Deconstruction of the cardiopharyngeal gene regulatory network in appendicularians, a paradigmatic study of Oikopleura dioica as an evolutionary knockout model

Autor/a

Ferrández Roldán, Alfonso

Director/a

Cañestro García, Cristian

Garcia Fernández, Jordi

Tutor/a

Garcia Fernández, Jordi

Data de defensa

2021-02-22

Pàgines

221 p.



Departament/Institut

Universitat de Barcelona. Departament de Genètica, Microbiologia i Estadística

Resum

The bloom of genomic data has revealed a vast amount of gene losses across all life kingdoms. However, the impact of gene loss on the evolution of the mechanisms of embryo development remains an important challenge. In this work, we have used the successful gene loser Oikopleura dioica, to study the impact of gene loss on the evolution of the cardiopharyngeal gene regulatory network (GRN), and we have extrapolated our results to decipher the ancestral condition of tunicates as free-living or sessile, a hot topic of discussion. To address this question, we have searched for gene losses by combining best reciprocal blast hit (BRBH) with exhaustive phylogenetic reconstructions of the gene family of interest. We have also performed expression analyses of the present orthologs to test for their cardiac function as well as, in the case of lost orthologs, with paralogs trying to detect potential events of function shuffling. Finally, we performed functional analyses by inhibiting the FGF and BMP signaling pathways and started the implementation of a microinjection facility for future functional analyses by gene targeting. Our results show a clear deconstruction of the cardiopharyngeal GRN with the loss of many genes (Mesp, Ets1/2a, Gata4/5/6, Mek1/2, Tbx1/10, and RA- and FGF-signaling related genes) and cardiac subfunctions (FoxF, Islet, Ebf, Mrf, Dach, and Bmp signaling) crucial for cardiopharyngeal development in ascidians and vertebrates. All these losses have led to the dismantling of two genetic modules related to the maintenance of multipotency in the cardiopharyngeal precursors. This has been accompanied by the loss of the second heart field and pharyngeal muscles in appendicularians, which has been phenotypically translated into an open bilaminar heart with an accelerated development compared to the tubular heart present in the rest of chordates. The deconstruction of the cardiopharyngeal GRN in appendicularians can therefore be interpreted as an evolutionary adaptation to the transition from a sessile to a free-living lifestyle based on the innovation of the filter-feeding house. Therefore, our results show O. dioica as a paradigmatic example of the advantages of using species that along their evolution has lost many genes (evolutionary knockout models, eKO) to better understand the evolution of GRNs, mechanisms of embryo development, or any physiological adaptation in the absence of any given gene of interest.

Paraules clau

Genètica; Genética; Genetics; Embriologia; Embriología; Embryology; Biologia del desenvolupament; Biología del desarrollo; Developmental biology; Evolució; Evolución; Evolution; Adaptació (Biologia); Adaptación (Biología); Adaptation (Biology)

Matèries

575 - Genètica general. Citogenètica general. Immunogenètica. Evolució. Filogènia

Àrea de coneixement

Ciències Experimentals i Matemàtiques

Nota

Programa de Doctorat en Genètica

Documents

AFR_PhD_THESIS.pdf

60.95Mb

 

Drets

ADVERTIMENT. Tots els drets reservats. L'accés als continguts d'aquesta tesi doctoral i la seva utilització ha de respectar els drets de la persona autora. Pot ser utilitzada per a consulta o estudi personal, així com en activitats o materials d'investigació i docència en els termes establerts a l'art. 32 del Text Refós de la Llei de Propietat Intel·lectual (RDL 1/1996). Per altres utilitzacions es requereix l'autorització prèvia i expressa de la persona autora. En qualsevol cas, en la utilització dels seus continguts caldrà indicar de forma clara el nom i cognoms de la persona autora i el títol de la tesi doctoral. No s'autoritza la seva reproducció o altres formes d'explotació efectuades amb finalitats de lucre ni la seva comunicació pública des d'un lloc aliè al servei TDX. Tampoc s'autoritza la presentació del seu contingut en una finestra o marc aliè a TDX (framing). Aquesta reserva de drets afecta tant als continguts de la tesi com als seus resums i índexs.

Aquest element apareix en la col·lecció o col·leccions següent(s)