The evolution of gene duplicates in angiosperms and the impact of protein-protein interactions and the mechanism of duplication

Gene duplicates, generated through either whole genome duplication (WGD) or small-scale duplication (SSD), are prominent in angiosperms and are believed to play an important role in adaptation and in generating evolutionary novelty. Previous studies reported contrasting evolutionary and functional dynamics of duplicate genes depending on the mechanism of origin, a behavior that is hypothesized to stem from constraints to maintain the relative dosage balance between the genes concerned and their interaction context. However, the mechanism ultimately influencing loss and retention of gene duplicates over evolutionary time are not yet fully elucidated. Here, by using a robust classification of gene duplicates in Arabidopsis thaliana, Solanumlycopersicum, and Zea mays, large RNAseq expression compendia and an extensive protein-protein interaction (PPI) network from Arabidopsis, we investigated the impact of PPIs on the differential evolutionary and functional fate ofWGD and SSD duplicates. In all three species, retained WGD duplicates show stronger constraints to diverge at the sequence and expression level than SSD ones, a pattern that is also observed for shared PPI partners between Arabidopsis duplicates. PPIs are preferentially distributed among WGD duplicates and specific functional categories. Furthermore, duplicates with PPIs tend to be under stronger constraints to evolve than their counterparts without PPIs regardless of their mechanism of origin. Our results support dosage balance constraint as a specific property of genes involved in biological interactions, including physical PPIs, and suggest that additional factors may be differently influencing the evolution of genes following duplication, depending on the species, time, and mechanism of origin

Caracterización a nivel molecular de los genes 1-desoxi-D-xilulosa 5-fosfato sintasa y 1-desoxi-D-xilulosa 5-fosfato reductoisomerasa de Arabidopsis thaliana

[spa] Los isoprenoides (o terpenoides) constituyen una vasta familia de compuestos de muy diversa naturaleza estructural y funcional presentes en todos los seres vivos. Los isoprenoides sintetizados por las plantas representan la inmensa mayoría de los 29000 identificados hasta el momento, constituyéndose en la mayor familia de productos naturales conocidos. Esta gran variedad de estructuras y funciones resulta tanto más asombrosa cuando descubrimos que todos ellos, independiente de su origen, derivan del mismo intermediario común, el isopentenil pirofosfato (IPP, C5). Estructura química y función biológica son los criterios por los que han venido clasificándose convencionalmente todos los compuestos isoprenoides. Así, entre los que podríamos clasificar como primarios se incluyen algunos metabolitos esenciales para el crecimiento y desarrollo de la planta. Por su parte, conformando los denominados metabolitos secundarios aparecen compuestos isoprenoides con funciones no esenciales, y con frecuencia específicos de determinados grupos de plantas. La unidad más sencilla a partir de la cual se forman los restantes terpenoides es referida como isopreno, de ahí el origen etimológico del término isoprenoide para referirse colectivamente a estos compuestos, caracterizados muchos de ellos por la capacidad de descomponerse térmicamente. Muchos de estos compuestos eran conocidos y apreciados desde muy antiguo como aromatizantes, substancias medicinales, perfumes, pigmentos o narcóticos. Consecuentemente, numerosos productos isoprenoides representan un indudable interés económico. Entre ellos destacan el caucho, aromas como el de la uva variedad moscatel, el mentol o el limoneno, nutraceúticos como las vitaminas A, D3, K y E o los fitoesteroles y compuestos farmacológicamente activos como el taxol o la digitonina. Recientemente han sido registrados los carotenos licopeno y luteína como agentes oncoprotectores. Animales, hongos y arqueobacterias sintetizan el IPP en exclusiva a partir del acetil-CoA a través de la ruta del mevalonato (MVA). De hecho, esta ruta, descubierta en los años 50, se consideraba proveedor único para la síntesis del intermediario común a todos los isoprenoides también en organismos fotosintéticos y eubacterias. Sin embargo, la última década ha sido testigo del descubrimiento de una nueva vía de síntesis de IPP. Esta nueva vía biosintética, recientemente bautizada como del MEP, fue puesta de manifiesto originalmente en eubacterias y ha sido confirmada en diversos organismos autótrofos fotosintéticos, como las plantas superiores, las algas (excepción hecha de las euglenofitas) o las briofitas. Nuestro grupo ha sido pionero, en colaboración con el del Dr. Rohmer de la “Université Louis Pasteur” de Estrasburgo, en verificar la existencia de la ruta MEP en plantas, probablemente una de las últimas grandes ruta anabólicas por dilucidar. Adicionalmente, esta ruta ha sido confirmada también en los apicoplastos del organismo responsable de la malaria (Plasmodium falciparum) , así como en otros muchos organismos patógenos. Por todo ello, esta nueva ruta se erige en una diana ideal para el desarrollo de nuevos herbicidas y antibióticos. A pesar de la importancia de las funciones señaladas desempeñadas por los isoprenoides, y del evidente interés que despierta su estudio, muchos aspectos de la bioquímica de estos productos y en particular de la regulación de su propia biosíntesis son relativamente poco conocidos, particularmente en lo que se refiere a aquellos sintetizados por la vía plastídica del MEP. La extrema complejidad de su metabolismo, por un lado, y la ocasionalidad de su biosíntesis tanto a nivel espacial como temporal, por otro, justifican la dificultad de su estudio. Este trabajo pretende ser una introducción al estudio de los genes que codifican para las enzimas (DXS y DXR) que catalizan las dos primeras etapas de la ruta MEP de síntesis de IPP, utilizando para ello Arabidopsis thaliana, modelo universal de la genética molecular vegetal. De acuerdo con estos antecedentes se han planteado los siguientes objetivos que enunciamos a continuación: 1.-Identificar, aislar y caracterizar los genes DXS y DXR de A. thaliana. 2.-Resolver la función de las proteínas DXS y DXR en relación con las dos primeras etapas enzimáticas de la recientemente descubierta ruta MEP de síntesis de IPP. 3.-Analizar el patrón de expresión de los genes DXS y DXR. 4.-Determinar la localización subcelular de las proteínas DXS y DXR. 5.-Generar y examinar plantas transgénicas de sobreexpresión DXS y DXR, con el propósito de obtener información acerca de posible papel regulador en la biosíntesis de los isoprenoides plastídicos. 6.-Introducir el estudio de la interacción entre las vías MEP y del MVA de síntesis de IPP coexistentes en la célula vegetal

Caracterización a nivel molecular de los genes 1-desoxi-D-xilulosa 5-fosfato sintasa y 1-desoxi-D-xilulosa 5-fosfato reductoisomerasa de Arabidopsis thaliana

Los isoprenoides (o terpenoides) constituyen una vasta familia de compuestos de muy diversa naturaleza estructural y funcional presentes en todos los seres vivos. Los isoprenoides sintetizados por las plantas representan la inmensa mayoría de los 29000 identificados hasta el momento, constituyéndose en la mayor familia de productos naturales conocidos. Esta gran variedad de estructuras y funciones resulta tanto más asombrosa cuando descubrimos que todos ellos, independiente de su origen, derivan del mismo intermediario común, el isopentenil pirofosfato (IPP, C5). Estructura química y función biológica son los criterios por los que han venido clasificándose convencionalmente todos los compuestos isoprenoides. Así, entre los que podríamos clasificar como primarios se incluyen algunos metabolitos esenciales para el crecimiento y desarrollo de la planta. Por su parte, conformando los denominados metabolitos secundarios aparecen compuestos isoprenoides con funciones no esenciales, y con frecuencia específicos de determinados grupos de plantas. La unidad más sencilla a partir de la cual se forman los restantes terpenoides es referida como isopreno, de ahí el origen etimológico del término isoprenoide para referirse colectivamente a estos compuestos, caracterizados muchos de ellos por la capacidad de descomponerse térmicamente. Muchos de estos compuestos eran conocidos y apreciados desde muy antiguo como aromatizantes, substancias medicinales, perfumes, pigmentos o narcóticos. Consecuentemente, numerosos productos isoprenoides representan un indudable interés económico. Entre ellos destacan el caucho, aromas como el de la uva variedad moscatel, el mentol o el limoneno, nutraceúticos como las vitaminas A, D3, K y E o los fitoesteroles y compuestos farmacológicamente activos como el taxol o la digitonina. Recientemente han sido registrados los carotenos licopeno y luteína como agentes oncoprotectores. Animales, hongos y arqueobacterias sintetizan el IPP en exclusiva a partir del acetil-CoA a través de la ruta del mevalonato (MVA). De hecho, esta ruta, descubierta en los años 50, se consideraba proveedor único para la síntesis del intermediario común a todos los isoprenoides también en organismos fotosintéticos y eubacterias. Sin embargo, la última década ha sido testigo del descubrimiento de una nueva vía de síntesis de IPP. Esta nueva vía biosintética, recientemente bautizada como del MEP, fue puesta de manifiesto originalmente en eubacterias y ha sido confirmada en diversos organismos autótrofos fotosintéticos, como las plantas superiores, las algas (excepción hecha de las euglenofitas) o las briofitas. Nuestro grupo ha sido pionero, en colaboración con el del Dr. Rohmer de la “Université Louis Pasteur” de Estrasburgo, en verificar la existencia de la ruta MEP en plantas, probablemente una de las últimas grandes ruta anabólicas por dilucidar. Adicionalmente, esta ruta ha sido confirmada también en los apicoplastos del organismo responsable de la malaria (Plasmodium falciparum) , así como en otros muchos organismos patógenos. Por todo ello, esta nueva ruta se erige en una diana ideal para el desarrollo de nuevos herbicidas y antibióticos. A pesar de la importancia de las funciones señaladas desempeñadas por los isoprenoides, y del evidente interés que despierta su estudio, muchos aspectos de la bioquímica de estos productos y en particular de la regulación de su propia biosíntesis son relativamente poco conocidos, particularmente en lo que se refiere a aquellos sintetizados por la vía plastídica del MEP. La extrema complejidad de su metabolismo, por un lado, y la ocasionalidad de su biosíntesis tanto a nivel espacial como temporal, por otro, justifican la dificultad de su estudio. Este trabajo pretende ser una introducción al estudio de los genes que codifican para las enzimas (DXS y DXR) que catalizan las dos primeras etapas de la ruta MEP de síntesis de IPP, utilizando para ello Arabidopsis thaliana, modelo universal de la genética molecular vegetal. De acuerdo con estos antecedentes se han planteado los siguientes objetivos que enunciamos a continuación: 1.-Identificar, aislar y caracterizar los genes DXS y DXR de A. thaliana. 2.-Resolver la función de las proteínas DXS y DXR en relación con las dos primeras etapas enzimáticas de la recientemente descubierta ruta MEP de síntesis de IPP. 3.-Analizar el patrón de expresión de los genes DXS y DXR. 4.-Determinar la localización subcelular de las proteínas DXS y DXR. 5.-Generar y examinar plantas transgénicas de sobreexpresión DXS y DXR, con el propósito de obtener información acerca de posible papel regulador en la biosíntesis de los isoprenoides plastídicos. 6.-Introducir el estudio de la interacción entre las vías MEP y del MVA de síntesis de IPP coexistentes en la célula vegetal

The evolutionary conundrum of whole‐genome duplication

Whole‐genome duplication (WGD) is a dramatic, common event in plants. Because of the detrimental effects arising from doubling the entire chromosome set, such as minority cytotype exclusion, genomic instability, mitotic and meiotic abnormalities, alterations in cell architecture, or epigenetic changes (Comai, 2005), purifying selection is expected to quickly remove polyploids from the population. Nevertheless, polyploidy is common, and many diploids bear traces of a polyploid ancestry (Soltis et al., 2015; Van de Peer et al., 2017). Some of these ancestral polyploidy events can be traced back to the origin of large and diverse taxonomic lineages; also, most crops are neopolyploids, suggesting an important role for WGDs in promoting phenotypic diversity, speciation, and domestication. Interestingly, the long‐term fixation of polyploidy does not seem to occur randomly. One notable example is the biased distribution of WGD events across independent plant lineages at the Cretaceous–Paleogene or K‐Pg boundary, about 66 million years ago (Ma). Many lineages seem to have undergone a WGD around the time of the K‐Pg extinction event, while their nonpolyploid ancestors died out, suggesting that polyploidy might confer an adaptive advantage under stressful environments and periods of environmental turmoil (Van de Peer et al., 2017). There might be other examples of “waves” of WGDs during periods of environmental change. For instance, the timing of WGD events in the Malpighiales may correlate with periods of global climatic change during the Paleocene–Eocene, ca. 56–54 mya (Cai et al., 2019). However, the evolutionary mechanisms underlying the relationship between WGD and evolutionary success remain elusive, despite vivid discussions on the topic, as witnessed by a recent special series of review papers and several other essays in the “On the Nature of Things” section of this very same journal. Here, we try to reconcile and discuss some recent findings about the putative adaptive role of WGD during evolution under scenarios of global ecological challenge.The European Research Council (ERC) under the European Union’s Horizon 2020 research and innovation program.http://www.wileyonlinelibrary.com/journal/AJBhj2021BiochemistryGeneticsMicrobiology and Plant Patholog

The Apicomplexa-specific glucosamine-6-phosphate N-acetyltransferase gene family encodes a key enzyme for glycoconjugate synthesis with potential as therapeutic target

Apicomplexa form a phylum of obligate parasitic protozoa of great clinical and veterinary importance. These parasites synthesize glycoconjugates for their survival and infectivity, but the enzymatic steps required to generate the glycosylation precursors are not completely characterized. In particular, glucosamine-phosphate N-acetyltransferase (GNA1) activity, needed to produce the essential UDP-N-acetylglucosamine (UDP-GlcNAc) donor, has not been identified in any Apicomplexa. We scanned the genomes of Plasmodium falciparum and representatives from six additional main lineages of the phylum for proteins containing the Gcn5-related N-acetyltransferase (GNAT) domain. One family of GNAT-domain containing proteins, composed by a P. falciparum sequence and its six apicomplexan orthologs, rescued the growth of a yeast temperature-sensitive GNA1 mutant. Heterologous expression and in vitro assays confirmed the GNA1 enzymatic activity in all lineages. Sequence, phylogenetic and synteny analyses suggest an independent origin of the Apicomplexa-specific GNA1 family, parallel to the evolution of a different GNA1 family in other eukaryotes. The inability to disrupt an otherwise modifiable gene target suggests that the enzyme is essential for P. falciparum growth. The relevance of UDP-GlcNAc for parasite viability, together with the independent evolution and unique sequence features of Apicomplexa GNA1, highlights the potential of this enzyme as a selective therapeutic target against apicomplexans

Evolutionary diversification and characterization of the eubacterial gene family encoding DXR type II, an alternative isoprenoid biosynthetic enzyme

[EN] Background: Isoprenoids constitute a vast family of natural compounds performing diverse and essential functions in all domains of life. In most eubacteria, isoprenoids are synthesized through the methylerythritol 4-phosphate (MEP) pathway. The production of MEP is usually catalyzed by deoxyxylulose 5-phosphate reductoisomerase (DXR-I) but a few organisms use an alternative DXR-like enzyme (DXR-II). Results: Searches through 1498 bacterial complete proteomes detected 130 sequences with similarity to DXR-II. Phylogenetic analysis identified three well-resolved clades: the DXR-II family (clustering 53 sequences including eleven experimentally verified as functional enzymes able to produce MEP), and two previously uncharacterized NAD(P)-dependent oxidoreductase families (designated DLO1 and DLO2 for DXR-II-like oxidoreductases 1 and 2). Our analyses identified amino acid changes critical for the acquisition of DXR-II biochemical function through type-I functional divergence, two of them mapping onto key residues for DXR-II activity. DXR-II showed a markedly discontinuous distribution, which was verified at several levels: taxonomic (being predominantly found in Alphaproteobacteria and Firmicutes), metabolic (being mostly found in bacteria with complete functional MEP pathways with or without DXR-I), and phenotypic (as no biological/phenotypic property was found to be preferentially distributed among DXR-II-containing strains, apart from pathogenicity in animals). By performing a thorough comparative sequence analysis of GC content, 3: 1 dinucleotide frequencies, codon usage and codon adaptation indexes (CAI) between DXR-II sequences and their corresponding genomes, we examined the role of horizontal gene transfer (HGT), as opposed to an scenario of massive gene loss, in the evolutionary origin and diversification of the DXR-II subfamily in bacteria. Conclusions: Our analyses support a single origin of the DXR-II family through functional divergence, in which constitutes an exceptional model of acquisition and maintenance of redundant gene functions between nonhomologous genes as a result of convergent evolution. Subsequently, although old episodic events of HGT could not be excluded, the results supported a prevalent role of gene loss in explaining the distribution of DXR-II in specific pathogenic eubacteria. Our results highlight the importance of the functional characterization of evolutionary shortcuts in isoprenoid biosynthesis for screening specific antibacterial drugs and for regulating the production of isoprenoids of human interest.We thank all our laboratory members for stimulating discussions and suggestions. We thank Derek Taylor and Mario A Fares for critical reading of the manuscript and helpful comments. Financial support for this research was provided by the Spanish Ministerio de Ciencia e Innovacion (grants BIO2011-23680 to MRC and BFU2011-25658 to FJS) and Generalitat de Catalunya (2009SGR-26 and XRB) to MRC.Carretero Paulet, L.; Lipska, A.; Perez-Gil, J.; Sangari, J.; Albert, V.; Rodriguez-Concepción, M. (2013). Evolutionary diversification and characterization of the eubacterial gene family encoding DXR type II, an alternative isoprenoid biosynthetic enzyme. BMC Evolutionary Biology. 13(180):1-18. https://doi.org/10.1186/1471-2148-13-180S1181318

Nueva enzima para la biosíntesis de isoprenoides.

Se ha encontrado una nueva enzima con actividad 1-desoxi-D-xilulosa 5-fosfato reductoisomerasa que cataliza la reacción de producción de 2-C-metil-D-eritritol 4-fosfato a partir de 1-desoxi-D-xilulosa 5-fosfato, que tiene la secuencia de aminoácidos SEQ ID NO: 41. La enzima es útil en la síntesis de isoprenoides, particularmente en la síntesis de 2-C-metil-D-eritritol 4-fosfato.Solicitud: 201031068 (14.07.2010)Nº Pub. de Solicitud: ES2372942A1 (30.01.2012)Nº de Patente: ES2372942B1 (04.12.2012

Genome-wide analysis of adaptive molecular evolution in the carnivorous plant Utricularia gibba

The genome of the bladderwort Utricularia gibba provides an unparalleled opportunity to uncover the adaptive landscape of an aquatic carnivorous plant with unique phenotypic features such as absence of roots, development of water-filled suction bladders, and a highly ramified branching pattern. Despite its tiny size, the U. gibba genome accommodates approximately as many genes as other plant genomes. To examine the relationship between the compactness of its genome and gene turnover, we compared the U. gibba genome with that of four other eudicot species, defining a total of 17,324 gene families (orthogroups). These families were further classified as either 1) lineage-specific expanded/contracted or 2) stable in size. The U. gibba-expanded families are generically related to three main phenotypic features: 1) trap physiology, 2) key plant morphogenetic/developmental pathways, and 3) response to environmental stimuli, including adaptations to life in aquatic environments. Further scans for signatures of protein functional specialization permitted identification of seven candidate genes with amino acid changes putatively fixed by positive Darwinian selection in the U. gibba lineage. The Arabidopsis orthologs of these genes (AXR, UMAMIT41, IGS, TAR2, SOL1, DEG9, and DEG10) are involved in diverse plant biological functions potentially relevant for U. gibba phenotypic diversification, including 1) auxin metabolism and signal transduction, 2) flowering induction and floral meristem transition, 3) root development, and 4) peptidases. Taken together, our results suggest numerous candidate genes and gene families as interesting targets for further experimental confirmation of their functional and adaptive roles in the U. gibba's unique lifestyle and highly specialized body plan

Functional and evolutionary analysis of DXL1, a non-essential gene encoding a 1-deoxy-D-xylulose 5-phosphate synthase like protein in Arabidopsis thaliana

The synthesis of 1-deoxy-D-xylulose 5-phosphate (DXP), catalyzed by the enzyme DXP synthase (DXS), represents a key regulatory step of the 2-C-methyl-D-erythritol 4-phosphate (MEP) pathway for isoprenoid biosynthesis. In plants DXS is encoded by small multigene families that can be classified into, at least, three specialized subfamilies. Arabidopsis thaliana contains three genes encoding proteins with similarity to DXS, including the well-known DXS1/CLA1 gene, which clusters within subfamily I. The remaining proteins, initially named DXS2 and DXS3, have not yet been characterized. Here we report the expression and functional analysis of A. thaliana DXS2. Unexpectedly, the expression of DXS2 failed to rescue Escherichia coli and A. thaliana mutants defective in DXS activity. Coherently, we found that DXS activity was negligible in vitro, being renamed as DXL1 following recent nomenclature recommendation. DXL1 is targeted to plastids as DXS1, but shows a distinct expression pattern. The phenotypic analysis of a DXL1 defective mutant revealed that the function of the encoded protein is not essential for growth and development. Evolutionary analyses indicated that DXL1 emerged from DXS1 through a recent duplication apparently specific of the Brassicaceae lineage. Divergent selective constraints would have affected a significant fraction of sites after diversification of the paralogues. Furthermore, amino acids subjected to divergent selection and likely critical for functional divergence through the acquisition of a novel, although not yet known, biochemical function, were identified. Our results provide with the first evidences of functional specialization at both the regulatory and biochemical level within the plant DXS family

A Polyphasic Characterisation of Tetradesmus almeriensis sp. nov. (Chlorophyta: Scenedesmaceae)

The microalga Tetradesmus almeriensis, previously known as Scenedesmus almeriensis, has been isolated and cultivated as a highly productive, fast-growing strain known as a natural source of different products of commercial interest, including bioactive compounds such as lutein. This strain produces up to 40 g·m−2·day−1 of lutein under optimal conditions and is highly recommendable for outdoor production in temperate and warm climates, showing maximal performance at temperatures up to 35 °C with no photo-inhibition taking place with irradiances greater than 1000 μE·m−2·s−1. Morphological and molecular data allow its assignment to the Chlorophycean genus Tetradesmus. The new species can be distinguished from similar Tetradesmus taxa due to its unique combination of features that are seen under light microscopy. We present herein a robust and comprehensive phylogenetic analysis of T. almeriensis, together with several additional Scenedesmaceae species, using a combination of maximum likelihood and Bayesian approaches. Our results confirm T. almeriensis as a distinct species consistently clustering with other Scenedesmaceae