L´origen de la multicel·lularitat en animals: una aproximació genòmica = The origin of multicellularity in animals: a genomic approach

Abstract

L’origen de la multicel·lularitat en animals és un esdeveniment clau en l’evolució que vingué acompanyat de canvis profunds en els genomes, la biologia cel·lular i el desenvolupament dels ancestres unicel·lulars dels animals. En aquesta tesi analitzo l’origen dels animals mitjançant genòmica comprada i filogenòmica, amb l’objectiu de reconstruir les innovacions que sustentaren la transició a la multicel·lularitat mitjançant anàlisis de genomes animals i els seus parents unicel·lulars dins del llinatge Holoza. Els nostres anàlisis filogenòmics han establert quatre clades d’holozous: Teretosporea (Corallochytrium limacisporum i protistes ictiosporis), Filasterea (2 amebes, incloent-hi Capsaspora owczarzaki) i Choanoflagellata (protistes flagel·lats, ocasionalment colonials), a banda dels metazous multicel·lulars. Aquest marc filogenètic ens ha permès d’explotar la genòmica comparada per tal d’assenyalar els canvis genòmics concrets que ocorregueren a l’origen dels Metazoa. Hem reconstruït el contingut gènic ancestral de la via de senyalització de l’ubiquitina— famílies gèniques involucrades en el marcatge post-traduccional de proteïnes—, les miosines i factors de transcripció homeobox. Aquests anàlisis revelen un estat continuat d’innovació en aquests sets gènics, mitjançant origen de gens de novo, diversificació de dominis proteics i paralogia – la qual cosa suggereix que l’Urmetazoa fou un organisme genèticament complex i que la coopció de gens jugà un paper clau en l’origen de la multicel·lularitat. En segon lloc, vàrem examinar l’evolució de l’arquitectura genòmica en els premetazous. Hem seqüenciat i analitzat els genomes de 6 ictiosporis (Creolimax fragrantissima, Chromosphaera perkinsii, Sphaeroforma arctica, Ichthyophonus hoferi, Abeoforma whisleri i Pirum gemmata) i C. limacisporum; i els hem comparat als altres holozous unicel·lulars (C. Owczarzaki i els coanoflagel·lats) i als animals. Anteriorment, s’havia establert l’origen premetazou de diversos gens amb funcions en la multicel·lularitat, com per exemple factors de transcripció relacionats amb el desenvolupament, o proteïnes d’adhesió cel·lular. En aquest estudi, expandim anteriors resultats i demostrem que l’arquitectura genòmica també passà per importants innovacions evolutives: a banda de la invenció i diversificació gènica a l’origen dels holozous, identifiquem processos de disrupció i establiment de sintènia, guany d’introns i expansions genòmiques en els llinatges uni i multicel·lulars. Finalment, correlacionem l’evolució de l’estructura gènica amb els modes de splicing alternatiu presents en animals i eucariotes. Identifiquem un codi de determinació dels patrons de splicing alternatiu que afecta la freqüència d’ús d’exons-casette, a la manera típica dels animals, en organismes unicel·lulars com els ictiosporis (amb genomes grans i densos en introns). En global, demostrem que la genòmica comparada i les reconstruccions ancestrals són una poderosa eina per als anàlisis evolutius: per un cantó permeten inferir la composició primària dels genomes ancestrals; i per l’altre permeten estudiar l’evolució d’altres fonts d’innovació genòmica com ara la regulació transcripcional.

The origin of multicellularity in animals is a hallmark event in evolution, that was accompanied by profound changes in the genomes, development and cell biology processes of the animal ancestors. I analyze the origin of animals from the point of view of comparative genomics and phylogenomics, aiming to reconstruct the innovations behind the transition to multicellularity by analyzing animals and their closest unicellular relatives within Holozoa. Our initial phylogenomic analyses established four holozoan clades: Teretosporea (Corallochytrium limacisporum and ichthyosporean protists), Filasterea (2 amoebas, including Capsaspora owczarzaki) and Choanoflagellata (flagellated protists, sometimes colonial), as well as multicellular Metazoa. Then, we used this robust phylogenetic framework in combination with comparative genomics, aiming to pinpoint the specific changes underscoring the origin of Metazoa. We reconstructed the ancestral gene contents were focused of the ubiquitin signaling tool-kit—gene families involved in post-translational protein modification—, myosin molecular motors and homeobox transcription factors. In pre-metazoan lineages, we uncovered a continued state of innovation in terms of de novo gene origin, protein diversification and paralogy – thus suggesting a genetically complex Urmetazoa, and a prominent role of gene co-option at the origin of multicellularity. Next, we aimed to examine genome architecture evolution in premetazoans. Thus, we sequenced and analyzed the genomes of 6 ichthyosporeans (Creolimax fragrantissima, Chromosphaera perkinsii, Sphaeroforma arctica, Ichthyophonus hoferi, Abeoforma whisleri and Pirum gemmata) and C. limacisporum; and compared them to other unicellular holozoans (C. owczarzaki and choanoflagellates) and animals. We uncovered the premetazoan origin of many genes with multicellularity-related functions, e.g. developmental transcription factors or cell adhesion proteins. Here we show that genome architecture evolution was equally innovative: the early burst of gene diversity in the holozoans was followed by episodes of synteny disruption, intron gain, and genome expansions in unicellular and multicellular lineages. Finally, we correlated the evolution of alternative splicing- based transcriptome regulation with exon/intron gene structure in holozoans. We unraveled a universal code of alternative splicing that determines the frequency of animal-like exon skipping profile in large, intron-dense ichthyosporean genomes. We demonstrate that comparative genomics and ancestral reconstructions constitute a powerful tool for evolutionary analysis of ancestral eukaryotes: not only it allows to uncover the primary composition of ancestral genomes; it can also fuel inferences regarding their transcriptomic regulation and the role played by non-genomic sources of evolutionary innovation.