면역원성 손실 공동

Nature Communications 13권, 기사 번호: 7610(2022) 이 기사 인용

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고도로 파생된 신그나티드 어류(파이프피쉬, 해룡, 해마)에서 성역할 역전된 번식 행동의 진화는 해마 계통의 수컷 임신에서 최고조에 이르렀습니다. 수컷은 짝짓기 중에 암컷이 알을 낳는 특수한 새끼 주머니를 특징으로 합니다. 그런 다음, 가스와 영양분 교환을 촉진하는 태반과 같은 조직이 난자를 촘촘하게 감싸줍니다. 아버지가 동종이형 배아를 면역학적으로 견디기 때문에 남성 임신은 특정 면역학적 적응과 함께 진화했다고 제안되었습니다. 실제로, 여기서 우리는 tlx1 전사 인자의 특정 아미노산 대체가 해마의 무비증(면역 체계의 중심 기관인 비장의 손실)과 관련이 있음을 보여줍니다. 이는 제브라피시를 사용한 CRISPR-Cas9 실험에서 확인되었습니다. syngnathid 계통 발생에 대한 비교 유전체학은 부모의 관리 강도가 증가함에 따라 면역 체계 유전자 레퍼토리의 복잡성이 감소한다는 것을 보여주었습니다. 면역유전학적 변화와 남성 임신의 동시적 진화는 남성 임신이 배아의 면역학적 내성과 함께 진화했다는 개념을 뒷받침합니다.

동물의 진화적 다양화는 면역 체계의 복잡성 증가와 함께 진행되었습니다1,2. 척추동물 진화의 특징으로 적응 면역체계의 필수적인 부분인 MHC/B세포 수용체/T세포 수용체 시스템은 턱뼈가 있는 척추동물에서 처음으로 나타나 상어와 가오리의 방사선을 동반했으며 나중에는 뼈가 있는 물고기3,4. 중요한 척추동물의 2차 림프 기관인 림프계와 비장뿐만 아니라 특수한 세포와 분자의 출현으로 인해 척추동물 적응 면역체계가 진화하는 동안 복잡한 면역학적 재구성과 변형이 가능해졌습니다2. 드문 예외로 해마(Family Syngnathidae)5,6에는 비장이 없습니다. 이는 이 중요한 면역 기관 없이 그들이 어떻게 대처하는지, 그리고 무엇이 궁극적으로 비장의 진화적 손실을 선택했는지에 대한 의문을 제기합니다. 해마는 상징적인 형태와 매우 특이한 생활사로 유명하며, 여기에는 "수컷 임신"을 통한 성역할 역전된 우울 행동이 포함됩니다7,8. 신그나트과의 기본 계통에 속하는 암컷은 단순히 수컷의 배쪽에 있는 번식 패치에 알을 붙이는 반면, 수컷의 해마 새끼 주머니는 아버지의 돌봄을 위한 보다 파생된 기관을 나타내며 배아를 보호하고 영양을 공급하는 가족 중 가장 복잡한 구조입니다9 . 암컷 해마는 짝짓기 중에 알을 수컷의 새끼 주머니에 옮겨 배아가 착상되고 "가위태반"에 의해 영양을 공급받습니다. 그 기능은 포유동물의 모체 태반과 유사하며 수컷의 주머니 안에서 부화하는 발달 중인 배아에 영양분과 산소를 제공합니다(그림 1a).

해마의 특수한 수컷 임신과 무비증 특성의 진화를 보여주는 A 종 나무. 임신 중에 수컷 해마의 "가성 태반"에 이식된 배아는 부계 면역 체계에 의해 인식됩니다. b 해마의 주요 계통에 속하는 4종의 해마 종이 비교 게놈 분석에 포함되었습니다. 새로 서열이 결정된 종은 빨간색으로 표시됩니다. 엄마, 백만년 전이에요. c 해마에서 계약된 유전자 계열의 상위 30개 KEGG 경로. 면역과 관련된 카테고리는 갈색으로 표시됩니다. 수치는 BioRender.com으로 생성되었습니다. 사용한 지도는 무료 세계지도 웹사이트(https://www.freeworldmaps.net/outline/maps.html)에서 다운로드했습니다. 소스 데이터는 소스 데이터 파일로 제공됩니다.

척추동물의 경우, 성역할이 바뀐 해마의 수컷 임신을 제외하면 암컷의 생식력은 독립적으로 150배 이상 진화했습니다13,14. 임신은 발달 중인 자손에게 이점을 제공하여 초기 포식으로부터 더 잘 보호하고 생활사 단계에서 방출될 수 있도록 하지만 임신한 부모에게는 면역학적 문제를 제기합니다. 반동종 배아는 면역학적으로 어떻게 되나요? 용납? 이러한 면역학적 문제에 대한 해결책으로 포유류 배아는 모체 조직과 직접 접촉하는 세포층을 구성하는 영양막에서 발현되는 MHCI 분자의 다양성을 감소시킵니다4,15. 대조적으로, 해마의 경우, 수컷 임신과 함께 면역 체계의 공진화는 거의 알려져 있지 않습니다. 비장 외에도 적응 면역 체계의 유전적 레퍼토리 중 다른 중요한 부분이 해마에는 없으며 이러한 2차 손실은 수컷 임신이라는 진화론적 새로움과 관련이 있다고 가정되었습니다5,6.

350 species) and diverse clade of morphologically unique teleosts. They can be divided into two subfamilies: the Nerophinae and the Syngnathinae22,23. When assessing the mutation's locus also in all other available members of the subfamily Syngnathinae, we detected that all investigated members of the genus Syngnathus (all with quite derived, closed brooding organs and closely related to seahorses8) share the described mutation. In contrast, more distantly related members with less complex brooding organs, such as the seadragon and the alligator pipefish – where the eggs are simply attached to the ventral side of the males’ tail8 – have retained the ancestral Alanine in this position. As for the subfamily Nerophinae, we found the TLX1 sequences exhibit amino acid substitutions of A to L and A to I in Oostethus manadensis and Nerophis ophidion, respectively (Supplementary Fig. 11b). We also provided the splenic phenotype for a number of syngnathid species using morphological, histological, and Micro CT methods. Dissections showed that species of the genera Hippocampus and Syngnathus (both belonging to Syngnathinae) have evolutionarily lost an unambiguous spleen, but not Syngnathoides biaculeatus (belongs to the subfamily Syngnathinae) nor Nerophis ophidion (that belong to the subfamily Nerophinae) (Supplementary Fig. 14). As mutations in exons of protein-coding genes can lead to substantial phenotypic changes, we hypothesized that the identified mutation in the conserved homeobox domain of tlx1 might be associated with the loss of the spleen in the Hippocampus and Syngnathus species./p>350 species of which many show less derived forms of male pregnancy - potentially facing pregnancy-related immune challenges that seahorses seemingly have overcome. Moreover, much of the syngnathids’ diversity still remains unexplored to date and the variations in morphological and physiological complexity of immune and brooding organs have only been described superficially9. Functional redundancy in the immune system makes it hard to predict the consequences that gene loss might have on an organism. However, it is also this redundancy that provides the evolutionary opportunity to organisms to tinker with the regulatory pathways orchestrating an effective immune response while accommodating for physiological challenges, such as pregnancy, resulting in an unexpected genomic flexibility of vertebrate immune systems. For now our understanding of the intricate immune challenges syngnathids face at different stages of male pregnancy is still incomplete, our study sheds light on the genetic basis of a major adaptive immunological novelty putatively associated with the evolution of sex-role reversal and male pregnancy in seahorses. Considering the entire syngnathid phylogeny, there is still deep divergence between the Hippocampus and Syngnathus lineages23, and the splenic phenotype and tlx1 gene sequence information of lineages more closely related to Hippocampus, which are missing in our study, would improve the resolution of the dataset and thus allow us to formulate better informed conclusions. Therefore, we encourage further studies filling these gaps in genomic knowledge./p>10 Kbp) fragments. Single-molecule sequencing was then conducted on a PacBio Sequel platform to generate long-read data./p>

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