Page 1

PENELITIAN Open Access Urutan genom dari bullhead Antartika notothen mengungkapkan adaptasi evolusioner untuk lingkungan yang dingin Seung Chul Shin 1 , Apakah Hwan Ahn 1,2 , Su Jin Kim 3 , Chul Woo Pyo 4 , Hyoungseok Lee 1 , Mi-Kyeong Kim 1 . Jungeun Lee 1 , Jong Eun Lee 5 , H William Detrich III 6 , John H Postlethwait 7 , David Edwards 8,9 , Sung Gu Lee 1,2 . Juni Hyuck Lee 1,2 dan Hyun Taman 1,2 * Abstrak Latar Belakang: ikan Antartika telah disesuaikan dengan perairan pembekuan Samudra Selatan. Adaptasi perwakilan untuk lingkungan yang keras ini antara lain respon heat shock konstitutif dan evolusi protein antibeku di darah. Meskipun adaptasi mereka untuk dingin, studi genome belum dilakukan pada ikan ini karena kurangnya genom sequencing. Notothenia coriiceps, yang dungu notothen Antartika, adalah endemik teleost ikan dengan distribusi sirkumpolar dan membuat model yang baik untuk memahami adaptasi genom untuk suhu di bawah nol konstan. Hasil: Kami menyediakan urutan rancangan genom dan penjelasan untuk N. coriiceps. Perbandingan genome analisis dengan genom ikan lain menunjukkan bahwa protein mitokondria dan hemoglobin berkembang pesat. Transkriptome analisis respon stres termal menemukan mekanisme respon alternatif untuk strategi evolusi dalam lingkungan yang dingin. Hilangnya tergantung fosforilasi motif sumoylation di heat shock factor 1 menunjukkan bahwa respon heat shock berkembang menjadi mekanisme regulasi fosforilasi-independen sederhana dan cepat. Cepat berkembang hemoglobin dan induksi respon kejutan panas dalam darah dapat mendukung pasokan yang efisien oksigen ke dingin diadaptasi mitokondria. Kesimpulan: Data dan Analisis kami menunjukkan bahwa strategi evolusi di efisien respirasi selular aerobik adalah dikendalikan oleh hemoglobin dan mitokondria protein, yang mungkin penting untuk adaptasi ikan Antartika untuk lingkungan mereka. Penggunaan data genom dari ikan endemik Antartika menyediakan sumber tak ternilai menyediakan bukti adaptasi evolusioner dan dapat diterapkan untuk penelitian lain ikan Antartika. Latar belakang Ikan Antartika telah mengalami evolusi yang luar biasa episode sejak pendinginan Samudra Selatan ke titik air laut (-1,9 C) beku sekitar 34 juta tahun lalu setelah pembukaan bagian Drake dan pembentukan arus Antartika melingkari, yang menyebabkan isolasi termal dan glaciation luas Antartika [ 1 , 2]. Khususnya di lingkungan ini, adaptasi terjadi termasuk glikoprotein antibeku gen yang berevolusi dari gen tripsinogen digandakan [ 3 -5], dingin-efisien mikrotubulus perakitan [6,7], kehilangan dari respon diinduksi heat shock [ 8 -10], dan perubahan fluiditas membran [ 11 ]. The Channichthyidae (Icefish putih berdarah) clade dari Notothenioids bahkan hilang hemoglobin fungsional, mioglobin, dan kemampuan untuk membuat sel darah merah [ 2 , 12,13]. Sejarah evolusioner episode dapat mungkin diterjemahkan dari eksplorasi genom ikan Antartika dan kompensasi mereka adaptasi dengan lingkungan pembekuan dekat-mereka. Perairan landas kontinen Antartika dan bagian atas kemiringan mengandung 222 spesies ikan dari 19 keluarga. Itu Notothenioids, kelompok perciform, account untuk 45,5% dari spesies [14 ]. Di lintang tinggi (71s-78S) embayments dari Ross dan Weddell Laut, Notothenioids mendominasi * Korespondensi: hpark@kopri.re.kr 1 Divisi Polar Life Sciences, Korea Polar Research Institute, Yeonsu-gu, Incheon 406-840, Korea Selatan 2 Polar Sciences, Universitas Sains & Teknologi, Yuseong-gu, Daejeon 305-333, Korea Selatan Daftar lengkap informasi penulis tersedia di akhir artikel 2014 Shin et al .; lisensi BioMed Central Ltd Ini adalah artikel Open Access didistribusikan di bawah ketentuan Creative Lisensi Atribusi Commons (ht tp: //creativecommons.org/licenses/by/4.0), yang memungkinkan penggunaan tak terbatas, distribusi, dan reproduksi dalam media apapun, asalkan karya asli dikreditkan dengan benar. Creative Commons Public Domain Dedikasi pengabaian ( http://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0/) a pplies dengan data yang tersedia dalam artikel ini, kecuali dinyatakan lain. Shin et al. Genome Biology 2014, 15: 468 http://genomebiology.com/2014/15/9/468

Halaman 2

Fauna ikan Antartika dan mewakili 77% dari spesies diver- sity. Ini akan menjadi 92% dari jumlah individu, dan 91% dari biomassa [1 5] . Sembilan puluh tujuh persen dari Antartika Ikan Notothenioid endemik [1 6]. coriiceps Notothenia (Richardson, 1844) adalah salah satu ikan Antartika utama untuk Studi adaptasi di Samudera Selatan [3 , 1 7-19]. N. coriiceps sangat berlimpah di perairan Antartika dekat pantai dan mungkin memiliki distribusi circumantarctic [ 20 ]. Di sini kita membahas sequencing dan analisis genom dari Antartika dungu notothen, N. coriiceps, dan laporan tran- analisis scriptome dari percobaan RNA-seq dilakukan untuk mengeksplorasi tantangan suhu terlibat dalam dingin diadaptasi evolusi. Kami sequencing genom dari Antartika dungu notothen, N. coriiceps, menerapkan seluruh genom pendekatan senapan untuk total 84,5 cakupan untuk yang Diperkirakan ukuran genom dari 637 Mb untuk memahami ini mekanisme evolusi. Laporan ini menerangi evolusioner tionary lintasan beberapa ciri kehidupan-sejarah besar ini Ikan Antartika, memberikan petunjuk penting untuk ekologi dan studi populasi yang dirancang untuk mengatasi masalah dari Antartika biota, dan memberikan kontribusi genom referensi untuk digunakan di masa depan studi banding adaptasi Antartika. Hasil Urutan dan perakitan Kami sequencing DNA genomik diekstraksi dari satu Coriiceps Notothenia dikumpulkan di Antartika Utara Peninsula. Kami menggunakan tiga platform sequencing: Illumina HiSeq2000, GS-FLX, dan Pacbio RS dengan cakupan 78,6 , 2.0 , dan 3,9 masing-masing. Rakitan hibrida awal dilakukan dengan menggunakan Celera Assembler dengan Illumina singkat membaca dan 454 berbunyi [2 1] (file tambahan 1: Tabel S1 dan S2). Sebanyak 25.794 kesenjangan perakitan dipenuhi Illumina membaca dan kesalahan-dikoreksi panjang terus menerus berbunyi (CLR) yang dihasilkan dari Pacbio RS [ 22 , 23] (file tambahan 1: Tabel S3 dan tambahan berkas 2: Gambar S1). Sebanyak 18.400 kesenjangan dipenuhi Illumina membaca menggunakan Gapfiller (Ver. 1.9) dan 7394 kesenjangan ditutup dengan CLR membaca menggunakan PBjelly (Ver. 12.9.14). Perakitan akhir terdiri dari 38.062 perancah yang terdiri 100.606 contigs mencakup 637 Mb dengan sisa celah tertutup dari sekitar 13,1 Mb (2,1% dari urutan perancah total). Untuk memvalidasi keakuratan perakitan akhir dari perancah, kami sequencing dan dirakit kromosom buatan bakteri (BAC) klon menggunakan GS-FLX. Enam sequencing BAC klon yang selaras dengan perancah, dan 99% dari Total klon BAC yang identik dengan perancah dirakit (File tambahan 2: Gambar S2). Perakitan akhir memiliki N50 ukuran contig dari 11,6 Kb dan ukuran perancah N50 dari 219 Kb, dan perancah terbesar adalah 28 Mb (Tabel 1) . Genom penjelasan Untuk prediksi gen, kami menggunakan 36 Gb RNA sequencing data dari tujuh jaringan (otak, kulit, telur, ginjal, otot, perut, dan darah) dan 300 Mb kesalahan dikoreksi CLR dari tiga jaringan (telur, kulit, dan otot) (file tambahan 1: Tabel S4 dan S5), dan pipa MAKER penjelasan Pendekatan menggunakan kedua metode initio berbasis bukti dan ab [ 24 ] menghasilkan satu set gen akhir 32.260 protein-coding gen. Sebanyak 29.045 dari gen protein-coding yang ditugaskan fungsi awal dengan BLASTp, dan kita bisa menetapkan Gene Ontologi (GO) istilah untuk 19.556 (60,57%) gen diprediksi berdasarkan hasil BLASTp dan InterproScan, meliputi proses biologis (14.602 (45,22%)), komponen seluler (12.511 (38,75%)), dan molekul fungsi (15.972 (49,47%)) (file tambahan 2 : Gambar S3). Komisi enzim (EC) diperoleh untuk 3465 protein (File tambahan 1: Tabel S6 dan S7). Gen Beranotasi terkandung rata-rata 6.65 ekson, dengan rata-rata mRNA panjang 1.478 bp dan CDS panjang 1.063 bp. The de novo prediksi berulang menunjukkan bahwa urutan berulang menyumbang untuk 18,15% dari N. dirakit genom coriiceps (Tambahan fil e 1: Tabel S8) dan 529 tRNA juga diprediksi (file tambahan 1 : Tabel S9). Evolusi keluarga gen di N. coriiceps Keluarga gen adalah kelompok gen homolog yang memiliki struktur yang sangat identik dan fungsi yang sama. Keluarga-keluarga ini bervariasi dalam laba atau rugi gen, membuat ukuran yang berbeda antara keluarga gen melalui evolusi [ 25 -27]. Untuk mengidentifikasi evolusi N. gen coriiceps keluarga, kami meneliti perbedaan ukuran antara 18.131 gen keluarga dengan setidaknya dua gen di enam ikan bunga (Danio rerio, Gasterosteus aculeatus, Takifugu rubripes, Tetraodon nigroviridis, Gadus morhua, dan N. coriiceps) (Gambar 1A dan B). Kami mampu mengidentifikasi jumlah terbesar dari kontraksi keluarga gen (5495 keluarga gen) dan penurunan rata-rata (0,344), yang berarti jumlah gen yang hilang per keluarga, di N. coriiceps keturunan. Silsilah D. rerio memiliki terbesar jumlah ekspansi keluarga gen (4715) antara ini enam ikan. Dalam pendekatan kemungkinan untuk mempelajari keluarga gen evolusi, keluarga gen berkembang pada tingkat yang signifikan keuntungan dan kerugian dari genom rata lebar bisa menunjukkan ekspansi atau kontraksi yang lebih tinggi [27 ]. Dari 18.131 keluarga gen, 82 menunjukkan ekspansi yang signifikan atau kontraksi antara enam ikan pada P