BMC Biology, 2007; 5: 1-1 (más artículos en esta revista)

Los vertebrados phylotypic etapa y una pronta bilaterian relacionados con la etapa de la embriogénesis del ratón se define por la información genómica

BioMed Central
Naoki Irie (naokir@frontier.kyoto-u.ac.jp) [1], Atsuko Sehara-Fujisawa (asehara@frontier.kyoto-u.ac.jp) [1]
[1] Departamento de Crecimiento Reglamento del Instituto de Ciencias Médicas de la Frontera, Universidad de Kyoto, Kawahara-cho 53, Shogo-in, Kyoto 606-8507, Japón

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Resumen
Fondo

Los embriones de vertebrados diferentes taxonómicamente se cree que pasan por una fase en la que se asemejan entre sí morfológicamente. Esta "fase de vertebrados phylotypic" pueden representar el órgano básico de vertebrados plan que se estableció en el ancestro común de vertebrados. Sin embargo, sigue siendo una gran controversia acerca de cuándo la etapa phylotypic parece, y si aún existe. Para superar las limitaciones de los estudios morfológicos sobre la base de comparación, hemos explorado un método cuantitativo para la definición de la etapa limitada utilizando etiqueta secuencia expresada (EST) de datos, ontologías de genes (GO), y dispone de los genomas de varios animales. Si fuerte de desarrollo se producen durante la etapa de phylotypic embriones de vertebrados, entonces los genes conservan entre los vertebrados sería altamente expresado en esta etapa.

Resultados

Hemos creado un nuevo método para evaluar el carácter ancestral de las fases embrionarias de ratón que no depende de la morfología comparativa. El numérica "ancestro índice" reveló que el ratón tiene un efecto, muy conservadas en el período embrionario de embriones 8.0-8.5 días, el tiempo de aparición del arco faríngeo y somites. Durante este período, el ratón prominente expresa GO-determinará los genes de desarrollo compartido entre los vertebrados. Similar análisis reveló la existencia de un bilaterian relacionados con el período durante el cual determinará GO-genes de desarrollo compartido entre bilaterians son claramente expresadas en la división a la gastrulación. Los genes asociados con la etapa phylotypic identificados por la aplicación de este método son esenciales en la embriogénesis.

Conclusión

Nuestros resultados demuestran que a mediados de los embrionario del ratón es muy limitada, lo que apoya la existencia de la phylotypic etapa. Por otra parte, este candidato etapa es precedida por una supuesta bilaterian antepasado relacionados con el período. Estos resultados no sólo apoyar el modelo de desarrollo reloj de arena, sino también de relieve el aspecto jerárquico de la embriogénesis propuesto por von Baer. Identificación de las etapas y conserva los tejidos de este método en diversos animales sería una poderosa herramienta para examinar la hipótesis phylotypic etapa, y para comprender que tipo de eventos y el desarrollo conjuntos de genes evolutivamente son limitados y la forma en que el límite de las posibles variaciones de los animales básicos de los planes de órgano .

Fondo

Embriología comparativo de los distintos grupos de animales ha sugerido la idea de una etapa conserva en la embriogénesis. En 1828, Karl von Baer fue el primero en describir las leyes revolucionarias de los animales, el desarrollo [1], inferir que la última etapa de la embriogénesis de los organismos relacionados, los menos se asemejan entre sí [1, 2]. Este "modelo de progresiva divergencia" fue impugnada por Seidel, Sander, y Elinson [3 - 5], que señaló que las primeras etapas de desarrollo (tales como los esquemas de división) tienen relativamente divergentes patrones morfológicos entre las especies, por lo que no siempre encajan la regla. Hoy en día, la versión revisada de las disposiciones legales, el llamado "modelo de reloj de arena" [6] o el "huevo temporizador modelo" [7], es ampliamente aceptada [4, 8], y el cuello de botella etapa, lo que representa el máximo de semejanza entre diferentes vertebrados, se conoce comúnmente como la "etapa phylotypic" [9]. Sin embargo, sigue siendo una gran controversia acerca de cuándo la etapa parece phylotypic; Ballard propuso por primera vez la fase pharyngula [10] como la phylotypic etapa, mientras que Wolpert propuso la segmentación temprana somite etapa [11], y de holgura, el tailbud etapa [12]. Por otra parte, unos detallados estudios morfológicos han arrojado dudas sobre la existencia de un phylotypic etapa [13, 14]. Estos problemas se deben principalmente a la dificultad en la evaluación de conservación o etapas de desarrollo limitado por semejanza morfológica. En particular, heterochrony, o variaciones en la tasa relativa o el calendario de eventos de desarrollo (por ejemplo, la formación de arco faríngeo y somitogenesis comenzar casi al mismo tiempo en el ratón, pero somitogenesis comienza a principios de pez cebra), hace que sea extremadamente difícil concluir que fase embrionaria es la etapa de vertebrados phylotypic [15]. El problema de heterochrony nos impide concluir si cada vertebrados realmente tiene un phylotypic etapa, y si los rasgos morfológicos están asociados con el escenario.

Los recientes avances en biología del desarrollo ha puesto de manifiesto marcadas similitudes de los mecanismos moleculares de la morfogénesis en bilaterians, dando lugar a la "zootype" hipótesis [12]. El zootype se define por un patrón común de la expresión de genes Hox entre bilaterians, y se considera que se mostrará más claramente en la fase phylotypic. Tomamos nota, sin embargo, conserva muchos genes distintos de Hox también están involucrados en el desarrollo animal, de manera global la evaluación de estos genes se debería incluir una definición más precisa de zootype. Además, el hecho de que los que se expresan de otra manera durante el desarrollo entre bilaterians nos impide concluir qué fase se encuentra zootype relacionados con la limitada. Recientemente, a través del ratón y la información sobre el genoma humano, Hazkani-Covo et al. evaluó la proteína distancias de cada gen expresado durante la embriogénesis del ratón para mostrar la existencia de los vertebrados phylotypic etapa [16]. A pesar de que no podía especificar la fecha de celebración del phylotypic etapa, que planteó la posibilidad de un genoma enfoque basado en el examen de la etapa phylotypic hipótesis. En este sentido, trató de desarrollar un nuevo método para evaluar el carácter evolutivo ancestral de cada fase embrionaria amplia y cuantitativamente, sin necesidad de usar comparativo de la morfología, pero en lugar de evaluar la expresión de genes conservados. Al utilizar este método, hemos abordado dos cuestiones. En primer lugar, pregunta si el embrión de ratón realmente pasa por una etapa muy limitada que esté de acuerdo con los vertebrados phylotypic etapa hipótesis. En segundo lugar, pregunta si el reloj de arena modelo podría ampliarse para cubrir la embriogénesis de vertebrados como miembros de la bilaterians, en otras palabras, si los vertebrados pasan por etapas conservan entre bilaterians.

Resultados y discusión
Estimación de la naturaleza ancestral de la embriogénesis del ratón

Sobre la base de que los vertebrados phylotypic etapa debe expresar la más alta proporción de genes concebible que existían en los vertebrados ancestrales, o genes de vertebrados (ver Métodos y Figura 1 para la definición de los genes de vertebrados, también ver el archivo adicional 1: clasificación taxonómica de homólogos de ratón proteínas los genes codificantes de acuerdo a rango taxonómico.), hemos establecido los siguientes índices:

Índice de Vertebrados antepasado en etapa de desarrollo k k = V / N k

Cuando V k: número de no-redundante de Vertebrados genes expresados en la etapa k; N k: número de no-redundante total de genes expresados en la etapa k.

Del mismo modo, los análisis con Bilaterian, Chordate, tetrápodos, y Amniote genes también revelan la naturaleza de cada fase embrionaria en un contexto taxonómico (ver Métodos para la definición de genes conservados).

Para analizar los índices antepasado de las etapas embrionarias de ratón, ratón recogidos conjuntos de genes a partir de la base de datos Ensembl [17] y los perfiles de expresión génica de las etiquetas de secuencia expresada Database (dbEST) [18], y consideró un gen que se "expresó" si la correspondiente UniGene [19] ID estuvo presente en ninguno de los clasificados EST bibliotecas. EST bibliotecas categorizada para cada etapa se enumeran en el cuadro 1. Por otra parte, para hacer este análisis tolerante a la fluctuación en el calendario de las etapas embrionarias, que tomó ventaja de avanzar grupo de análisis (similares a las conocidas "media móvil de análisis" técnica) para calcular el índice de antepasado de dos etapas secuenciales:

Vertebrados antepasado índice agrupado en fase V k = k, k +1 / N k, k +1

Cuando V k, k +1: número de no-redundante de Vertebrados genes expresados en la etapa k o k +1; N k, k +1: número de no-redundante total de genes expresados en la etapa k o k +1.

Con estos métodos, se calculó la bilaterian, chordate, vertebrados, tetrápodos, y amniote antepasado índices (Figura 2A-E].

Lo que inicialmente nos sorprendió fue la aparición de un pico a principios agrupados en torno a las etapas 4 a 10 de los análisis de Bilaterian y Chordate genes (Figura 2A, B]. En términos generales el análisis evaluó también apoya esta tendencia, tanto los primeros (etapas 2-7) y medios de embriones períodos (etapas 11-18) tienen significativamente mayores índices antepasado que a fines del período (etapas 25-31). El prominente antepasado índices más altos se muestra en la Figura 2A, B, indican la existencia de novela, bien conservado etapas concebible el desempeño de las características bilaterians en torno a la división de blástula etapas en la embriogénesis del ratón.

Vertebrados phylotypic etapa en la embriogénesis del ratón

Estamos próximos antepasado índices calculados para buscar un putativo phylotypic etapa en la embriogénesis del ratón. En contraste con la bilaterian y chordate antepasado índices, vertebrados, tetrápodos, y amniote antepasado índices no mostraron picos prominentes (Figura 2C-E. En lugar de ello, obtuvo débilmente en horas pico curvado gráficos agrupados en torno a las etapas 8 a 18 (Figura 2C-E], que abarca el presunto períodos de los vertebrados phylotypic etapa propuesta por los estudios morfológicos comparativos (como el pharyngula etapa [10], los principios de segmentación somite etapa [11], y la etapa tailbud [12]]. Es importante destacar que el índice de vertebrados ancestro de la mediados del período embrionario fue significativamente más altos que los de los primeros y últimos períodos de embriones (Figura 2C], como también se observa en los tetrápodos y amniote antepasado índices (Figura 2D, E]. Todas estas curvas (Figura 2C-E] fueron significativamente diferentes de los obtenidos y se muestra en la Figura 2A, B (P <0,001; ver Métodos para la evaluación del índice de distribución antepasado).

Si fuéramos a ver el cuerpo plan y patrones morfológicos como lecturas de los programas genéticos para el desarrollo, entonces el antepasado índices calculados para los genes de desarrollo que afinar nuestra comprensión de la conservación de las etapas entre el 8 y el 18. En este supuesto, nos centramos en los genes del ratón de desarrollo definidos en la base de datos de ontología de genes (véase Métodos para la definición de los genes de desarrollo) para obtener antepasado índices de cada una de las fases. El antepasado más alto índice se produjo a agruparse etapa 14 (etapas 14-15), y fue significativamente más altos que los valores de los principios y finales de embriones períodos (Figura 2H-J]. Picos similares en vertebrados, tetrápodos, y amniote antepasado índices indican que E8.0-8,5 ha sido la etapa más conservado durante la evolución de los vertebrados. Además, el punto álgido de la amniote antepasado agrupadas en el índice etapa 14 (Figura 2J] indica que estas etapas expresar la menor proporción de genes de desarrollo más reciente. A la luz del reciente informe que los nuevos genes que tienden a evolucionar más rápido que los genes mayores [20], el E8.0-8,5 período es el más inalterablemente genéticamente o contiene la más fuerte de desarrollo en la embriogénesis del ratón. De este modo, nuestro análisis con los genes de desarrollo revelan que la embriogénesis del ratón en efecto, ha conservado una etapa característica ancestral de los vertebrados, concebible en torno al E8.0 a E8.5 (el período de inicio de la faringe y la formación de arco somitogenesis), que está de acuerdo con los conceptos de una etapa de vertebrados phylotypic [6]. En particular, muchos de los ratones con mutaciones en los genes de vertebrados de desarrollo expresadas en los vertebrados putativo phylotypic etapa han mortales o sistémicos de fenotipos: embrionarias o fenotipos letal perinatal (52%) y anormal de los fenotipos nervioso (33%), craneofaciales (14% ), Cardiovasculares (24%), respiratorias (12%), o esqueléticas (18%) sistema (véase la disposición 2: Mutant fenotipos de vertebrados de desarrollo genes expresados en la etapa phylotypic). De este modo, muchos de estos productos génicos pueden ser factores críticos para la definición fundamental características morfológicas de los embriones. Esta información, a su vez, implica que las mutaciones de los genes de desarrollo expresadas en la etapa phylotypic putativo no son fáciles de alojados, que también apoya la idea de que esta etapa tiende a ser conservadas evolutivamente.

Existencia de bilaterian relacionados con la etapa

Bilaterian y chordate antepasado índices calculados con los genes de desarrollo mostraban patrones de nuevo significativamente diferentes de los genes de vertebrados (Figura 2F, G vs 2H-J, P <0,001), con sus más altos valores agrupados en las etapas 3 y 10. Al igual que en los resultados obtenidos con el genoma a nivel de análisis, tanto de estos picos son anteriores a los vertebrados putativo phylotypic etapa, que abarca desde el período de división del inicio de la gastrulación (Tabla 1]. Estos resultados sugieren que este período embrionario temprano lleva el cuerpo básico de bilaterians plan (es decir, bilateralmente simétrico), lo que la convierte en "bilateriotypic". La expresión génica de información Ciona intestinalis embriogénesis además nos permitió comprobar la existencia de la supuesta bilaterian relacionados con la etapa de este organismo en la etapa embrionaria temprana (véase el archivo adicional 3: antepasado índices obtenidos de genes expresados durante la embriogénesis Ciona intestinalis). El valor más alto de bilaterian antepasado índices de genes expresados durante C. intestinalis embriogénesis ocurrió en la etapa de división, y fue significativamente más alto que el índice de ancestro de la última fase embrionaria (combinado de datos de expresión de larvas y juveniles etapas). Sin embargo, no hemos podido obtener pruebas en el nivel de "genes del desarrollo" debido a la escasez de ontologías de genes asociados con C. intestinalis genes.

Conclusión

Hemos desarrollado un método cuantitativo para evaluar evolutivamente limitado durante las etapas del desarrollo de cada uno de los embriones. Nuestros resultados muestran que efectivamente la embriogénesis del ratón pasa por una etapa muy limitados, como el reloj de arena modelo implica, a mediados de los años del período embrionario (E8.0-8.5). También muestran que la etapa puede ser la más conservada del desarrollo desde la etapa de evolución de los vertebrados ancestrales, lo que lo hace un candidato para el phylotypic etapa. En particular, presenta las principales características de la etapa phylotypic propuesto por los estudios morfológicos: pharyngula etapa [10], a principios de segmentación somite etapa [11], y tailbud etapa [12]. En la etapa pharyngula, los animales deben contener una serie de pares de ranuras branquiales, un notochord, un puesto de cola-anal, y un hueco del nervio dorsal del cordón. En ratones, maxilar componentes del 1er arco branquial convertido en prominente en alrededor de E8.0. El 3er arco branquial está todavía ausente cuando mandibular componentes aparecen en torno a E8.5. La primera somite aparecen en pares E8.0, y 8 a 13 somite pares se encuentran en E8.5. El tailbud etapa es E9.5-10,5, a más tardar el pharyngula y principios de segmentación somite etapas. De este modo, el período de E8.0-8,5 se corresponde con el inicio de la etapa pharyngula y los principios de segmentación somite etapa en ratones. Sin embargo, las características exactas de la phylotypic etapa no puede ser celebrado de nuestros resultados, como debería ser común a todos los embriones de vertebrados. Nuestro método será una herramienta de gran alcance para la comparación entre los diversos vertebrados. En contraste con los estudios morfológicos que evaluar las limitaciones del desarrollo cualitativo de similitud morfológica entre los embriones, nuestro genoma basado en el método de desarrollo evalúa cuantitativamente en una sola especie. Este último punto es especialmente importante para las pruebas de la fase phylotypic hipótesis: la aplicación de este método nos permite definir limitada o conservadas etapas en cada organismo, y por lo tanto, para comparar los datos entre los distintos embriones de vertebrados. Este enfoque permitiría aclarar el desarrollo común y eventos conjuntos de genes que caracterizan la etapa phylotypic (por ejemplo, o si no se disocian somitogenesis [21] de la etapa).

Además, nuestros resultados sugieren la existencia de una bilateriotypic etapa dentro de la división de gastrulación período de embriogénesis del ratón, y la posible conservación de esta etapa en C. intestinalis. Estos resultados demuestran que, si bien el período temprano de desarrollo (por ejemplo, la división) es relativamente modificables en un tiempo evolutivo escala en comparación con el phylotypic etapa, la división a la gastrulación período aún conserva características muy ancestrales. Sobre la base de esta perspectiva, proponemos que la embriogénesis del ratón posee dos, hourglasses anidadas, y los vertebrados bilaterian. Estos hourglasses puede representar dos principales limitaciones del desarrollo evolutivo de distintos pasados - ancestros de los vertebrados y bilaterians - en la embriogénesis del ratón. Esta versión ampliada del modelo de desarrollo reloj de arena una vez más en tela de juicio la, naturaleza jerárquica de la embriogénesis propuesto por von Baer, aunque en parte: "Características generales comunes a un gran grupo de animales que aparecen antes en el embrión que las características especializadas". Similares y nuevos análisis en diversos animales serán necesarios para comprobar dicho modelo, para explicar cómo la bilateriotypic período definido de nuestro análisis está relacionado con la "zootype" hipótesis propuesta por Slack [12], y para aclarar algunos aspectos de la división período compartida entre bilaterians [22]. Completa de la expresión génica de datos de diversos animales (por ejemplo, peces, aves, anfibios, insectos, nematodos, y afuera los animales) y el ulterior desarrollo de ontología de genes (GO) las bases de datos hacen de este tipo de análisis más eficaz y definitiva.

Definición de las etapas conservadas y extraer genes de nuestro método sería una herramienta poderosa para responder a qué tipo de eventos y desarrollo conjuntos de genes evolutivamente son limitados. La información que a su vez ayudaría a explicar cómo se conserva el límite de las etapas posibles variaciones del plan organismo animal en el contexto de la evolución animal.

Métodos
Genoma y genes homólogos de datos

Genoma y homólogo información de cada gen se tomaron de base de datos Ensembl [17] (v37, febrero de 2006) utilizando el sistema de minería de datos BioMart [23]. Sólo "la codificación de la proteína" tipos de genes se han utilizado en nuestro análisis (un total de 25613 ENSMUSG IDs en el Mus musculus genoma; 14278 ENSCING IDs en el genoma de C. intestinalis). Homólogos representan recíproco BLAST hits (incluyendo UBRH: único mejores hits de reciprocidad; MBRH: múltiples visitas recíprocas mejor, y RHS: visitas recíprocas sobre la base de información synteny), con una expectativa (E)-valor <1e-10 (WU BLASTP, BLOSUM62) . El genoma de conjuntos de datos fueron las versiones NCBI M34 para M. musculus y JGI 2 para C. intestinalis. Tomando la pérdida de genes durante la evolución en cuenta [24], hemos definido las siguientes clasificaciones evolutivo, que dependen de la presencia o ausencia de al menos un homólogo a un taxón de interés (véase también la Figura 1]. Bilaterian genes: al menos un homólogo actual en protostomes. Chordate genes: además de los genes Bilaterian clasificados en los genes, los genes que tienen al menos un homólogo en urochordates. Vertebrados genes: además de los genes Chordate clasificados en los genes, los genes que tienen al menos un homólogo en teleósteos. tetrápodos genes: además de genes de vertebrados clasificados en los genes, los genes que tienen al menos un homólogo en anfibios. Amniote genes: además de los genes clasificados tetrápodos en los genes, los genes que tienen al menos un homólogo en aves.

Expresión de datos de perfil

Toda la etapa trazable EST bibliotecas de M. musculus y C. intestinalis se descargan manualmente de la base de datos NCBI UniGene [19] y categorizados por su etapa de desarrollo descripciones (Tabla 1]. Se extrajeron todos los identificadores de UniGene con al menos una entrada en cada una categorizada EST biblioteca, y además vinculados a la Ensembl genes IDs. Ensembl genes con al menos uno de estos identificadores de UniGene fueron consideradas como "expresada".

El análisis estadístico

Para comparar los índices antepasado entre las fases, construido a 2 × 2 tabla de contingencia y determinó diferencias significativas entre los ratios (por ejemplo, no redundante de Vertebrados número de genes expresados en las fases o k k +1 y no redundante total de genes expresados en las fases k o k 1) por la prueba exacta de Fisher (dos colas). Para probar el patrón de distribución de los índices antepasado, convierten el número de Bilaterian expresó, Chordate, vertebrados, tetrápodos, y Amniote genes agrupados en cada etapa a la distribución de frecuencia acumulada, y se comparan estas curvas de supervivencia (método de Kaplan-Meier) de la Generalizado de Wilcoxon prueba. Para todas las pruebas estadísticas, P-valores inferior a 0,05 se consideró significativo.

Autores de las contribuciones

NI concebido y diseñado el estudio, y participó en la adquisición y el análisis de los datos y redacción del manuscrito. AS participó en el diseño del estudio y revisión del manuscrito críticamente importante para el contenido intelectual. Ambos autores han aprobado el manuscrito final.

Material complementario
Archivo Adicional 1
Clasificación taxonómica de homólogos de la proteína de ratón de codificación de los genes de acuerdo a rango taxonómico
A: clasificación taxonómica del genoma del ratón. B: clasificación taxonómica de los genes del ratón de desarrollo (ver Métodos para la definición de los genes de desarrollo). Clasificaciones definidas por homólogos del ratón no se encuentran en otros organismos (
M. musculus
solamente), los compartidos con
R. norvegicus
(Roedores); con
Homo sapiens
,
Canis familiaris
o
Bos taurus
(Mamíferos, pero no de roedores); con
Gallus gallus
(Aves, Mamíferos, pero no); con
Xenopus tropicalis
(Anfibios, pero no Aves); con
Danio rerio
,
Takifugu rubripes
o
Tetraodon nigroviridis
(Teleósteos, pero no Anfibios); con
Ciona intestinalis
(Ciona, pero no teleósteos); con
Drosophila melanogaster
,
Anopheles gambiae, Apis mellifera
o
Caenorhabditis elegans
(Protostomes, pero no Ciona), o con
Saccharomyces cerevisiae
(Levadura, pero no Protostomes).
2 ficheros adicionales
Fenotipos mutantes de los genes de vertebrados de desarrollo expresadas en la etapa phylotypic
Dentro del desarrollo de vertebrados 254 genes expresados en las fases 14 o 15 (véase el cuadro
1
de escena), 159 Ensembl genes estaban asociados con el ratón mutante en la información del genoma del ratón informática [
29
]. El número de Ensembl genes vinculados a cada una de mamíferos Fenotipo ID se muestra. MP, mamíferos fenotipo
3 ficheros adicionales
Ancestro índices obtenidos de genes expresados durante la embriogénesis Ciona intestinalis
A: EST bibliotecas utilizados para evaluar los índices antepasado de los genes expresados durante
C. intestinalis
embriogénesis. Cada etapa que figuran en promedio cuenta con 58171 EST (43.912-98.568), lo que correspondía a 2571 (2156-3098) no redundante Ensembl
C. intestinalis
genes. B: Bilaterian antepasado índices calculados para
C. intestinalis
embriogénesis (14.278 genes).
Bilaterian genes
fueron definidas por al menos un Ciona homólogo presente en protostomes (ver Fig.
1
bases de datos para el genoma). L: no redundante perfil de expresión génica de las fases finales (larvas y adultos jóvenes). EST, expresó secuencia etiqueta; dbEST, base de datos de EST; E, embrionarias día.
Agradecimientos

Agradecemos a los Dres S. Kuratani, Agata K., S. Kuraku, K. Kuma, F. Matsuda, y F. MATSUZAKI de comentarios críticos y de la lectura del manuscrito. Esta obra fue financiada en parte por subvenciones de Investigación Científica del Ministerio de Educación, Cultura, Deportes, Ciencia y Tecnología y una beca de investigación de CREST (Núcleo de Investigación evolutivo para la Ciencia y la Tecnología), en el Japón de Ciencia y Tecnología Agencia. N. Irie fue apoyada por una beca de investigación de la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia (JSP, DC1).