La storia evolutiva dei geni Brachyury negli Hydrozoa prevede duplicazioni, divergenze e neofunzionalizzazioni

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 9382 (2023) Citare questo articolo

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Brachyury, un membro della famiglia dei geni T-box, è ampiamente noto per il suo ruolo importante nella specificazione del mesoderma nei bilateri. È presente anche nei metazoi non bilateriani, come gli cnidari, dove agisce come componente di un sistema di modellazione assiale. In questo studio, presentiamo un'analisi filogenetica dei geni Brachyury all'interno del phylum Cnidaria, indaghiamo l'espressione differenziale e affrontiamo una struttura funzionale dei paraloghi Brachyury nell'idrozoo Dynamena pumila. La nostra analisi indica due eventi di duplicazione di Brachyury all'interno del lignaggio cnidario. La prima duplicazione probabilmente è apparsa nell'antenato medusozoo, risultando in due copie nei medusozoi, mentre la seconda duplicazione è avvenuta nell'antenato idrozoo, risultando in tre copie negli idrozoi. Brachyury1 e 2 mostrano un modello di espressione conservativo che segna il polo orale dell'asse corporeo in D. pumila. Al contrario, l'espressione di Brachyury3 è stata rilevata in cellule sparse presumibilmente nervose della larva di D. pumila. Le modulazioni farmacologiche hanno indicato che Brachyury3 non è sotto la regolazione della segnalazione cWnt a differenza degli altri due geni Brachyury. La divergenza nei modelli di espressione e nella regolazione suggerisce la neofunzionalizzazione di Brachyury3 negli idrozoi.

Brachyury (o T) è un membro fondatore della famiglia dei fattori di trascrizione T-box1 identificato per la prima volta in un ceppo di topi mutanti2. I topi privi di un allele di Brachyury mostrano un fenotipo a coda corta3, mentre la perdita letale prenatale di entrambi gli alleli porta a gravi carenze nella formazione del mesoderma e della struttura assiale4,5. Studi successivi hanno dimostrato che Brachyury è altamente conservato ed è presente non solo nei cordati, ma nella maggior parte degli animali metazoi, dagli ctenofori ai ricci di mare, così come negli ittiospori, nei filasteri e in diversi funghi a ramificazione precoce6,7,8,9.

Brachyury svolge un ruolo cruciale nella formazione della notocorda in vari cordati (rivisto in 10) e nella specificazione del mesoderma nei bilateria in generale (rivisto in 11), e la sua funzione primaria evolutiva è probabilmente associata alla demarcazione dello strato germinale e alla morfogenesi durante la gastrulazione12,13. È anche un componente importante della rete di regolamentazione del gene del patterning assiale14.

Sebbene le funzioni di Brachyury siano state esaminate in un numero limitato di specie, i modelli della sua espressione durante lo sviluppo embrionale sono ben studiati. Uno dei domini di espressione di Brachyury viene conservato in corrispondenza di un polo dell'asse corporeo (ad esempio, polo orale negli cnidari, polo posteriore nei deuterostomi)15,16,17,18, dove il sito di internalizzazione cellulare è situato anche nelle gastrule di la maggior parte degli animali. All'interno degli idrozoi, l'espressione di Brachyury è stata dimostrata nel sito di ingresso cellulare durante la gastrulazione negli embrioni di Clytia hemisphaerica19. Brachyury è espresso attorno a un blastopore nei ctenofori8, negli antozoi12,20, negli echinodermi21,22, negli anfiossi23 e in tutti i vertebrati studiati finora (rivisti in 10), sebbene questo dominio di espressione sia andato perso nelle ascidie24. Negli anellidi, nei molluschi e negli insetti, l'espressione di Brachyury è anche associata al blastoporo, sebbene questo dominio di espressione si dissolva a vari livelli (rivisto in 11).

Una singola copia del gene Brachyury è presente nel genoma della maggior parte dei Metazoi. Tuttavia, ci sono diverse eccezioni. All'interno dei cordati, Xenopus laevis ha quattro geni Brachyury 25,26, dove tbxt.L/tbxt.S (Xbra e Xbra2) e tbxt.2.L/tbxt.2.S (Xbra3) sono considerati alloalleli, derivanti da la recente duplicazione del genoma25,26,27. X. tropicalis contiene due geni Brachyury, uno dei quali è raggruppato con Xbra/Xbra2 (tbxt) e l'altro corrisponde al gene Xbra3 di X. laevis (tbxt.2)28. I pesci teleostei, come il medaka, il pesce zebra e lo spinarello a tre spine, possiedono due geni Brachyury (Bra e Ntl) nei loro genomi28,29. Brachyury è presente in due copie nell'anfiosso cordato basale23,30,31. Secondo l'analisi filogenetica, gli eventi di duplicazione non si sono verificati nell'antenato cordato, ma in tutti e tre i lignaggi cordati indipendentemente28,32. Tra i metazoi non cordati, gli idrozoi Hydra e C. hemisphaerica hanno almeno due copie del gene Brachyury13,33.