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Amphioxus functional genomics and the origins of vertebrate gene regulation

Authors :
Patrick Wincker
Pierre Pontarotti
Elisa de la Calle-Mustienes
Zbynek Kozmik
Malcolm Perry
José Luis Gómez-Skarmeta
Cristian Cañestro
Stéphanie Bertrand
Yamile Marquez
Èlia Benito-Gutiérrez
Juan J. Tena
Hector Escriva
Alexandra Louis
Anthony Leon
Matthew T. Weirauch
Juan Ramón Martínez-Morales
Panos N. Firbas
Peter W. H. Holland
Iryna Kozmikova
Daniel Aldea
Sandra Jiménez-Gancedo
Jordi Garcia-Fernàndez
Jean-Marc Aury
Michael Schubert
Paul Edward Duckett
Beatriz Albuixech-Crespo
Simon J. van Heeringen
Boris Lenhard
Piero Carninci
Carlos Herrera-Úbeda
Olivier Mirabeau
Demian Burguera
Lorena Buono
Tokiharu Takahashi
Rafael D. Acemel
Silvia Naranjo
Ryan Lister
Sophie Mangenot
Lucie Subirana
Ksenia Skvortsova
Jr-Kai Yu
Hugues Roest Crollius
Ildiko M. L. Somorjai
Vincent Laudet
Piotr J. Balwierz
Gabriel A. B. Marais
Ignacio Maeso
Anlong Xu
Christopher D. R. Wyatt
Shengfeng Huang
Ozren Bogdanovic
David E. K. Ferrier
Ferdinand Marlétaz
Salvatore D'Aniello
Jon Permanyer
Filipe Castro
Manuel Irimia
Ricard Albalat
Yann Le Petillon
Ensieh Farahani
Hervé Seitz
Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST)
Department of Zoology [Oxford]
University of Oxford
Centro Andaluz de Biología del Desarrollo
Universidad Pablo Olavide
University of New South Wales [Sydney] (UNSW)
The University of Western Australia (UWA)
Imperial College London
Universitat Pompeu Fabra [Barcelona] (UPF)
Biologie intégrative des organismes marins (BIOM)
Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Observatoire océanologique de Banyuls (OOB)
Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Barcelona Institute of Science and Technology (BIST)
Universidad Pablo de Olavide [Sevilla] (UPO)
Radboud University [Nijmegen]
University of Barcelona
Garvan Institute of medical research
Institute of Molecular Genetics of the Czech Academy of Sciences (IMG / CAS)
Czech Academy of Sciences [Prague] (CAS)
Institut de biologie de l'ENS Paris (IBENS)
Département de Biologie - ENS Paris
École normale supérieure - Paris (ENS-PSL)
Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École normale supérieure - Paris (ENS-PSL)
Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Institut de Biologie François JACOB (JACOB)
Direction de Recherche Fondamentale (CEA) (DRF (CEA))
Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)
Department of Genetics and IrBio
University of Cambridge [UK] (CAM)
Universidade do Porto = University of Porto
Stazione Zoologica Anton Dohrn (SZN)
University of St Andrews [Scotland]
Sun Yat-Sen University [Guangzhou] (SYSU)
Laboratoire de Biométrie et Biologie Evolutive - UMR 5558 (LBBE)
Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL)
Université de Lyon-Université de Lyon-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-VetAgro Sup - Institut national d'enseignement supérieur et de recherche en alimentation, santé animale, sciences agronomiques et de l'environnement (VAS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Microbes évolution phylogénie et infections (MEPHI)
Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Aix Marseille Université (AMU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Laboratoire de Biologie du Développement de Villefranche sur mer (LBDV)
Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de la Mer de Villefranche (IMEV)
Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Institut de génétique humaine (IGH)
Université de Montpellier (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
University of Manchester [Manchester]
Université Paris sciences et lettres (PSL)
Academia Sinica
RIKEN Center for Life Science Technologies (RIKEN CLST)
RIKEN - Institute of Physical and Chemical Research [Japon] (RIKEN)
University of Cincinnati (UC)
University of Bergen (UiB)
ANR-16-CE12-0008,CHORELAND,Détermination de la conservation du landscape génomique de régulation au cours de l'embryogenèse des chordés(2016)
European Project: 637591,H2020,ERC-2014-STG,NEURAL AS(2015)
European Project: 658521,H2020,H2020-MSCA-IF-2014,EVOREL(2016)
European Project: 268513,EC:FP7:ERC,ERC-2010-AdG_20100317,GENEVA(2011)
European Commission
The Leverhulme Trust
University of St Andrews. School of Biology
University of St Andrews. Marine Alliance for Science & Technology Scotland
University of St Andrews. Scottish Oceans Institute
University of St Andrews. Biomedical Sciences Research Complex
University of Oxford [Oxford]
Radboud university [Nijmegen]
Garvan Institute of Medical Research
Institut de biologie de l'ENS Paris (UMR 8197/1024) (IBENS)
École normale supérieure - Paris (ENS Paris)
Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École normale supérieure - Paris (ENS Paris)
Universidade do Porto
Commission of the European Communities
Biotechnology and Biological Sciences Research Council (BBSRC)
Wellcome Trust
Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Département de Biologie - ENS Paris
Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Aix Marseille Université (AMU)
Departament de Genetica, Facultat de Biologia
Universitat de Barcelona (UB)
Centro Andaluz de Biología del Desarrollo, Consejo Superior de Investigaciones Científicas
Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Observatoire océanologique de Banyuls (OOB)
Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 (UPMC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 (UPMC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Max F. Perutz Laboratories
University of Vienna [Vienna]
DYnamique et Organisation des GENomes - Equipe de l'IBENS (DYOGEN)
École normale supérieure - Paris (ENS Paris)-École normale supérieure - Paris (ENS Paris)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Département de Biologie - ENS Paris
École normale supérieure - Paris (ENS Paris)-École normale supérieure - Paris (ENS Paris)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Institut de Génétique et Développement de Rennes (IGDR)
Université de Rennes 1 (UR1)
Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Université de Rennes (UNIV-RENNES)-IFR140-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Stress, Immunité, Pathogènes (SIMPA)
Université de Lorraine (UL)
Unité de Biométrie et Intelligence Artificielle (UBIA)
Institut National de la Recherche Agronomique (INRA)
Genoscope - Centre national de séquençage [Evry] (GENOSCOPE)
Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)
Institut de Génomique d'Evry (IG)
Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay
Departament de Genètica
Universitat Autònoma de Barcelona [Barcelona] (UAB)
Texas A&M University [College Station]
Sun Yat-Sen University (SYSU)
Institut de Génomique Fonctionnelle de Lyon (IGFL)
École normale supérieure - Lyon (ENS Lyon)-Institut National de la Recherche Agronomique (INRA)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL)
Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Sexe et évolution
Département PEGASE [LBBE] (PEGASE)
Université de Lyon-Université de Lyon-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-VetAgro Sup (VAS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL)
Université de Lyon-Université de Lyon-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-VetAgro Sup (VAS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Laboratoire de Biométrie et Biologie Evolutive - UMR 5558 (LBBE)
Université de Lyon-Université de Lyon-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-VetAgro Sup (VAS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Laboratoire d'Analyse, Topologie, Probabilités (LATP)
Université Paul Cézanne - Aix-Marseille 3-Université de Provence - Aix-Marseille 1-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Unité de génétique et biologie des cancers (U830)
Université Paris Descartes - Paris 5 (UPD5)-Institut Curie-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)
University of Medical Sciences / Beijing
Institute of Cellular and Organismic Biology
Ctr Life Sci Technol, Div Gen Technol, Tsurumi Ku
RIKEN
Centre of Excellence in Plant Energy Biology (ARC)
Australian National University (ANU)-School of Biochemistry and Molecular Biology
SARS International Centre for Marine Molecular Biology
Modèles en biologie cellulaire et évolutive (MBCE)
Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 (UPMC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Observatoire océanologique de Banyuls (OOB)
Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 (UPMC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
European Research Council
Ministerio de Economía y Competitividad (España)
Australian Research Council
Maeso, Ignacio [0000-0002-6440-8457]
Tena, Juan J [0000-0001-8165-7984]
Perry, Malcolm [0000-0001-5228-3434]
Wyatt, Christopher DR [0000-0001-8033-2213]
de la Calle-Mustienes, Elisa [0000-0002-8975-6503]
Bertrand, Stephanie [0000-0002-0689-0126]
Naranjo, Silvia [0000-0002-4529-3332]
Jimenez-Gancedo, Sandra [0000-0002-2247-1319]
Aldea, Daniel [0000-0001-5101-0194]
Buono, Lorena [0000-0002-5457-4515]
Louis, Alexandra [0000-0001-7032-5650]
Balwierz, Piotr J [0000-0002-1548-4605]
Aury, Jean-Marc [0000-0003-1718-3010]
Albalat, Ricard [0000-0003-0282-9595]
Benito-Gutiérrez, Èlia [0000-0003-2435-0948]
Cañestro, Cristian [0000-0003-4623-8105]
Castro, Filipe [0000-0001-7697-386X]
Ferrier, David EK [0000-0003-3247-6233]
Schubert, Michael [0000-0002-2341-712X]
Seitz, Hervé [0000-0001-8172-5393]
Somorjai, Ildiko [0000-0001-5243-6664]
Takahashi, Tokiharu [0000-0002-5785-8660]
Yu, Jr-Kai [0000-0001-8591-0529]
Carninci, Piero [0000-0001-7202-7243]
Martinez-Morales, Juan Ramon [0000-0002-4650-4293]
Garcia-Fernàndez, Jordi [0000-0001-5677-5970]
Lister, Ryan [0000-0001-6637-7239]
Escriva, Hector [0000-0001-7577-5028]
Irimia, Manuel [0000-0002-2179-2567]
Apollo - University of Cambridge Repository
CIIMAR - Centro Interdisciplinar de Investigação Marinha e Ambiental
COMBE, Isabelle
Détermination de la conservation du landscape génomique de régulation au cours de l'embryogenèse des chordés - - CHORELAND2016 - ANR-16-CE12-0008 - AAPG2016 - VALID
Functions and evolutionary impact of transcriptomic novelties in the vertebrate brain - NEURAL AS - - H20202015-04-01 - 2020-03-31 - 637591 - VALID
Evolution of Regulatory Landscapes in Chordates - EVOREL - - H20202016-01-01 - 2017-12-31 - 658521 - VALID
Genome Evolution in the Animal Kingdom - GENEVA - - EC:FP7:ERC2011-06-01 - 2016-05-31 - 268513 - VALID
Institute of Molecular Genetics of the Czech Academy of Sciences
Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay
Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Direction de Recherche Fondamentale (CEA) (DRF (CEA))
Commissariat à l'Énergie Atomique et aux Énergies Alternatives (CEA) - Grenoble
Laboratoire de Biologie Moléculaire de la Cellule (LBMC)
École normale supérieure - Lyon (ENS Lyon)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL)
Université de Lyon-Université de Lyon-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Institut de Mathématiques de Marseille (I2M)
Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Ecole Centrale de Marseille (ECM)-Aix Marseille Université (AMU)
Riken Omics Science Center
Riken Yokohama Institute
Cincinnati Children's Hospital Medical Center
Computational Regulatory Genomics
Source :
Nature, Nature, 2018, 564 (7734), pp.64-70. ⟨10.1038/s41586-018-0734-6⟩, Recercat. Dipósit de la Recerca de Catalunya, instname, Nature, Nature Publishing Group, 2018, 564 (7734), pp.64-70. ⟨10.1038/s41586-018-0734-6⟩, Nature, 564, pp. 64-70, Digital.CSIC. Repositorio Institucional del CSIC, Dipòsit Digital de la UB, Universidad de Barcelona, Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal, Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP), instacron:RCAAP, Digital.CSIC: Repositorio Institucional del CSIC, Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), Nature, 564, 64-70, Takahashi, T & al, E 2018, ' Amphioxus functional genomics and the origins of vertebrate gene regulation ', Nature, vol. 564, pp. 64-70 . https://doi.org/10.1038/s41586-018-0734-6
Publication Year :
2018
Publisher :
HAL CCSD, 2018.

Abstract

Vertebrates have greatly elaborated the basic chordate body plan and evolved highly distinctive genomes that have been sculpted by two whole-genome duplications. Here we sequence the genome of the Mediterranean amphioxus (Branchiostoma lanceolatum) and characterize DNA methylation, chromatin accessibility, histone modifications and transcriptomes across multiple developmental stages and adult tissues to investigate the evolution of the regulation of the chordate genome. Comparisons with vertebrates identify an intermediate stage in the evolution of differentially methylated enhancers, and a high conservation of gene expression and its cis-regulatory logic between amphioxus and vertebrates that occurs maximally at an earlier mid-embryonic phylotypic period. We analyse regulatory evolution after whole-genome duplications, and find that—in vertebrates—over 80% of broadly expressed gene families with multiple paralogues derived from whole-genome duplications have members that restricted their ancestral expression, and underwent specialization rather than subfunctionalization. Counter-intuitively, paralogues that restricted their expression increased the complexity of their regulatory landscapes. These data pave the way for a better understanding of the regulatory principles that underlie key vertebrate innovations.<br />This research was funded primarily by the European Research Council (ERC) under the European Union’s Horizon 2020 and Seventh Framework Program FP7 research and innovation programs (ERC-AdG-LS8-740041 to J.L.G.-S., ERC-StG-LS2-637591 to M.I., a Marie Sklodowska-Curie Grant (658521) to I.M. and a FP7/2007-2013-ERC-268513 to P.W.H.H.), the Spanish Ministerio de Economía y Competitividad (BFU2016-74961-P to J.L.G.-S., RYC-2016-20089 to I.M., BFU2014-55076-P and BFU2017-89201-P to M.I. and BFU2014-55738-REDT to J.L.G.-S, M.I. and J.R.M.-M), the ‘Centro de Excelencia Severo Ochoa 2013-2017’(SEV-2012-0208), the ‘Unidad de Excelencia María de Maetzu 2017-2021’(MDM-2016-0687), the People Program (Marie Curie Actions) of the European Union’s Seventh Framework Program FP7 under REA grant agreement number 607142 (DevCom) to J.L.G.-S., and the CNRS and the ANR (ANR16-CE12-0008-01) to H.E. O.B. was supported by an Australian Research Council Discovery Early Career Researcher Award (DECRA; DE140101962).

Subjects

Subjects :
Epigenomics
Branchiostoma
genetic analysis
animal cell
transcriptomics
0302 clinical medicine
[SDV.MHEP.MI]Life Sciences [q-bio]/Human health and pathology/Infectious diseases
vertebrate
zebra fish
histone modification
Branchiostoma lanceolatum
ComputingMilieux_MISCELLANEOUS
comparative study
Lancelets
Regulation of gene expression
DDC model
DNA methylation
adult
Vertebrate
Genomics
priority journal
Science & Technology - Other Topics
Molecular Developmental Biology
LANDSCAPES
whole genome duplication
Functional genomics
chordate evolution
CONSERVATION
embryo
gene sequence
PLURIPOTENCY
Article
animal tissue
03 medical and health sciences
regulatory genomics
biology.animal
genomics
Humans
genome
mouse
Science & Technology
Molecular Sequence Annotation
TRANSGENESIS
DNA Methylation
Ancestral expression
developmental stage
030104 developmental biology
hourglass model
Amfiox
Evolutionary biology
molecular genetics
chromatin
Subfunctionalization
transcriptome
030217 neurology & neurosurgery
CHROMATIN
0301 basic medicine
Branchiostoma Lanceolatum
Genome
specialization
Gene duplication
Vertebrats
Promoter Regions, Genetic
Whole-genome Duplication (WGD)
Multidisciplinary
gene control
BRANCHIOSTOMA-LANCEOLATUM
innovation
Multidisciplinary Sciences
female
SEQ
Vertebrates
[SDV.MHEP.MI] Life Sciences [q-bio]/Human health and pathology/Infectious diseases
Phylotypic Period
General Science & Technology
invertebrate
QH426 Genetics
Biology
DNA DEMETHYLATION
male
evolution
Animals
controlled study
gene
QH426
multigene family
Body Patterning
Vertebrata
nonhuman
Amphioxus
ZEBRAFISH
gene duplication
embryo development
DAS
biology.organism_classification
EVOLUTION
[SDV.BDD.EO]Life Sciences [q-bio]/Development Biology/Embryology and Organogenesis
Gene Expression Regulation
gene expression
Molecular evolution
Transcriptome

Details

Language :
English
ISSN :
00280836, 14764687, and 14764679
Database :
OpenAIRE
Journal :
Nature, Nature, 2018, 564 (7734), pp.64-70. ⟨10.1038/s41586-018-0734-6⟩, Recercat. Dipósit de la Recerca de Catalunya, instname, Nature, Nature Publishing Group, 2018, 564 (7734), pp.64-70. ⟨10.1038/s41586-018-0734-6⟩, Nature, 564, pp. 64-70, Digital.CSIC. Repositorio Institucional del CSIC, Dipòsit Digital de la UB, Universidad de Barcelona, Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal, Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP), instacron:RCAAP, Digital.CSIC: Repositorio Institucional del CSIC, Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), Nature, 564, 64-70, Takahashi, T & al, E 2018, ' Amphioxus functional genomics and the origins of vertebrate gene regulation ', Nature, vol. 564, pp. 64-70 . https://doi.org/10.1038/s41586-018-0734-6
Accession number :
edsair.doi.dedup.....4beca909ac1323255e03fa32b70757ff