Gene Duplication Analysis Reveals No Ancient Whole Genome Duplication but Extensive Small-Scale Duplications during Genome Evolution and Adaptation of Schistosoma mansoni
- 1. Lanzhou Veterinary Research Institute
- 2. Chinese Academy of Agricultural Sciences
Description
Gene duplication (GD), thought to facilitate evolutionary innovation and adaptation, has been studied in many phylogenetic lineages. However, it remains poorly investigated in trematodes, a medically important parasite group that has been evolutionarily specialized during long-term host-parasite interaction. In this study, we conducted a genome-wide study of GD modes and contributions in Schistosoma mansoni, a pathogen causing human schistosomiasis. We combined several lines of evidence provided by duplicate age distributions, genomic sequence similarity, depth-of-coverage and gene synteny to identify the dominant drivers that contribute to the origins of new genes in this parasite. The gene divergences following duplication events (gene structure, expression and function retention) were also analyzed. Our results reveal that the genome lacks whole genome duplication (WGD) in a long evolutionary time and has few large segmental duplications, but is extensively shaped by the continuous small-scale gene duplications (SSGDs) (i.e., dispersed, tandem and proximal GDs) that may be derived from (retro-) transposition and unequal crossing over. Additionally, our study shows that the genes generated by tandem duplications have the smallest divergence during the evolution. Finally, we demonstrate that SSGDs, especially the tandem duplications, greatly contribute to the expansions of some preferentially retained pathogenesis-associated gene families that are associated with the parasite's survival during infection. This study is the first to systematically summarize the landscape of GDs in trematodes and provides new insights of adaptations to parasitism linked to GD events for these parasites.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
تمت دراسة الازدواجية الجينية (GD)، التي يُعتقد أنها تسهل الابتكار والتكيف التطوري، في العديد من سلالات النشوء والتطور. ومع ذلك، لا يزال التحقيق ضعيفًا في الديدان الثلاثية، وهي مجموعة طفيليات مهمة طبيًا تم تخصصها تطوريًا أثناء تفاعل المضيف الطفيلي على المدى الطويل. في هذه الدراسة، أجرينا دراسة على مستوى الجينوم لأنماط GD ومساهماتها في البلهارسيا المانسونية، وهو عامل ممرض يسبب البلهارسيا البشرية. جمعنا عدة أسطر من الأدلة التي قدمتها التوزيعات العمرية المكررة، وتشابه التسلسل الجيني، وعمق التغطية، وتوليف الجينات لتحديد الدوافع السائدة التي تساهم في أصول الجينات الجديدة في هذا الطفيلي. كما تم تحليل الاختلافات الجينية بعد أحداث الازدواجية (البنية الجينية والتعبير والاحتفاظ بالوظيفة). تكشف نتائجنا أن الجينوم يفتقر إلى ازدواجية الجينوم بالكامل (WGD) في وقت تطوري طويل ولديه عدد قليل من الازدواجيات القطاعية الكبيرة، ولكنه يتشكل على نطاق واسع من خلال الازدواجيات الجينية المستمرة على نطاق صغير (SSGDs) (أي GD المشتتة والترادفية والدانية) التي يمكن اشتقاقها من النقل (الرجعي) والعبور غير المتكافئ. بالإضافة إلى ذلك، تُظهر دراستنا أن الجينات الناتجة عن التكرارات الترادفية لها أصغر تباعد أثناء التطور. أخيرًا، نثبت أن SSGDs، وخاصة الازدواجية الترادفية، تساهم بشكل كبير في توسع بعض العائلات الجينية المرتبطة بالإمراض التي يتم الاحتفاظ بها بشكل تفضيلي والتي ترتبط ببقاء الطفيلي أثناء العدوى. هذه الدراسة هي الأولى التي تلخص بشكل منهجي مشهد أمراض الجهاز الهضمي في الديدان الثلاثية وتقدم رؤى جديدة للتكيف مع الطفيليات المرتبطة بأحداث أمراض الجهاز الهضمي لهذه الطفيليات.Translated Description (French)
La duplication génique (GD), censée faciliter l'innovation et l'adaptation évolutives, a été étudiée dans de nombreuses lignées phylogénétiques. Cependant, il reste peu étudié chez les trématodes, un groupe parasitaire important sur le plan médical qui a été spécialisé sur le plan évolutif au cours de l'interaction hôte-parasite à long terme. Dans cette étude, nous avons mené une étude à l'échelle du génome des modes GD et des contributions chez Schistosoma mansoni, un agent pathogène responsable de la schistosomiase humaine. Nous avons combiné plusieurs sources de preuves fournies par les doubles distributions d'âge, la similarité des séquences génomiques, la profondeur de couverture et la synténie des gènes pour identifier les facteurs dominants qui contribuent à l'origine de nouveaux gènes chez ce parasite. Les divergences géniques suite à des événements de duplication (structure génique, expression et rétention fonctionnelle) ont également été analysées. Nos résultats révèlent que le génome manque de duplication du génome entier (GT) dans un long temps d'évolution et a peu de duplications segmentaires importantes, mais qu'il est largement façonné par les duplications continues de gènes à petite échelle (SSGD) (c.-à-d. dispersées, en tandem et proximales) qui peuvent être dérivées de la (rétro-) transposition et du croisement inégal. De plus, notre étude montre que les gènes générés par les duplications en tandem présentent la plus faible divergence au cours de l'évolution. Enfin, nous démontrons que les SSGD, en particulier les duplications en tandem, contribuent grandement à l'expansion de certaines familles de gènes associés à la pathogenèse préférentiellement retenues qui sont associées à la survie du parasite pendant l'infection. Cette étude est la première à résumer systématiquement le paysage des GD chez les trématodes et fournit de nouvelles informations sur les adaptations au parasitisme liées aux événements de GD pour ces parasites.Translated Description (Spanish)
La duplicación génica (GD), pensada para facilitar la innovación evolutiva y la adaptación, se ha estudiado en muchos linajes filogenéticos. Sin embargo, sigue siendo poco investigado en trematodos, un grupo de parásitos de importancia médica que se ha especializado evolutivamente durante la interacción huésped-parásito a largo plazo. En este estudio, realizamos un estudio de todo el genoma de los modos y contribuciones de GD en Schistosoma mansoni, un patógeno que causa la esquistosomiasis humana. Combinamos varias líneas de evidencia proporcionadas por distribuciones de edad duplicadas, similitud de secuencia genómica, profundidad de cobertura y sintenia génica para identificar los impulsores dominantes que contribuyen a los orígenes de nuevos genes en este parásito. También se analizaron las divergencias génicas después de los eventos de duplicación (estructura génica, expresión y retención de funciones). Nuestros resultados revelan que el genoma carece de duplicación del genoma completo (WGD) en un largo tiempo evolutivo y tiene pocas duplicaciones segmentarias grandes, pero está ampliamente conformado por las duplicaciones genéticas continuas a pequeña escala (SSGD) (es decir, GD dispersas, en tándem y proximales) que pueden derivarse de la (retro) transposición y el cruce desigual. Además, nuestro estudio muestra que los genes generados por duplicaciones en tándem tienen la menor divergencia durante la evolución. Finalmente, demostramos que los SSGD, especialmente las duplicaciones en tándem, contribuyen en gran medida a las expansiones de algunas familias de genes asociados a la patogénesis preferentemente retenidos que están asociados con la supervivencia del parásito durante la infección. Este estudio es el primero en resumir sistemáticamente el panorama de las EG en los trematodos y proporciona nuevos conocimientos sobre las adaptaciones al parasitismo relacionadas con los eventos de EG para estos parásitos.Files
pdf.pdf
Files
(2.9 MB)
Name | Size | Download all |
---|---|---|
md5:fcd6cb57795078aa228a2cd8d5acc85b
|
2.9 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- يكشف تحليل الازدواجية الجينية عن عدم وجود ازدواجية جينية كاملة قديمة ولكن ازدواجية واسعة النطاق على نطاق صغير أثناء تطور الجينوم وتكيف البلهارسيا المانسونية
- Translated title (French)
- L'analyse de la duplication génique ne révèle aucune duplication du génome entier ancien, mais des duplications étendues à petite échelle au cours de l'évolution du génome et de l'adaptation de Schistosoma mansoni
- Translated title (Spanish)
- El análisis de duplicación génica revela que no hay duplicación antigua del genoma completo, sino extensas duplicaciones a pequeña escala durante la evolución del genoma y la adaptación de Schistosoma mansoni
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W2759752180
- DOI
- 10.3389/fcimb.2017.00412
References
- https://openalex.org/W1641544182
- https://openalex.org/W1970181791
- https://openalex.org/W1971231926
- https://openalex.org/W1971838305
- https://openalex.org/W1977056879
- https://openalex.org/W1983624690
- https://openalex.org/W1983811433
- https://openalex.org/W1986483810
- https://openalex.org/W1990256077
- https://openalex.org/W2008208329
- https://openalex.org/W2019647140
- https://openalex.org/W2020134788
- https://openalex.org/W2021804487
- https://openalex.org/W2037617759
- https://openalex.org/W2038464976
- https://openalex.org/W2042035854
- https://openalex.org/W2045040686
- https://openalex.org/W2049545749
- https://openalex.org/W2055032691
- https://openalex.org/W2057874793
- https://openalex.org/W2064495883
- https://openalex.org/W2065705117
- https://openalex.org/W2088769441
- https://openalex.org/W2091790046
- https://openalex.org/W2094169801
- https://openalex.org/W2101291993
- https://openalex.org/W2107282968
- https://openalex.org/W2108234281
- https://openalex.org/W2110001178
- https://openalex.org/W2110335151
- https://openalex.org/W2113102777
- https://openalex.org/W2118578832
- https://openalex.org/W2119311177
- https://openalex.org/W2122518986
- https://openalex.org/W2124166542
- https://openalex.org/W2124560890
- https://openalex.org/W2127897579
- https://openalex.org/W2134134620
- https://openalex.org/W2136550480
- https://openalex.org/W2139582154
- https://openalex.org/W2144990781
- https://openalex.org/W2149085519
- https://openalex.org/W2150845008
- https://openalex.org/W2152876917
- https://openalex.org/W2153893253
- https://openalex.org/W2154406573
- https://openalex.org/W2157245632
- https://openalex.org/W2160378127
- https://openalex.org/W2164154943
- https://openalex.org/W2167170000
- https://openalex.org/W2168635033
- https://openalex.org/W2170551349
- https://openalex.org/W2170772311
- https://openalex.org/W2255403518
- https://openalex.org/W2339745985
- https://openalex.org/W2523560295
- https://openalex.org/W4229487902
- https://openalex.org/W4250118116
- https://openalex.org/W4293003414