktywność z zestawem zestawem fragmentów kontrolnych. Odkryliśmy, że ponad 80% testowanych elementów było w stanie znacząco wzmocnić transkrypcję, głównie w sposób sposób odpowiadający domenie ekspresji sąsiedniego genu. sąsiedniego genu. WNIOSEK: Nasza praca wyjaśnia znaczenie tasowania w wykrywaniu elementów cis-regulacyjnych. elementów cis-regulacyjnych. Wyjaśnia również, w jaki sposób podobieństwa w linii kręgowców, które wykraczają daleko poza rozwój, można wyjaśnić nie tylko w dziedzinie genów kodujących, ale także w sekwencjach, które ostatecznie regulują ich ekspresję. które ostatecznie regulują ich ekspresję. --- Pan-kręgowców rozwojowe elementy cis-regulacyjne są rozróżnialne jako wysoce konserwowane elementy niekodujące (HCNE) i często są rozproszone na obszarach elementy niekodujące (HCNE) i często są rozproszone na dużych obszarach wokół plejotropowych genów, których ekspresję kontrolują. Na loci dwóch rozwojowych genów czynników transkrypcyjnych, SOX3 i PAX6, wykazujemy, że HCNE konserwowane między człowiekiem a danio pręgowanym mogą być systematycznie i niezawodnie testowane pod kątem ich funkcji regulacyjnej w wielu stabilnych transgenach u danio pręgowanego, a ich zasięg genomowy oszacowano z pewnością, wykorzystując zachowanie syntenii i gęstość HCNE wzdłuż tych loci. HCNE zarówno człowieka, jak i danio pręgowanego funkcjonują jako specyficzne wzmacniacze rozwojowe u danio pręgowanego. Pokazujemy, że ludzkie HCNE powodują we wzorcach ekspresji u danio pręgowanego równoważnych z tymi u myszy, ustanawiając zebrafish jako odpowiedni model do testowania na dużą skalę ludzkich wzmacniaczy rozwojowych. wzmacniaczy. Ortologiczne ludzkie i zebrafish enhancery przeszły funkcjonalną ewolucję ewolucję funkcjonalną w obrębie ich sekwencji i często kierowały pokrewnymi, ale nieidentycznymi wzorcami ekspresji. wzorcami ekspresji. Pomimo odległości ewolucyjnej wynoszącej 450 milionów lat, jeden pax6 HCNE kierował ekspresją w identycznych obszarach, porównując zebrafish i ludzkie HCNE. HCNE z tego samego obszaru często napędzają nakładające się wzorce, co sugeruje, że że do osiągnięcia solidnych i precyzyjnych złożonych wzorców ekspresji złożonych wzorców ekspresji wykazywanych przez geny rozwojowe. --- Konserwacja sekwencji była tradycyjnie wykorzystywana jako środek do ukierunkowania funkcjonalnych regionów złożonych genomów. Oprócz jego zastosowania w identyfikacji regionów kodujących genów, niedawna dostępność danych całego genomu dla kręgowców pozwoliła na analizy o wysokiej rozdzielczości niekodującej "ciemnej materii" genomu. Doprowadziło to do identyfikacji dużej liczby liczba wysoce konserwatywnych elementów sekwencji, które wydają się być zachowane we wszystkich kręgowców kostnych. Dalsza analiza pozycyjna tych zachowanych niekodujących elementów (CNE) w genomie pokazuje, że skupiają się one wokół genów zaangażowanych w regulację rozwoju. Niniejszy rozdział opisuje identyfikację i charakterystykę tych elementów, ze szczególnym uwzględnieniem ich skład i organizację. --- Porównania genomów ryb i ssaków okazały się skuteczne w identyfikowaniu zachowanych niekodujących elementów, które mogą mieć charakter cis-regulacyjny, a większość z nich tych testowanych in vivo wykazano, że działają jako specyficzne dla tkanki wzmacniacze związanych z genami zaangażowanymi w transkrypcyjną regulację rozwoju. Chociaż większość z tych elementów ma niewielką identyczność sekwencji, niewielka liczba niewielka liczba jest niezwykle podobna i wydaje się być produktem duplikacji zdarzeń. Tutaj szukaliśmy zduplikowanych konserwatywnych elementów niekodujących w genomie ludzkim genomie, używając porównań z Fugu, aby wybrać przypuszczalne sekwencje cis-regulacyjne. sekwencje. Zidentyfikowaliśmy 124 rodziny zduplikowanych elementów, z których każda zawierała od dwóch do pięciu członków, które są wysoce konserwatywne w genomach kręgowców i pomiędzy nimi. genomów kręgowców. W 74% przypadków byliśmy w stanie przypisać określony zestaw paralogicznych genów z adnotacjami odnoszącymi się do regulacji transkrypcji i/lub rozwoju do każdej rodziny, usuwając w ten sposób wiele niejasności w identyfikacji powiązanych genów. Stwierdziliśmy, że zduplikowane elementy mogą potencjalnie zwiększać ekspresję genów reporterowych w sposób specyficzny dla tkanki i że domeny ekspresji często nakładają się, ale niekoniecznie są identyczne, między członkami rodziny. Ponad dwie trzecie rodzin jest konserwowanych w duplikatach u ryb rybach i wydają się poprzedzać wydarzenia duplikacji na dużą skalę, o których uważa się, że wystąpiły u początków kręgowców. Proponujemy model, w którym duplikacja genów duplikacja genów i ewolucja elementów cis-regulacyjnych mogą być rozpatrywane w kontekście zwiększonej różnorodności morfologicznej i pojawienia się współczesnego planu ciała kręgowców. kręgowców. --- Genomowe bloki regulatorowe to regiony chromosomalne obejmujące długie skupiska wysoce konserwatywnych niekodujących elementów poświęconych dalekosiężnej regulacji genów rozwojowych, często unieruchamiając inne, niepowiązane geny w długotrwałe układy synteniczne. Synorth http://synorth.genereg.net/ jest zasobem internetowym służącym do odkrywania i kategoryzowania relacji syntenicznych w genomowych blokach regulacyjnych w wielu genomach, śledząc ich ewolucyjny los po duplikacji całego genomu teleostów duplikacji całego genomu na poziomie genomowych bloków regulacyjnych, poszczególnych genów i ich kontekstu filogenetycznego. --- Genomy Metazoan zawierają tablice wysoce konserwatywnych elementów niekodujących (HCNE) które obejmują rozwojowe geny regulatorowe i definiują domeny regulacyjne. Opisujemy opisujemy Ancora http://ancora.genereg.net, zasób internetowy, który zapewnia dane i narzędzia do badania genomowej organizacji HCNE dla wielu genomów. Ancora zawiera przeglądarkę genomu, która pokazuje lokalizacje HCNE i oferuje nowe wykresy gęstości HCNE jako potężne narzędzie do odkrywania rozwojowych genów regulatorowych i rozróżniania ich elementów regulacyjnych i domen.
Czy zachowane elementy niekodujące są powiązane z genami rozwojowymi?
Tak.  Liczne badania sugerują, że zachowane elementy niekodujące obejmują rozwojowe geny regulacyjne i definiują domeny regulacyjne.