脊椎動物における糖質6-Oスルホトランスフェラーゼ遺伝子ファミリーの進化を再構築すると、羊皮類で失われたCHST16という新規メンバーが明らかになる

Reconstruction of the Carbohydrate 6-O Sulfotransferase Gene Family Evolution in Vertebrates Reveals Novel Member, CHST16, Lost in Amniotes.

• Daniel Ocampo Daza
• Tatjana Haitina

抄録

グリコサミノグリカンは硫酸化した多糖類で、多くの生物学的プロセスに不可欠な分子である。グリコサミノグリカンの6-O硫酸化は、以前はGal/GalNAc/GlcNAc 6-Oスルホトランスフェラーゼと呼ばれていた炭水化物6-Oスルホトランスフェラーゼ（C6OST）によって行われています。ここで初めて、哺乳類、鳥類、非脊椎動物、爬虫類、両生類、ローブフィン魚類、エイフィン魚類、軟骨魚類、無顎脊椎動物などの主要な脊椎動物群におけるC6OSTファミリーの詳細な系統再構成、遺伝子の保存状況の解析を行い、進化のシナリオを提案した。C6OST遺伝子の拡大は、蝶形動物の分岐後、脊椎動物が出現する前に4つの先祖遺伝子を生み出したことから、脊索動物の系統の初期に始まった可能性が高いと考えられます。脊椎動物の進化の初期に行われた2回の全ゲノム複製（1R/2R）では、2つのC6OSTサブタイプ遺伝子が追加されただけで、脊椎動物のレパートリーは4つの遺伝子から6つに増え、2つの分岐に分かれた。最初のブランチには、CHST1とCHST3に加えて、以前は認識されていなかったサブタイプであるCHST16が含まれており、羊膜動物では失われていた。第二のブランチには、CHST2、CHST7、CHST5が含まれています。その後、CHST5の局所的な複製により、四脚類の祖先ではCHST4が、霊長類の祖先ではCHST6が誕生しました。CHST1, CHST2, CHST3については、テレオスに特異的な遺伝子の重複が確認され、テレオス系統における全ゲノム重複（3R）の結果であることが明らかになった。また、より最近の系統特異的な重複も複数検出された。このように、脊椎動物のC6OST遺伝子のレパートリーは、脊椎動物の進化のいくつかの段階で、遺伝子の重複や消失によって形成されてきたことがわかり、骨格、神経系、細胞間相互作用の進化にも影響を与えている。

Glycosaminoglycans are sulfated polysaccharide molecules, essential for many biological processes. The 6-O sulfation of glycosaminoglycans is carried out by carbohydrate 6-O sulfotransferases (C6OSTs), previously named Gal/GalNAc/GlcNAc 6-O sulfotransferases. Here, for the first time, we present a detailed phylogenetic reconstruction, analysis of gene synteny conservation and propose an evolutionary scenario for the C6OST family in major vertebrate groups, including mammals, birds, nonavian reptiles, amphibians, lobe-finned fishes, ray-finned fishes, cartilaginous fishes, and jawless vertebrates. The C6OST gene expansion likely started early in the chordate lineage, giving rise to four ancestral genes after the divergence of tunicates and before the emergence of extant vertebrates. The two rounds of whole-genome duplication in early vertebrate evolution (1R/2R) only contributed two additional C6OST subtype genes, increasing the vertebrate repertoire from four genes to six, divided into two branches. The first branch includes CHST1 and CHST3 as well as a previously unrecognized subtype, CHST16 that was lost in amniotes. The second branch includes CHST2, CHST7, and CHST5. Subsequently, local duplications of CHST5 gave rise to CHST4 in the ancestor of tetrapods, and to CHST6 in the ancestor of primates. The teleost-specific gene duplicates were identified for CHST1, CHST2, and CHST3 and are result of whole-genome duplication (3R) in the teleost lineage. We could also detect multiple, more recent lineage-specific duplicates. Thus, the vertebrate repertoire of C6OST genes has been shaped by gene duplications and gene losses at several stages of vertebrate evolution, with implications for the evolution of skeleton, nervous system, and cell-cell interactions.

© The Author(s) 2019. Published by Oxford University Press on behalf of the Society for Molecular Biology and Evolution.