Evolution of eyes: Pax, gene duplications & morphology

Abstract

During the course of evolution animal complexity and diversity is generated. The last couple of years it has become increasingly clear that morphologically diverse animals share a great deal of their genomic contents, and it must be the expression of regulatory genes in new setting, rather than the generation of new genes, that are fundamental for the generation of diversity. Basal phyla hold a key position for explaining the generation of diversity. About 10 years ago it was realized that eyes that had previously been believed to constitute classical examples of convergent evolution, share the genes patterning their development. We have here studied one of these patterning genes (pax), and the morphology of evolutionary basal animals. Cnidarians have nervous systems and simple ocelli despite being overall morphologically simple. We isolated three pax genes from Aurelia, Polyorchis and Chiropsalmus. With a re-evaluation of the early evolution of the Pax family, we concluded that the last ancestor to cnidarians and Bilateria had a repertoire of at least 4 pax genes. Pax genes are recognized by a highly conserved paired domain, which binds to conserved DNA sequences. We showed that the coral PaxD paired domain does not bind to these conserved sequences in vitro. This is surprising considering the fact that PaxD is closely related to the Bilateria Pax3/7 subfamily – members of which all bind to conserved DNA sites. With mutagenesis we identified two adjacent residues to be primarily responsible for the observed lack of binding. Cnidarian larvae are of the planula type. The larva’s main purpose is to find the optimal settling location for metamorphosis into a sessile polyp. We have showed that cubozoan larvae, although morphologically simple, have distinct ocelli that might aid in settling. Finally we have studied vertebrate evolution. Vertebrate rods and cones provide night and day vision respectively. Not only opsins, but also several of the phototransduction proteins differ between the two cell types. It is believed that the vertebrates underwent two whole-genome duplications after the divergence from early chordates. We have showed that the generation of rod and cone specific phototransduction paralogs took place at the time of the early vertebrate tertaploidizations.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

PAX FÖR MANETER! Evolutionen är den process som format det liv vi ser omkring oss. Ända sedan Darwins tid har man känt till att arter och djurgrupper uppstår genom att det finns en variation mellan individer och att då tillgångarna begränsas (såsom mat eller utrymme) blir det de bäst anpassade som överlever och fortplantar sig. Flercelliga djur har funnits på jorden i kanske 1 miljard år. Nässeldjuren (djur som “bränns”, som maneter, koraller och havsanemoner) tillhör de allra första djur som uppstod. morfologiskt (till utseendet) har de förändrats mycket lite fram till idag.



I den här avhandlingen (Evolution of eyes: Pax, gene duplications and morphology) har evolutionära mekanismer studerats med hjälp av olika metoder. Dels har jag använt mig av molekylära metoder, men även av morfologiska studier. Avhandlingen består av fyra delarbeten. Eftersom nässeldjuren tillhör de mest ursprungliga djurarterna har huvuddelen av arbetet fokuserats på maneter och koraller. Nyare djurgrupper (som ryggradsdjuren/vertebraterna som vi tillhör) uppstod till stor del under en kort tidsperiod kallad Cambriska explosionen för över 500 millioner år sedan. Dessa grupper är alla lika varandra genetiskt sätt. Eftersom de nyare arterna med mer komplex morfologi, som bilateral symmetri (höger och vänster kroppshalva), och en hjärna med associerade sinnesorgan, är så lika genetiskt sätt, krävs jämförelser med de ursprungliga arterna för att man ska kunna förstå mekanismer som skapat komplexitetsskillnader.



En transkriptionsfaktor är ett protein som kan binda till DNA och påverka vilka andra gener som uttrycks (d v s blir protein). Transkriptionsfaktorer är ofta viktiga under utvecklingen från ett befruktat ägg till en nyfödd individ för att alla organ ska hamna på rätt ställe. En transkriptionsfaktorfamilj som jag studerat i min avhandling heter Pax (PAired boX), och påverkar nervsystemets och sinnesorganens utveckling. I nässeldjur är Pax också involverad i nervformation.



Jag har studerat Pax i två delarbeten. I det första har jag identifierat nya Pax-gener från tre olika manetarter - den vanliga öronmaneten, en australisk farlig kubmanet (“stinger” eller “sea wasp”) och en kanadensisk liten “bell jelly”. Med hjälp av dessa Pax-gener och en ordentlig analys av de Pax-gener man känt till sedan tidigare, har den tidiga evolutionen av denna transkriptionsfaktorfamilj omvärderats. Detta visar hur viktigt det är med ursprungliga arter för att vi ska kunna förstå tidiga evolutionära händelser. I analysen visade det sig att i den senaste gemensamma släktingen till oss och maneter fanns det minst fyra Pax-gener. Detta ska jämföras med att i oss idag finns det bara nio olika Pax-gener. Det visar att genetiskt var denna avlägsna släkting väldigt avancerad, även om morfologin på sin höjd liknade den hos dagens nässeldjur.



Alla Pax-protein binder till mycket lika DNA-sekvenser. Detta har man känt till i ett 10-tal år. I det andra delarbetet visar jag att ett Pax-protein från en korall inte alls binder till dessa DNA-sekvenser. Detta är konstigt, då den strukturellt liknar de Pax-protein som binder. Genom att byta ut enskilda aminosyrepositioner (ett protein består av en lång rad aminosyror) identifierade jag varför den inte band till DNA som den borde. Det visade sig att av en sekvens på 128 aminosyror, så var det bara två som gjorde att denna transkriptionsfaktor inte längre kunde känna igen sin DNA-sekvens.



Flera manetarter har ögon eller enklare ljuskänsliga organ. Bland maneterna är det de australiensiska farliga maneterna som har de mest avancerade ögonen. Nässeldjur har små cilierade larver som simmar omkring några dagar innan de sätter sig på havsbotten och omvandlas till polyper. När de är polyper kan de inte längre flytta på sig. En mängd olika nässeldjurslarver har studerats tidigare. Jag använde mig av elektronmikroskopi för att titta på kubmanetlarver. Det visade sig att de små larverna (bara 0,1 mm långa) har 10 - 15 enkla ögon som sitter i bakändan och tittar framåt. Detta är säkert användbart då djuren ska välja var de ska sätta sig för att bli polyper. Dessutom har larverna inga nerver. Eftersom dessa enkla ögon bara finns i kubmanetlarver, torde det vara en evolutionär uppfinning inom denna djurgren, vilket visar hur ljuskänslighet kan uppstå på nytt under evolutionen.



I det sista arbetet studerade jag syn-transduktionen i vertebrater. I näthinnan finns det två celltyper för syn. Tappar och stavar används för att vi ska kunna se på dagen respektive på natten. Tappar är optimerade för att se färger, medan stavar är optimerade för att vi ska kunna uppfatta mycket låga ljusintensiteter. När jag studerade de molekyler som gör att våra ögon omvandlar ljus till en nervsignal, visade det sig att dessa utökats under den tid man tror att genomdupliceringar tagit plats (man tror att vertebratgenomet – d v s all kromosomer – duplicerades tidigt I vår evolutionära gren). Det betyder att de skillnader man kan se mellan tappar och stavar har sin grund i den tidiga vertebratevolutionen. Jag kunde se detta genom att titta på evolutionen av proteinfamiljer, men också genom att studera var på kromosomerna generna är lokaliserade.



Med den här avhandlingen har jag visat ett antal exempel på hur evolution kan gå till. Bland annat har jag visat Pax-uppsättningen hos ett hypotetiskt djur som levde för nästan en miljard år sedan, att det finns en korall-pax som inte binder till DNA som den borde, att enkla ögon kan uppstå i manetlarver, och att skillnaden mellan våra tappar och stavar har sin grund i genomduplikationer. Dessa är alla intressanta exempel på molekylära och morfologiska evolutionära innovationer. Mycket återstår att göra, men dessa resultat är steg på vägen för att förstå mekanismer bakom de komplexitetsskillnaderna vi ser mellan olika djur.

• author: Nordström, Karin
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Prof Schmid, Volker
• organization: Department of Biology
• publishing date: 2003
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Zoology
• keywords: animal morphology, Djurs anatomi och morfologi, Animal anatomy, tetraploidization, planula, phototransduction, pax, paired domain, mutagenesis, cnidaria, eye evolution
• pages: 120 pages
• defense location: 10.00, June 6, 2003, Zoology Building, Högtidssalen
• defense date: 2003-06-06 10:00:00
• ISBN: 91-85067-02-4
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Article: I. Karin Nordström, Dan Nilsson, David Miller, Dan Larhammar. Early evolution of the Pax family. (2003) Manuscript Article: II. Karin Nordström, Ingo Scholten, Johanna Nordström, Dan Larhammar, David Miller. Mutational analysis of the Acropora millepora PaxD paired domain highlights the importance of the linker region for DNA binding. (2003) Submitted Article: III. Karin Nordström and Dan Nilsson. A visual system without neurons in jellyfish larvae. (2003) Submitted Article: IV. Karin Nordström and Dan Larhammar. Extensive duplications of phototransduction genes in early vertebrate evolution correlate with block (chromosome) duplications. (2003) Submitted The information about affiliations in this record was updated in December 2015. The record was previously connected to the following departments: Zoology (Closed 2011) (011012000)
• id: b10f2477-4990-42a9-88a3-9ee72b2a67f4 (old id 465922)
• date added to LUP: 2016-04-04 12:13:43
• date last changed: 2018-11-21 21:09:45