大規模な生態系を介した新規頭足類遺伝子制御と発現の出現

Nature Communications volume 13、記事番号: 2172 (2022) この記事を引用

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コレオイド頭足類（イカ、イカ、タコ）は、無脊椎動物の中で最大の神経系を持ち、多くの系統固有の形態的特徴と相まって複雑な行動を可能にします。これらの革新の根底にあるゲノム基盤は依然として不明です。モデルイカのユープリムナ・スコロープの比較および機能ゲノミクスを使用して、頭足類ゲノムの独特のゲノム、トポロジカル、および制御構造を明らかにします。私たちは、コレイド頭足類のゲノムが他の動物と比較して広範囲に再構成され、数百もの密接に関連した進化上のユニークな遺伝子クラスター（マイクロシンテニー）の出現につながったことを示します。このような新規なマイクロシンテニーは、独特の制御構造を持つトポロジカルなコンパートメントに対応し、複雑な発現パターンに寄与します。特に、頭足類神経系の発現が広く豊富に含まれる頭足類イノベーション（MACI）に関連する一連のマイクロシンテニーを特定します。私たちは、MACI の出現が頭足類の神経系の進化に役立ったと仮定し、マイクロシンテニックプロファイリングが頭足類の革新を理解する上で中心となることを提案します。

頭足類は無脊椎動物の中で最大の神経系を持ち、迅速な適応迷彩、吸盤付きの腕、カメラ型の目など、多くの系統に特有の適応を備えています。頭足類の特徴の多くは脊椎動物の特徴に収斂的に進化したため、大規模な生物革新の遺伝的基盤とその進化の背後にある経路を研究するための魅力的なシステムとなっています。

ゲノムレベルでは、新規遺伝子の出現、大規模な遺伝子重複、および広範な RNA 編集が頭足類ゲノムで報告されています 1。 C2H2、プロトカドヘリン、GPCRなどの遺伝子ファミリーの拡大と大規模なRNA編集により、神経系におけるタンパク質をコードする転写産物の多様化が可能となり、神経系の進化において重要な役割を果たしたと考えられている。同様の革新が脊椎動物のゲノムからも知られているが、これらの特徴の進化を促すメカニズムは異なっている。脊椎動物は、複数回の全ゲノム重複を経て、大規模なマルチコピー遺伝子セットとその機能の多様化を生み出したが、それを示す兆候はない。頭足類における同様の現象について1、2、3。対照的に、コレオイド頭足類 (イカ、イカ、タコ) の系統は大規模なゲノム再構成を経たことが示唆されています 2,3。

後生動物のゲノムの特性は、局所的な遺伝子の順序やマイクロシンテニーが、たとえ遠縁の種間でも保存されていることです4,5,6。この保存は、ゲノム調節ブロック (GRB) 4、5、7 に示される調節制約の機能的研究や、組織または細胞型における隣接遺伝子の共発現 8 によって裏付けられています。いくつかのコレイドにおける初期のゲノム集合は、局所的な遺伝子の順序が大きく破壊され、古代のミクロシンテニーを破壊し、以前はリンクされていなかった遺伝子を結びつけたことを示しています2,3。この出来事は潜在的に全ゲノム規模で、数百の遺伝子ファミリーに影響を及ぼし、コレイド頭足類や他の軟体動物の最後の共通祖先と比較して遺伝子の順序を混乱させた可能性がある。頭足類には染色体スケールの集合体が存在しないため、この現象の程度を推定することは困難です。ゲノム再構成の範囲と、それが頭足類ゲノムの生物学と進化に与える影響を理解し始めるために、私たちは新興モデル種 Euprymna scolopes (ハワイアンボブテイルイカ) を研究します。この種は 30 年以上にわたって共生研究の中心となってきました 9,10 が、成体のサイズが小さく、抱卵が大きく、培養が比較的容易であるため、進化と発生の研究にとって魅力的なモデル系でもあります。

E. scolopes ゲノムの制御状況を再構築するために、染色体立体構造捕捉 (Hi-C) およびオープンクロマチンプロファイリング技術 (ATAC-seq) を適用し、追加の発現データを収集しました。 Hi-C により、以前に公開された E. scolopes のゲノムアセンブリを改善することと、ゲノムの三次元構成を捕捉することができました。比較ゲノムアプローチを使用して、我々は、コレオイド頭足類におけるゲノム再シャッフルの全体的な性質を説明し、他の種では以前はリンクされていなかった多くのマイクロシンテニック領域の出現を実証します。また、我々のデータは、遠く離れたゲノム遺伝子座（ゲノムのトポロジー的構成）間の相互作用を明らかにし、E. scolopes ゲノムの三次元構成を明らかにするとともに、調節ループおよびトポロジカル関連ドメイン（TAD）に位置する遺伝子を同定する。私たちのオープンクロマチンデータは、転写因子がアクセスできる領域、つまり調節要素を構成する可能性がある領域を明らかにしています。これらのデータを総合すると、遺伝子連鎖における進化的変化と新しい遺伝子制御の出現の影響についての洞察を得ることができます。この研究は、頭足類ゲノムの進化の理解と、このクレードの形態学的新規性に対する考えられる影響を理解するための基礎を提供します。

染色体立体構造捕捉からの連鎖情報により、公開されたアセンブリに基づいて E. scolopes の 46 個の染色体足場を再構築することができました (「方法」、補足注 1 および 2、補足図 1a、b)。次に、海綿動物から脊椎動物に至る別の 24 の動物種で見つかったオルソログと遺伝子の順序を比較し、異なる分岐群間で共有されるマイクロシンテニックブロックを再構築することができました (「方法」、補足注記 3、補足図 2a、補足データ 1)。。簡単に言うと、我々はマイクロシンテニックブロックを、共線性に対する制約のない、最大5つの遺伝子が介在する、少なくとも3つ以上の共起オルソロガス遺伝子として定義します。このマイクロシンテニーの定義により、(遺伝子のペアだけと比較して) 偽陽性ブロックが最も少なくなり、同時に、局所的な再構成と拡張が行われたシンテニック領域を検出するのに十分な柔軟性が提供されます。私たちは、頭足類に特有の 505 個のマイクロシンテニーを回収しました。これは、E. scolopes と少なくとも 1 つのタコ種で互いに近接してのみ見られる遺伝子ブロックを表しています。同じ種のサンプリングと同じマイクロシンテニー検出パラメータの場合、偶然には 2 ブロックのみが予想されます (6 で説明されているように、3 ラウンドのランダム化からの中央値)。これらの 505 ブロックのうち 5 つはパラロガスでした。これらの505ブロックの2290遺伝子のうち、合計で48遺伝子のみが頭足類以外では相同性のないオーファン遺伝子として同定されたが、他のすべての遺伝子は他の動物にオルソログがあり、マイクロシンテニーの起源が新規ではなく遺伝子位置の変化によるものであることを示唆している。遺伝子の出現。これらのマイクロシンテニーは、分岐時間が長いにもかかわらず、コレオイド頭足類で保存されており（図1b、c）、これらの遺伝子ブロックを一緒に保つ進化上の制約が示唆されています。同様に、ホタテ貝のミズホペクテン・イエスソエンシス11や二枚貝のクラッソストレア・ギガスなどの他の軟体動物での比較では、これらの種間で共有される二枚貝特有の微小合成の数ははるかに少ない（152）ことが示されました。高度に保存されたマイクロシンテニーブロックのセットを推論するために、E. scolopesと23種のセットのうち少なくとも6つの遠縁種との間で共有されるマイクロシンテニーを再構築しました（補足図2）。我々は、そのような後生動物のミクロシンテニーを275個回収しました。これらはE. scolopes系統に保持されており、少なくとも最後の共通の左右相称祖先まで遡ると推定されています（図1c、補足図2a、「方法」）。比較すると、二枚貝の M. イエスソエンシスは、同様の数の後生動物の微合成を保持しています (216)。これらの結果は、コレオイド頭足類における大規模なマイクロシンテニーの増加の証拠を提供します。

ユープリムナ・スコロープスが孵化した写真。 b 新口動物および他の前口動物からの主要な頭足類系統の分岐時期を示す概略図 53,54。 c 他の後生動物で保存されているシンテニーの喪失と、頭足類内での多数の新規の頭足類に特有のマイクロシンテニーの出現を示すチルコスプロット。各線は、異なる種間で共有されるシンテニッククラスターを表します。オレンジ色の線は、これら 24 種のうち少なくとも 7 種間で共有されるシンテニッククラスター (祖先、後生動物クラスター) を示します。緑色の線は、5 つ以上の軟体動物の間で共有されているが、非軟体動物種には存在しない、新規の軟体動物シンテニーを表します。青い線は、3 つの頭足類すべて (濃い青) または 3 つの頭足類のうちの 2 種 (水色) の間で共有されているが、非頭足類の種には存在しない、頭足類に特有のシンテニーを表します。灰色の線は、前のカテゴリのいずれにも当てはまらない他のシンテニーを表します。略語：ACA -Acanthaster Planci、Aqu -Amphimedon Queenslandica、BFL -Branchiostoma Floridae、Cel -Caenorhabditis Elegans、CGI -Crassostrea gigas、CMI -Callistoctopus Minor、CTE -CTE -CAPITELLA TELETA、DME -DROSOPHILAメラノガスギガンテア、Mle - Mnemiopsis leidyi、Mye - ミズホペクテンイエスソエンシス、Nve - Nematostella vectensis、オビ - オクトパスビマクロイデス、スコ - Saccoglossus kowalevskii d 遺伝子密度の分布を示す E. scolopes の染色体スケール全体の足場 (右) の例 (右)、頭足類-特異的（青）と保存された後生動物（オレンジ）のシンテニー。 2 つの特定のシンテニックブロック内の遺伝子の位置を示す挿入図 (左)。

頭足類特異的および保存された後生動物のマイクロシンテニーブロックは両方とも、46 個の染色体足場のうち 44 個に存在します (2 つの染色体は小さすぎてマイクロシンテニーを含めることができません)。一部の染色体は新規の頭足類のマイクロシンテニーの割合が高くなりますが（補足図1b、c）、両方のマイクロシンテニータイプがゲノム内で混在しています（図1d）。この結果は、新規マイクロシンテニーの出現に関するゲノム規模のメカニズムを示唆しています。 232 の新規頭足類マイクロシンテニーを構成する単一コピー遺伝子の大部分 (71%) は、ホタテガイ M. イエスソエンシスの異なる染色体上に位置しています。最近発表されたオウムガイのゲノム 12 の構成は他の軟体動物と類似しているため、これらの結果は、コレイドの祖先に多くの転座または染色体レベルの融合が起こったことを示唆しています。

新規の頭足類と保存された後生動物のミクロシンテニーは、異なるゲノム特性を示します。新しい頭足類のマイクロシンテニーは、同様の数の遺伝子を持っているにもかかわらず（補足図2c）、頭足類のゲノムに依然として存在する後生動物のマイクロシンテニーよりも平均してサイズが小さい（補足図2b）。頭足類に特有のマイクロシンテニーの遺伝子のイントロンは後生動物のマイクロシンテニーの遺伝子のイントロンよりも小さいですが、サイズの違いの大部分は遺伝子間領域に由来します（それぞれ、〜7 kbの差と比較して〜0.2 kb）。

また、2 つのマイクロシンテニータイプ間で機能カテゴリーが異なって強化されているという証拠も見つかりました。後生動物のミクロシンテニー 6 には、特に、Wnt シグナル伝達経路、神経伝達物質輸送およびシナプス小胞エキソサイトーシス、G タンパク質共役受容体シグナル伝達、転写の負の制御、BMP シグナル伝達経路などのシグナル伝達経路構成要素が豊富に含まれています。一方、新規の頭足類特異的マイクロシンテニーにおける遺伝子は、翻訳、酸化還元プロセス、ストア作動性カルシウム流入の調節、mRNA切断、輸送、およびクロマチン組織化において役割を果たしている（p値<0.05）（補足図1）。 3)。

トポロジー関連ドメイン (TAD) を含む三次元クロマチン構造は、遺伝子制御に関与する遠隔制御相互作用を促進します 13,14。無脊椎動物のゲノムトポロジー構成に関するデータはこれまでにほとんど存在しませんが、脊椎動物のTADサイズについて知られているデータと比較して、相互作用距離は一般にイカの方が大きいことがわかりました（図2a、b、補足注4）。 TAD 予測ツール (「方法」を参照) では、ヒトでは平均 1.2 Mb であるのに対し、E. scolopes の TAD サイズの中央値は 2.5 Mb であることが明らかになりました。さらに、E. scolopes における TAD サイズの分布はヒトよりもかなり広く、ばらつきが大きいことが示唆されました。

a 上:染色体足場 10 の解像度 100 kb の Hi-C 正規化相互作用行列。下:tadbit によって予測された相対 Hi-C カウントおよび TAD 境界スコア (1 = 最低、10 = 最高)。 b 100 kbの解像度で計算され、100 kbのビンにプロットされた、ヒトおよびユープリムナのスコロップのTADサイズ分布のバイオリンプロット。 c 100 kbpの予測TAD境界におけるホーマーモチーフ検索によって同定されたCTCF結合モチーフ。 d 個々の染色体足場の bp あたりの溶媒面積表面暴露 (SASA) (観察およびランダム)。 x 軸は保存された後生動物のシンテニー、y 軸は頭足類に特有のマイクロシンテニー。 e 新規（青色）および保存された（黄色）マイクロシンテニー位置がラベル付けされた染色体足場 10 の三次元モデル。左右のモデルは同じですが、90°ずらされています。

脊椎動物では、TAD 形成は CTCF やコヒーシンなどのタンパク質によって媒介されます 16、17。 CTCFおよびコヒーシン複合体のタンパク質Smc1およびSmc3を含む同じ機構がE. scolopesのゲノムに存在し、他の動物にも保存されていると推測され、同様の機構が頭足類にも展開されている可能性があることを示唆しています（補足図4）。また、TAD 境界には、CTCF 結合部位を彷彿とさせる CCCTC 様モチーフが豊富であることがわかります 18、19、20 (図 2c、p = 1e−12、「方法」、補足注 4)。

いくつかの研究では、後生動物ゲノムにおけるマイクロシンテニーと調節ドメインが一致する可能性が示唆されています4、5、7、8、21、22、23。マイクロシンテニーとTADの関係を理解するために、ランダムに計算されたマイクロシンテニックブロックの局在を比較しました。このブロックは、観察されたブロックと同じ特性に従いますが、観察されたマイクロシンテニーとゲノム全体にランダムに分布しています（「方法」）。保存された後生動物のマイクロシンテニーは予測されたTADの中心に向かって局在する傾向があるのに対し、新しい頭足類のマイクロシンテニーはより均一に分布しているようです（図3a）。

a 正規化された TAD 内の観察されたマイクロシンテニー位置とランダム化されたマイクロシンテニー位置の中心の密度間の比。比率は、後生動物のシンテニーでは TAD の中心に向かって増加し、頭足類のシンテニーでは減少します。 b ランダムシミュレーションと比較した、新規および後生動物のミクロシンテニーのコンパクトさ。マイクロシンテニッククラスターには少なくとも 3 つの遺伝子が含まれている必要があります。ツリーに注釈が付けられている遺伝子の数が少ない場合、これらのクラスターは除外されます。プロットされているのは、ビン数間の比率です (40 kb Hi-C 解像度、頭足類のマイクロシンテニービン n = 143,969、後生動物のマイクロシンテニービン n = 82,417、ランダムな頭足類のマイクロシンテニービン n = 3,499,849、ランダムな後生動物のマイクロシンテニービン n = 1,889,6) 87) マイクロシンテニックでクラスター (7 および 25 ビン内、有効なマイクロシンテニー: 頭足類 n = 265、後生動物 n = 125、ランダムな頭足類 n = 4265、ランダムな後生動物 n = 2180) およびそれらのマイクロシンテニックビンの最後の共通祖先からの「子孫」ビンの数(「方法」、頭足類 n = 143,969、後生動物 n = 82,417、ランダムな頭足類 n = 3,499,849、ランダムな後生動物 n = 1,889,687)。クラスター内のビンの数とサブツリー内のビンの数の比率 (n = 6835) は、リンクされたグループを比較する両側 Wilcoxon 順位和検定によって比較されました (****p < 0.0001、* < 0.05、ns: 有意ではありません)。比率が 1 に近づくほど、シンテニックブロックのサイズと抽出されたツリー内のビンの数の差が小さくなります。バイオリンプロット - 分布、ボックス - 四分位範囲 (頭足類 = 下位 0.06、上位 0.56、後生動物 = 下位 0.01、上位 0.58、ランダムな頭足類 = 下位 0.01、上位 0.49、ランダムな後生動物 = 下位 0.01、上位 0.46)、バー - 中央値 (頭足類) = 0.31、後生動物 = 0.28、ランダムな頭足類 = 0.18、ランダムな後生動物 = 0.17)、ひげ - 1.5x 四分位範囲内の最も遠いサンプル (頭足類 = 最小 0.002、最大 0.94、後生動物 = 最小 0.002、最大 0.95、ランダムな頭足類 = 最小 0.002、最大 0.96、ランダムな後生動物 = 最小 0.002、最大 0.96)、最大および最小比: 頭足類 = 最小 0.00189、最大 = 0.941、後生動物 = 最小 0.00217、最大 = 0.952、ランダムな頭足類 = 最小 0.00151、最大 0.962、ランダムな後生動物 = 最小 0.00150 、最大0.96。 c マイクロシンテニッククラスターにおける遺伝子の共発現相関（頭足類 n = 476、後生動物 n = 236、ランダムな頭足類 n = 6925、ランダムな後生動物 n = 4038）。後生動物のシンテニーの共発現相関は、頭足類特異的なシンテニーまたはランダムクラスターの共発現相関よりも高くなります (****p < 0.0001、***p < 0.001、* < 0.05)。バイオリンプロット - 分布、ボックス - 1.5x 四分位範囲内の最も遠いサンプル (頭足類 = 最小 -0.69、最大 0.87、後生動物 = 最小 -0.63、最大 1.0、ランダムな頭足類 = 最小 -0.72、最大 0.95、ランダムな後生動物最小 -0.66、最大0.9)、バー - 中央値 (頭足類 = 0.05、後生動物 = 0.15、ランダムな頭足類 = 0.07670835、ランダムな後生動物 = 0.07) 外れ値はこれらの数値から除外されました。最大値と最小値: すべての場合で -1 と 1。 d シンテニークラスターごとの平均発現のクラスター化（シンテニータイプごとに色分け）、Euprymna scolopes 成体組織間の発現。シンテニッククラスターは、特定の発現パターンを持つ 8 つの発現モジュールを形成します。式行列は Z スコアが正規化されています。光の器官—E. 共生生物を宿すスコロープ特有の器官、副生殖腺 - 一部のイカ種の雌特有の生殖器官。 e 器官形成後期におけるATACピーク位置の注釈。頭足類特有のマイクロシンテニーに関連すると注釈が付けられたピークは、イントロン領域でより頻繁に見られます。プロモーターは、+10 kb および -10 kb の予測転写開始部位として定義されます。

TAD予測とは独立してゲノム領域の関係とその相互作用をさらに研究するために、各染色体足場の構成を反映するツリー構造を計算しました（「方法」、補足注4）。各分岐枝は Hi-C 信号強度におけるゲノム領域の関係を反映しており、マイクロシンテニーにおける相互作用強度を追跡することができます (図 3b)。驚くべきことに、新規のマイクロシンテニーは、ランダムにサンプリングされたシンテニーと比較した場合、分岐の少ないサブツリーに反映される緊密な相互作用領域を形成する可能性が高いことがわかりました（図3b）。この結果は、頭足動物と祖先のミクロシンテニーの両方において、かなり高いレベルの区画化が存在することを示しています。

ユープリムナスコロップにおける三次元ゲノム構造とマイクロシンテニック共局在の重要性を動機として、Hi-C 相互作用行列に基づく三次元モデリングが実行されました (「方法」、補足図 5、補足注 5)。モデル化された染色体足場内の新規および古代の両方のマイクロシンテニック領域の空間特性と共局在の理解。三次元モデルにより、新規の頭足類のマイクロシンテニーは古代のマイクロシンテニーとは異なる空間的性質を持っていることが明らかになりました。特に、両方のシンテニータイプは、ランダム分布と比較した場合、一部の染色体上で異なる溶媒アクセス性を示しました（図2d）。さらに、新規の頭足類のマイクロシンテニーは平均して埋もれておらず、染色体表面のより大きな部分を覆っていました（補足図6）。この結果は、染色体コアの形成に関与する傾向がある、保存された後生動物のミクロシンテニーとは対照的でした（図2e、補足図6）。新規のマイクロシンテニーは転写的に活性であるため(図3、下記参照)、染色体表面上のそれらの位置は、転写因子がより接近しやすいだけでなく、非常に動的な染色体間調節を反映している可能性がある。

後生動物および頭足類に特有のマイクロシンテニーの GC 含有量を、Hi-C 相互作用マトリックスに基づく A/B コンパートメントの予測とともに評価しました (「方法」)。この分析では、いずれかの区画でミクロシンテン性タイプの 1 つがより蔓延しているという十分な証拠は得られませんでした。ユープリムナ・スコロープに関するさらなる実験データ（メチル化およびアセチル化プロファイリングなど）が入手可能になるまで、A/B コンパートメント内の頭足類特異的および後生動物の微共調の分布を正確に推測することはできません。

総合すると、配列決定された頭足類間の強力なゲノム保存、マイクロシンテニッククラスターの比較的緊密なパッケージング（遺伝子間の距離が短い）、および検出されたTAD内の定義されたサブコンパートメントとの一般的な関連性は、頭足類における新規のマイクロシンテニックユニットの制御特性を維持するための強い選択圧を示唆していますゲノム。

シンテニック遺伝子の共発現は、その制御を反映できる重要な特性です。頭足類に特異的なマイクロシンテニーの遺伝子は、緊密な共局在にもかかわらず、共発現する傾向がありません（「方法」、補足注記7）。観察された新規マイクロシンテニーと同様の分布に従うランダムにサンプリングされた遺伝子グループと比較した場合、平均共発現係数は観察されたデータでさらにわずかに低くなります（ウィルコクソン検定、p ≤ 0.05、図3c）。対照的に、保存された後生動物のマイクロシンテニーは、シミュレートされたマイクロシンテニーと比較した場合、有意な（ウィルコクソン検定、p ≤ 0.001）共発現を示します（図3c）。この結果は、古代後生動物のミクロシンテニーに関する以前の発見と同様に、後生動物のミクロシンテニーにおける遺伝子が、規定された組織セットで共発現する傾向があることを示しています8。同様のパターンが、O. bimaculoides における新規および保存された後生動物のミクロシンテニーの共発現でも観察されました（補足図7a）。どのタイプのマイクロシンテニーも、特定の組織における発現特異性の強化を示さなかった 24。

発現プロファイルをさらに分類するために、シンテニック領域の平均発現を調査しました。この分析により、成体 E. scolopes 組織全体にわたる 8 つの異なる発現モジュールに分類される複雑なパターンが示されました (図 3d、「方法」、補足注 7)。ほとんどのモジュールは両方のマイクロシンテニータイプの割合が同様でしたが、一部のクラスターは外れ値を形成しました。たとえば、モジュール 8 は眼特異的な発現を示し、後生動物のミクロシンテニーがほとんどを占めていました。興味深いことに、複数の神経組織を含むクラスター、特にモジュール 2 および 4 では、新規の頭足類のミクロシンテニーが豊富でした (フィッシャーの直接検定の p 値 ≤ 0.02 および ≤ 1e-07)。それらのオルソログはO. bimaculoides神経組織でも同様に発現され、最も強い脳発現に関連するモジュールで新規のマイクロシンテニーが優勢でした（補足図7b）。ただし、モジュール全体の対応は、組織サンプリングの違いの影響を受けました（補足図7c）。

次に、これらの発現パターンが、シンテニックブロックあたり 1 つの高発現遺伝子によって偏っているかどうかを調査したいと考えました。マイクロシンテニックブロックの大部分（76％、補足図8b）には、累積発現の50％以上に寄与する1つの遺伝子があります。次に、遺伝子ごとに組織全体の相対発現レベルを計算し、それをブロックごとに平均し、全体的な発現モジュールの同一性が保持されていることを示しました（補足図8a）。一般に、発現分散は遺伝子の絶対発現と相関します（補足図8c）。ただし、いくつかの後生動物のシンテニー、特にモジュールを定義する組織では分散が低く、より高い共発現制約を示しています（補足図8c）。

まとめると、これらの結果は、マイクロシンテニー領域の複雑な発現ドメインの寄与を強調し、新規の頭足類と後生動物のマイクロシンテニー間の共発現ダイナミクスの不一致を特定します。頭足動物のマイクロシンテニーにおけるこの共発現の不足は、それらの遺伝子調節の様式が潜在的に異なることを示しています。

発現モジュールは、それらに関連する調節モチーフの特異的な特徴を示しました。我々は、発生時間経過からのトランスポザーゼアクセス可能なクロマチン（ATAC-seq25）データのアッセイを使用して制御領域を予測しました（「方法」、補足注9）。次に、各発現クラスターに関連する予測ピークを、頭足動物と古代のミクロシンテニーに分けて、既知の転写因子モチーフの濃縮についてさらに分析しました（「方法」、補足データ 2）。我々は、複数の神経組織に関連する頭足類のマイクロシンテニーモジュール2には、神経系の分化および発生に関与する転写因子結合モチーフであるChop26、E2F127、NeuroG228、COUP-TFII29、Atf430、ZBTB18、Esrrb、Tcf21が豊富であることを発見した。、Pitx1、GATA は 3 つの発達段階すべてにあります (p < 1e−3)。モジュール 4 も同様に、3 つの発達段階すべてにおいて、Tcf3、TCFL2、GATA、Tcf21、Pitx1 などの神経系および一般的な発達に関与する転写因子結合モチーフが豊富でした（p < 1e−3）。これは、各発現モジュールにおける遺伝子発現に関与する共通の制御スキーム、およびそれらのモチーフと新規の頭足類のミクロシンテニーとの関連を示唆している。

ATAC-seqデータを補完するために、異なるアライメント類似性と長さの閾値を使用して、利用可能な頭足類ゲノム間の全ゲノムアライメントを実施しました（「方法」、補足注記8、補足表5、および補足図9）。これは、潜在的な保存された非コーディング要素（CNE）と、それらの遺伝子本体およびゲノムトポロジーとの関連を特定するのに役立ちました（「方法」、補足図10、補足注記8）。イカとタコの系統間の進化上の距離により、私たちのアプローチでは、類似性閾値が0.95、最小サイズが100 bpの関節型頭足類のCNE候補が1187個しか得られず（補足表5）、そのうち613個は遺伝子特徴に局在化できました（補足図 10a–c)。 139個は新規の頭足動物のマイクロシンテニー（マイクロシンテニーの内部または1kb以内）に関連し、73個はマイクロシンテニーの内部または1kb以内の後生動物のシンテニーに関連し、401個は任意のシンテニーの外側に位置しました（補足図10b）。 1187 個の候補のうち 12 個だけが ATAC-seq ピークと重複していました (補足表 5)。イカゲノム間で共有されるCNEについては、類似性閾値が0.95、最小サイズが100 bpである推定CNEが42920個見つかりました（補足表5）。そのうち13889個は遺伝子特徴に局在化できました（補足図10a〜c）。 2444個は新規の頭足動物のミクロシンテニー（ミクロシンテニーの内部または1kb以内）に関連し、3255個は後生動物のシンテニーに関連し、8190個はシンテニーの外側の遺伝子の周囲に位置していました（補足図10c）。同様に、ATAC ピークと重なるものはほとんどありませんでした (14)。したがって、これらの領域の規制上の役割は不明のままです。

この観察への潜在的な寄与は、イカ系統内の調節領域の進化的代謝回転が高く、ゲノム整列/保存に基づく推論から得られる洞察を減少させている可能性があります。頭足類のゲノムは大きく、ゲノム長の 50% 以上が反復要素に起因すると考えられています 2,3。したがって、マイクロシンテニッククラスターに関連するATAC-seqピークの転移因子組成を評価しました。どちらのマイクロシンテニータイプでも、平均リピート率は 40% でした。 E. scolopes の頭足類のマイクロシンテニーにおける ATAC-seq ピーク配列は、82% の高い反復要素含有量を示し、最も頻繁に LINE/CR1-Zenon 要素と関連していました (後生動物のマイクロシンテニーピークの 35% と比較して 44%)。 LINE/CR1 拡張は、イカ (E. scolopes) 系統において最も一般的で特に拡張されたリピート要素クラスとして特定されました 3。

保存された遺伝子の共局在は、たとえ遺伝子の機能が無関係であっても（傍観者のシナリオ）、一緒にゲノム制御ブロック（GRB）を形成する4、5、または共有の制御要素を介して、隣接する遺伝子内の制御領域によって説明される可能性があります。すべてのシンテニック遺伝子の発現を制御し、より高い共発現をもたらします8。私たちのマイクロシンテニーアプローチはこの区別にとらわれず、3つ以上の遺伝子の保存された共局在に焦点を当てています。したがって、我々はデータを使用して、既知の機能的マイクロシンテニーモデルに対応する後生動物または頭足動物のマイクロシンテニーの傾向を独立してプロファイリングすることができます。マイクロシンテニッククラスター内のATAC-seqピークの位置は、頭足類特異的なマイクロシンテニーに関連する開いたクロマチン領域が、保存された後生動物のマイクロシンテニーまたは他の非シンテニック遺伝子で見られるピークよりもイントロンでより頻繁に見られることを明らかにします（図3e、フィッシャーの直接確率検定） p < 1e−5）。興味深いことに、重複はほとんどありませんが、CNE分布、特にイカ間で共有されるCNEの分布は、後生動物のシンテニーの遠位領域に向かって顕著な局在化を示しました（フィッシャーの正確検定p < 2.2e−16）（補足図10）。この結果は、より保存されたマイクロシンテニーとは異なり、新規の頭足類のマイクロシンテニーは GRB シナリオ、特にバイスタンダーモデルにより類似していることを示しています。このシナリオでは、推定上のエンハンサーが同じマイクロシンテニークラスター内の密接に位置する (傍観者) 遺伝子内に見つかり、潜在的に遠位を欠いている可能性があります。規制ドメイン。この観察は、より古代の保存されたマイクロシンテニーと比較して、頭足類特異的なマイクロシンテニーにおけるマイクロシンテニー遺伝子の共発現が弱いという発見を補完する可能性もあります。

この洞察を踏まえて、我々はさらに、神経組織発現ドメインへの最も高い寄与を示した発現モジュール2および4における新規の頭足類マイクロシンテニーの潜在的な機能を調査しようと努めた。このようなマイクロシンテニーは、頭足類神経系の進化に関与する機能的マイクロシンテニーの有用なテストセットと考えることができます。したがって、我々は、発現モジュール 2 からの代表的な頭足類特異的マイクロシンテニーの 1 つにおけるゲノム再構成、制御状況、および遺伝子発現を調べました。これは、セラミド 1 リン酸転移タンパク質をコードする、最も多くの遺伝子を持つクラスターの 1 つでした。、フェニルアラニン-tRNAリガーゼ、スプライシング因子3Bサブユニット、インテグレーター複合体サブユニット、およびアミロイドタンパク質結合タンパク質。このマイクロシンテニーのオルソログはホタテ貝の2つの染色体に広く広がっていましたが（図4a）、E. scolopesのゲノムには高密度に詰め込まれており、遺伝子間スペースはほとんどなく、フェニルアラニンのイントロンのクラスターの一端に向かっていくつかの優勢なATACピークがありました。 -tRNAリガーゼ（図4b）。一般的な傾向と同様に、頭足類におけるこのクラスター化は、いくつかの局所的な転座、またはその後の再配置が続く大規模な染色体融合のいずれかを意味します。クラスターは、予測されたTADの中心に向かって局在しており（図4b）、別の新規なマイクロシンテニックユニット（同じ発現モジュールに由来）の近くにありました。これら2つのユニットは一緒になって、最も近い後生動物のミクロシンテニックコンパートメントおよびそれに関連するATACピークから分離された、高いHi-C相互作用密度のコンパートメントを形成します（図4b）。私たちの三次元染色体モデルでは、このマイクロシンテニーは染色体足場2の表面にも見つかりました（図4c）。興味深いことに、このクラスター内の遺伝子は、ホタテガイと E. scolopes の両方で神経系発現を示します（図 5a、補足注 10）。これらの遺伝子の一部は純粋に代謝遺伝子またはハウスキーピング遺伝子と考えられていますが、脊椎動物では神経系の発達と活動において重要な役割を果たすことが知られています 31,32,33,34,35。 E. scolopes 胚の発生中の遺伝子発現を視覚化するために in situ ハイブリダイゼーションを実施し、すべての主要な脳中枢領域での発現を確認しました（図 5b、c、補足注 11）。ただし、軸神経索、心臓、えらなど、他の新規な頭足類の組織および器官における発現も明らかにしました（図5b、c、補足図11）。この結果は、このマイクロシンテニークラスターと発現モジュール 2 からのその兄弟が、新規の頭足類発現ドメインの出現に決定的に貢献したバイスタンダーモデルタイプの機能的なマイクロシンテニーを構成する可能性があるという証拠を提供します。より一般的には、頭足類イノベーション (MACI) に関連するマイクロシンテニーの観察とそのさらなる調査は、複雑な頭足類組織の発現パターンの進化を分析するのに役立つ可能性があります。

a ミズホペクテンイエスソエンシスにおける MACI の 1 つのオルソロガス遺伝子の位置。遺伝子は 2 つの別々の染色体上に位置しており (上 - 染色体全体、下 - 拡大、黒 - 遺伝子密度、青 - オルソロガス遺伝子の位置)、間に多くの遺伝子が介在しています。マイクロシンテニッククラスター内の遺伝子のホタテ貝オルソログは、青色で強調表示された下部にプロットされています。 b Euprymna scolopes の同じクラスターの遺伝子。遺伝子 (青で強調表示) は、1 つの染色体足場上に密に詰め込まれており、介在する遺伝子は 1 つだけです (上 - 染色体足場全体、下 - 拡大、オレンジ - 保存された後生動物のマイクロシンテニッククラスター、青 - 頭足類特有のマイクロシンテニッククラスター)。クラスターは TAD 内にあります。 2 つの主要な ATAC-seq ピークが、3 つの発生段階におけるクラスターの最後の遺伝子のイントロン領域に存在します (y 軸 - シグナル値)。 3 つの発達段階の RNA-seq リード数は、クラスターの領域にいくつかの小さなピークを示します (y 軸 - リード数)。初期段階 - 初期の器官形成、ステージ 20、中期 - 後期の器官形成、ステージ 24/25、後期 - 孵化に近い、ステージ 28/29。 c 染色体足場 2 の三次元再構成。頭足類に特有のシンテニッククラスターが表面に位置しています。左右のビューは 90° シフトされます。

a 成体ホタテ貝および E. scolopes 組織における頭足類特異的クラスターのオルソロガス遺伝子の発現を示すヒートマップ。両種でニューロンの発現を示します。スケールバーは、行ごとの Z スコア正規化発現レベルを示します。 b 後期のスキーム（ステージ 27 ～ 29） E. scolopes の解剖学と孵化したばかりの子の断面図。 c E. scolopesの発生後期の神経組織および内臓におけるMACI遺伝子の発現。すべての遺伝子は、脳のさまざまな葉で発現を示しますが、最も支配的なのは ASM と PSM です。光の発現パターンは、ほとんどの遺伝子の視葉、消化腺、腸に存在します。発現パターンは、その強度と分布において、汎ニューロン発現ドメインの対照として選択されたベータチューブリンとは異なります。スケールバー = 100 μm。 ASM 前食道下腫瘤、DG 消化腺、ES 食道、FT 漏斗器官、GI えら、INT 腸、IS インク嚢、IYO 内卵黄、OL 視葉、PSM 後食道下腫瘤、ST 静止嚢胞。点線の円 - カラートラッピング。

要約すると、我々は、コレオイド頭足類におけるトポロジー的および調節的ゲノム構成の包括的な研究を提示する。メガ塩基範囲の相互作用を特徴とする頭足類のゲノムは、動物ゲノムの中ではまれな範囲で、ゲノム規模のシンテニック再構成の影響を受けています。この再組織化により、コンパクトなトポロジー領域と異なる遺伝子制御様式に関連する数百もの頭足類に特有のマイクロシンテニーが獲得されました。バイスタンダーモデルにおける機能的遺伝子連鎖について提案されているように、それらの推定上の調節配列は、多くの場合、同じマイクロシンテニッククラスター内の遺伝子のイントロン内に位置していた。マイクロシンテニー発現データの分析により、特定の頭足類神経組織およびその他の新規器官に関連する新規マイクロシンテニーの複雑な発現パターンが明らかになりました。我々は、新規の頭足類マイクロシンテニーの出現によって最も顕著に影響を受ける2つのそのような発現モジュールを特定し、それぞれが特定の規制シグネチャーと関連している。我々は、このシンテニックな「ロックイン」、すなわち高いコンパクト性と制御の合理化が、祖先軟体動物神経組織発現ドメインの出現と拡張に関与していたと提案する。頭足類の分子生物学の多くは依然としてとらえどころのないものであるため、私たちの研究は、頭足類の発生と生物の革新に関連する分子変化の解明を開始するために、頭足類の革新に関連するこれらのマイクロシンテニー（MACI）の使用を提案しています。この研究は、MACI と、頭足類における新規発現ドメインの出現および生物革新における MACI の役割をさらに調査するための準備を整えるものです。

E. scolopes の卵は培養物から取得され、ウィーン動物園または海洋生物学研究所で維持されました。すべての作業は、頭足類の使用に関する EU 指令 2010/63/EU および頭足類のケアと福祉に関する AAALAC ガイドラインに従って実施されました 36。成体の E. scolopes は水槽内で自然に産卵し、産卵直後に胚が収集され、人工海水で満たされた密閉水槽システム内で維持されました。胚は適切な段階まで発育し、使用前に 2% エタノールで麻酔されました 37、38、39。

Hi-C サンプルの調製は、補足注 2 に記載されているように実行されました。簡単に説明すると、Hi-C サンプルは、6 塩基制限酵素 Hind3 を使用して 30 個のプール胚を使用して発生段階 2740 で生成されました。 50 bp のペアエンドシーケンスを Illumina HiSeq2500 で実行しました。 Hi-C リードは参照ゲノム (50,000 未満の足場を除く) とアライメントされ、1 億 600 万を超える有効な相互作用ペアが得られました (アライメント率 ~71%)。アラインメントされたリードを使用して、ゲノムを染色体足場に足場付けしました。アセンブリ統計は補足注 2 にまとめられています。その後、生の Hi-C リードが新しい染色体足場に再度マッピングされ、1 億 600 万を超える有効な相互作用ペアが回復されました (アラインメント率 ~71%)。染色体足場の三次元モデリングについては補足注記 3 に記載されています。ヒトサンプルの場合、B リンパ芽球様の Hi-C サンプルを NCBI (参考文献 41、SRR1658570、HIC001) からダウンロードし、ヒト参照ゲノム (GRCh38.p12) と位置合わせしました。 ) 1 億 4,400 万を超える有効な相互作用ペアを取得 (~73% の一致率)。

遺伝子オーソロジーは、すべての主要な後生動物クレードにわたる 27 種を使用して再構築されました。マイクロシンテニーは、補足注 3 で詳細に説明されているように、社内ツールを使用して計算されました。後生動物のシンテニーは、少なくとも 7 つの他の種間で共有されるすべてのシンテニーブロックとして定義されました。新規の頭足類特異的シンテニーは、E. scolopes と少なくとも 1 つのタコ種の間で共有されるシンテニーとして定義されました。ランダムなマイクロシンテニーは、参考文献に記載されているように、観察されたシンテニーの分布に基づいてモデル化されました。 20 回の反復では 8。スクリプトと手順の詳細については、補足ノート 3 を参照してください。

E. scolopes と Human の TAD は、Tadbit アルゴリズムを使用した Tadbit42 と HiCExplorer43 を使用して呼び出されました。 E. scolopes の TAD を平均化し、各シンテニークラスターの中央の位置をマッピングして、TAD 内のシンテニーの分布を分析しました。シンテニーが複数の TAD にまたがる場合、そのシンテニーの中央にある TAD マッピングのみが考慮されます。マイクロシンテニッククラスターのトポロジーをさらに分析するために、正規化された Hi-C 相互作用行列を使用して、ビンの相互作用強度によって各ビンを最も近い隣接ビンにクラスター化しました。このようにして、各染色体の相互作用系統図が再構築されました。シンテニック領域が相互作用によってどの程度明確に定義されているかを理解するために、染色体を構成するツリー全体からその領域の最後の共通祖先 (つまり、その領域内のビン) を抽出しました。次に、それらのサブツリーとシンテニッククラスター内のビンの数の間の比率が計算され、ウィルコクソンテストを使用してグループ間の差異がテストされました。

各シンテニッククラスターの中心は、予測された TAD 境界内に位置していました。次に、位置を正規化し、観察されたマイクロシンテニーとランダムなマイクロシンテニーをプロットしました。観察されたものとランダムなものの違いを視覚化するために、それぞれの密度間の比率が計算され、正規化された TAD 位置にプロットされました (図 3a)。 1 を超える密度は、ランダムなクラスターと比較して、観察されたシンテニーが豊富であることを意味します。密度が 1 より低い場合は、ランダムクラスターと比較して、観察されたシンテニーのシグナルが減少していることを意味します。ランダムシンテニーは、ゲノム内のランダムな位置から観察されたブロックの分布からサンプリングされたクラスターを表します。

E. scolopes と O. bimaculoides の成体組織の共発現係数は、参考文献に記載されているように計算されました。 8. 手順の詳細な説明は補足ノート 7 に記載されています。

E. scolopes と O. bimaculoides、および E. scolopes と A. dux のゲノムを、E. scolopes をクエリ配列として使用して、megablast とアラインメントしました。 BLAST44 類似性スコア (-perc_identity) の 5 つの異なる設定が使用されました: 0%、70%、80%、95%、および 98% (補足図 9、10、補足表 5、参照 4、7、45、 46）。詳細な設定については、補足ノート 8 を参照してください。マルチマッピング領域は、BEDOPS47 ベッドマップを使用して 50% を超えて重複し、3 回以上発生した場合に除外されました。 bedmap --count --echo --fraction-both 0.5 --delim '\t' prefiltered_megablast.bed | awk '$1<4' | カット -f2- |ソートベッド - | ユニークな。残りの重複領域は bedops –merge でマージされました。エクソンと 1 bp 以上重複する領域は、bedtools48subtract を使用して除外されました。反復領域を除外するために、フィルター処理された推定 CNE 位置から fasta 配列が抽出され、meme のダスト (カットオフ 10) 関数を使用して反復がマスクされました。さらに、最小サイズがそれぞれ 100 bp または 50 bp の類似性スコアごとに 2 つのデータセットが作成されました。類似性スコアが 0% の場合、100 bp 領域のみが保持されました。 N が 25% を超える領域は除外されました。残りのコード配列を除去するために、残りの推定 CNE 配列を NCBI50 NR データベースに対してブラストし、BLAST 一致と重複する領域をすべて除去しました。

ATAC-seq サンプルの調製と分析については、補足ノート 9 に記載されています。ATAC-seq は、参考文献に記載されているように、それぞれ 2 つの生物学的複製を使用して、ステージ 20、25、および 28/2940 に対して生成されました。 25、51、52に若干の変更を加えたもの。各 ATAC-seq ライブラリは、2 つの生物学的複製サンプルを使用して生成されました。サンプルは、125 bp ペアエンドリードを使用して Illumina HiSeqV4 で配列決定されました。リードは BBDuk (https://jgi.doe.gov/data-and-tools/bbtools/bb-tools-user-guide/bbduk-guide/) でトリミングされ、染色体足場にマッピングされました。ピークは Genrich (https://github.com/jsh58/Genrich) で呼び出されています。トリミング後、7,200 万から 1 億 4,300 万のリードが残り、79 から 83% の間でマッピングされ、各サンプルに対して 22,443 から 36,933 のピークが呼び出されました。

卵とゼリー層から取り出した E. scolopes の胚と孵化したばかりの子を、海水中の 4% EtOH、または 4% EtOH と MgCl2 (海水に 2 M 溶液をゆっくり加えた) で麻酔し、その後 4% パラホルムアルデヒドで固定しました 38。目的の配列は、成体の E. scolopes トランスクリプトームから同定されました。プールされた発生段階の cDNA を Q5 ポリメラーゼによる PCR に使用しました。生成物を pjet ベクターでクローン化し、innuPREP プラスミドミニキット (Analytik jena (イエナ、ドイツ)) で単離し、配列を決定しました。リボプローブは増幅されたミニプレップから生成され、DIG 標識ヌクレオチドで逆転写されました。 FISH および ISH プロトコルの詳細は、補足ノート 11 に記載されています。胚と孵化したばかりの子は、倒立 Zeiss (ドイツ、オーバーコッヘン) LSM 780 多光子共焦点レーザー走査顕微鏡で画像化されました。

研究デザインの詳細については、この記事にリンクされている Nature Research レポートの概要をご覧ください。

この研究を裏付けるデータは、合理的な要求に応じて対応著者から入手できます。 Hi-C および ATAC-seq データは、Bioproject PRJNA661684 の下で NCBI データベースに保管されています。参照ゲノムにマッピングされたすべての発現、ATAC-seq、および CNE データは、ゲノムブラウザーで利用できます (現在、http://metazoa.csb.univie.ac.at:8000/euprymna/jbrowse、またはリクエストに応じて)。使用した他のすべてのゲノムおよびトランスクリプトームデータは NCBI からダウンロードしたものです (GCA_002113885.2、GCA_000002075.2、GRCh38.p12、GCA_001949145.1 OLI-Apl_1.0、GCA_000003605.1、GCA_000224145.2、GCA_0000038) 15.1 バージョン 2、GCA_004765925.1 、Spur_3.1、GRCm38.p6、SAMN00691532、SAMN00152410)、ENSEMBL (BDGP6.28 http://www.ensembl.org/Drosophila_melanogaster/Info/Index、WBcel235 http://m.ensembl.org/Caenorhabditis_elegans/Info/)注釈、Capitella_teleta_v1.0 http://metazoa.ensembl.org/Capitella_teleta/Info/Index、ASM23792v2 http://metazoa.ensembl.org/Schistosoma_mansoni/Info/Index、oyster_v9 http://metazoa.ensembl.org/Crassostrea_gigas /Info/Index、Helro1 http://metazoa.ensembl.org/Helobdella_robusta/Info/Index、Lotgi1 http://metazoa.ensembl.org/Lottia_gigantea/Info/Index、PRJNA270931 https://metazoa.ensembl.org/ Octopus_bimaculoides/Info/Index、Stegodyphus_mimosarum_v1 [https://metazoa.ensembl.org/Stegodyphus_mimosarum/Info/Index]、Tcas5.2 [http://metazoa.ensembl.org/Tribolium_castaneum/Info/Index、AMS_PRJEB1171_v1 [https:/] /metazoa.ensembl.org/Adineta_vaga/Info/Index、GRCh37.p13 https://grch37.ensembl.org/Homo_sapiens/Info/Index、ASM20922v1 https://metazoa.ensembl.org/Nematostella_vectensis/Info/Index、Aqu1 https://metazoa.ensembl.org/Amphimedon_queenslandica/Info/Index、MneLei_Aug2011 http://metazoa.ensembl.org/Mnemiopsis_leidyi/Info/Index) または GIGA (PRJNA421033 https://www.ebi.ac.uk/ena) /browser/view/PRJNA421033)。ヒト Hi-C データは NCBI (SRR1658570、HIC001) からダウンロードされました。図を再作成するために必要な処理済みのファイルとテーブルには、bitbucket リポジトリ (https://bitbucket.org/hannahschm/ceph_regulation_microsynteny/) 経由でアクセスできます。ソースデータはこのペーパーに付属しています。

すべてのバイオインフォマティクスプロトコルは、各プログラムの詳細な設定とサンプルスクリプトとともに https://bitbucket.org/hannahschm/ceph_regulation_microsynteny/ で利用可能になります。個々の染色体の 3D 構造用の C++ スクリプトは、T. Clarence ([email protected]) へのリクエストに応じてアクセスできます。

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HS、OPH、ER、および OS は、オーストリア科学基金 (FWF) の助成金 P30686-B29 によって支援されました。 OSは、Whitman Center Early Career Fellowship (Frank R. Lillie Quasi-Endowment Fund、L. & A. Colwin Summer Research Fellowship、Bell Research Award in Tissue Engineering) によって支援されました。 HS はウィーン大学の海外短期助成金 (KWA) によって支援されました。 HS と OS は、シカゴ大学/ウィーン戦略的パートナーシッププログラムモビリティグラントによって支援されました。 AKは、日本のJSPS海外特別研究員プログラムの支援を受けました。 CBA は Hibbitt Early Career Fellowship によって支援されました。 E. scolopes の卵と傍幼虫は、NASA Space Biology 80NSSC18K1465 の支援によって部分的に生成されました。JSFSVN に授与された 80NSSC18K1465 は、National Science Foundation IOS-1557914 の支援を受けました。この研究は、英国がん研究 (FC0001003)、英国医学研究評議会 (FC001003)、およびウェルカムトラスト (FC001003) から中核的資金提供を受けているフランシスクリック研究所によって支援されました。著者らは、ウィーン動物園（シェーンブルン動物園）、特にローランド・ハルバウアー氏と畜産水族館チーム、MBL頭足類プログラム、そのチームのエミリー・ガルシア氏、MBL中央顕微鏡施設（MBL、ウッズホール）に感謝したい。。著者らは、ウィーン大学の神経科学および発生生物学部門、特にアンドレアス・デナーに感謝します。計算はウィーン大学のライフサイエンスクラスターを使用して行われました。切片化は中核施設 CIUS (ウィーン大学) で行われました。著者らは、指導とアドバイスをいただいた Daniel Rokhsar 氏と Clifton Ragsdale 氏に感謝の意を表します。

ハンナ・シュミットバウア、川口茜などの著者も同様に貢献しました。

ウィーン大学、神経科学および発生生物学部、ウィーン、オーストリア

ハンナ・シュミットバウア、オイ・プイ・ホアン、ボブ・ジマーマン、エレナ・A・リチャード、オレグ・シマコフ

分子病理学研究所、ウィーン、オーストリア

Akane Kawaguchi & Elly Tanaka

フランシス・クリック研究所、生体分子モデリング研究所、ロンドン、英国

テレザ・クラレンス、シャオ・フー、ポール・A・ベイツ

イタリア、ナポリ、アントンドールン駅、海洋生物の生物学および進化学部

エレナ・A・リチャード

ウィーン動物園、Maxingstraße 13b、1130、ウィーン、オーストリア

アントン・ヴァイセンバッハー

フロリダ大学微生物・細胞科学学部、宇宙生命科学研究所、メリット島、フロリダ州、米国

ジェイミー・S・フォスター

米国コネチカット州ストーズにあるコネチカット大学分子細胞生物学部

スペンサー・V・ナイホルム

再生生物学および組織工学ベルセンター、海洋生物学研究所、米国マサチューセッツ州ウッズホール

キャロライン・B・アルバートの

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HS は OS のサポートを受けて比較ゲノム解析を実行し、AK は Hi-C 実験を実行し、HS と AK は ATAC-seq データ収集を実行しました。 HSおよびCAはin situハイブリダイゼーションを実施した。 TG、XF、PB は 3D 再構成と解析を実行しました。 HS および OPH は ATAC-seq 定量化を実行しました。 HS と BZ は共発現およびシンテニックランダム化分析を実行し、EAR、HS、および CA は RNA-seq 抽出を実行しました。 JF と SN は動物を提供しました。 AW とウィーン動物園では動物が飼育されていました。 HS、CA、ET、OS が調査を設計しました。 HS と OS は、他のすべての著者からの意見をもとに原稿を書きました。

キャロライン・B・アルバーティン、エリー・タナカ、オレグ・シマコフとの通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

Nature Communications は、この研究の査読に貢献してくれた Jose Martín-Durán と他の匿名の査読者に感謝します。査読者レポートが利用可能です

発行者注記 Springer Nature は、発行された地図および所属機関の管轄権の主張に関して中立を保っています。

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転載と許可

Schmidbaur, H.、Kawaguchi, A.、Clarence, T. 他。大規模なゲノム再構成による新規頭足類遺伝子制御と発現の出現。 Nat Commun 13、2172 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41467-022-29694-7

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受信日: 2020 年 8 月 19 日

受理日: 2022 年 3 月 28 日

公開日: 2022 年 4 月 21 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-022-29694-7

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大規模な生態系を介した新規頭足類遺伝子制御と発現の出現