Duplication de gènes et évolution des types cellulaires chez les cnidaires

Gene duplication and cell type evolution in Cnidaria

• Auteur / Autrice : Marc Meynadier
• Direction : Richard Copley
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Bioinformatique et biologie des systèmes
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2022
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Complexité du vivant
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de biologie du développement de Villefranche-sur-Mer (Alpes-Maritimes ; 1999-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Evolution des Génomes et des Protéines Animales

Mots clés

Mots clés libres

Cnidaires

Bio-informatiques

Evolution

Cnidaria

Bio-informatics

Evolution

Résumé

Les cnidaires (méduses, coraux et anémones) sont les plus proches parents vivants des bilatériens (presque tous les autres animaux). Malgré leurs énormes différences, les cnidaires et les bilatériens codent des ensembles de gènes assez similaires. Nous aimerions mieux comprendre le rôle des gènes conservés des bilatériens chez les cnidaires, afin de comprendre le rôle fonctionnel historique de ces gènes et la nature de l'ancêtre cnidaire-bilatérien. À cette fin, nous collaborons pour générer une variété d'ensembles de données de séquences provenant de différentes espèces de cnidaires, y compris des ressources génomiques, transcriptomiques et transcriptomiques unicellulaires (par exemple, Leclère et al. 2019 ; Chari et al 2021). Les technologies transcriptomiques unicellulaires ont permis la production de ce que l'on appelle des '' atlas cellulaires '' chez de nombreuses espèces, y compris les cnidaires (Chari et al 2021). Les atlas cellulaires visent à fournir des descriptions complètes de l'utilisation des gènes dans les principaux types de cellules qui composent l'animal étudié - par exemple, les nerfs, les muscles, les systèmes digestifs, ainsi que des types de cellules plus spécifiques à une espèce, comme les cnidocytes (c'est-à-dire les cellules urticantes) chez les cnidaires. Actuellement, les atlas cellulaires sont généralement interprétés espèce par espèce au fur et à mesure que les ensembles de données sont générés. Le dépôt des données sous-jacentes dans des bases de données publiques crée une opportunité exceptionnelle pour des analyses intégratives pan-métazoaires. Il est probable que l'évolution des types de cellules et la duplication des gènes soient intimement liées (Arendt et al. 2016). Nous souhaitons comprendre la relation entre la hiérarchie des types cellulaires, telle que révélée par la transcriptomique unicellulaire, et la hiérarchie de duplication des gènes reflétée dans les arbres classiques d'évolution moléculaire. Par exemple, les cnidocytes des cnidaires sont étroitement liés aux neurones, mais quelles sont les relations de leurs ensembles de gènes ? Sont-ils spécifiés par des facteurs de transcription étroitement liés ou par le recrutement plus fragmentaire de TF non liés ? Quels sont les rôles relatifs des nouveautés phylogénétiques - par exemple, les gènes qui sont spécifiques aux cnidaires - dans les deux types de cellules ? De même, nos analyses montrent une diversité de types de neurones dans la méduse Clytia, distingués par différents neuropeptides. Quels facteurs de transcription conduisent l'expression différentielle de ces neuropeptides ? Nos données soutiennent-elles un modèle simple de ''duplication et divergence'' de l'évolution des types de cellules ? Il s'agit d'un projet computationnel. Dans le premier objectif, nous utiliserons des techniques de calcul à haut débit pour définir des groupes d'orthologues (c'est-à-dire des gènes liés par des événements de spéciation) entre espèces avec des données disponibles sur les cellules uniques. Ces orthologues seront utilisés pour établir des équivalences entre les types de cellules de différentes espèces, d'abord parmi les cnidaires disponibles (y compris Medusozoa et Anthozoa). Une tâche essentielle du projet consistera à évaluer les méthodologies disponibles pour réaliser au mieux cette tâche. Le deuxième objectif sera d'effectuer une analyse phylogénétique à travers les espèces ciblées pour des familles de gènes sélectionnées, afin de comprendre leur histoire de duplication. Nous nous concentrerons sur les gènes susceptibles d'être informatifs pour comprendre l'évolution des types de cellules, tels que les facteurs de transcription ou les marqueurs de différenciation terminale comme les récepteurs, les canaux ioniques et les transporteurs. Nous intégrerons ensuite cette histoire de duplication aux modèles d'expression spécifiques des types cellulaires afin de déterminer si et comment les événements de duplication de gènes sont corrélés aux événements d'évolution des types cellulaires. Nous nous attaquerons à ce problème à de grandes distances évolutives - par exemple en abordant l'histoire commune des cnidocytes et des neurones ; et probablement des événements plus récents, par exemple entre sous-types de neurones. Le projet fournira un bon environnement de formation aux techniques informatiques pour les approches ''omiques'', l'évolution moléculaire et l'analyse de la séquence et de la structure des protéines, ainsi qu'aux méthodes statistiques et de programmation plus générales (python / R).

The cnidarians (jellyfish, corals and anemones) are the closest living relatives of the bilaterians (nearly all other familiar animals). Despite their tremendous differences, cnidarians and bilaterians encode rather similar sets of genes. We would like to better understand the role of bilaterian conserved genes in cnidarians, in order to understand the historic functional role of these genes and the nature of the cnidarian-bilaterian ancestor. To this end we are collaborating to generate a variety of sequence datasets from different cnidarian species, including genome, transcriptome and single-cell transcriptome resources (e.g. Leclère et al. 2019; Chari et al 2021). Single-cell transcriptomic technologies have allowed the production of so-called ‘cell atlases' in many species including cnidarians (Chari et al 2021). Cell atlases aim to provide complete descriptions of gene use in the major cell types that compose the animal being studied – for instance, nerves, muscles, digestive systems, as well as more species-specific cell types such as cnidocytes (that is, stinging cells) in cnidarians. Currently, cell atlases are typically being interpreted on a species-by-species basis as datasets are generated. The deposition of underlying data in public databases creates an outstanding opportunity for pan-metazoan integrative analyses. It is likely that cell type evolution and gene duplication are intimately connected (Arendt et al. 2016). We wish to understand the relationship between the cell-type hierarchy, as revealed by single-cell transcriptomics and the gene duplication hierarchy reflected in classical molecular-evolutionary trees. For instance, cnidarian cnidocytes are closely related to neurons, but what are the relationships of their gene sets? Are they specified by closely related transcription factors or by more piecemeal recruitment of unrelated TFs? What are the relative roles of phylogenetic novelties - e.g. genes that are cnidarian specific - in the two cell types? Similarly, our analyses show a diversity of neuron types in the medusa of Clytia, distinguished by different neuropeptides. What transcription factors drive the differential expression of these neuropeptides? Do our data support a simple ‘duplication and divergence' model of cell type evolution? This is a computational project. In the first objective, we will make use of high throughput computational techniques to define groups of orthologs (that is, genes related by speciation events) between species with available single cell data. These orthologs will be used to equivalence cell types between different species, first among available cnidarians (including Medusozoa and Anthozoa). A core task of the project will be assessing available methodologies available to best perform this task. The second objective will be to perform phylogenetic analysis across the targeted species for selected gene families, to understand their duplication history. We will focus on genes likely to be informative for understanding the evolution of cell types, such as transcription factors or markers of terminal differentiation such as receptors, ion channels and transporters. We will then integrate this duplication history with cell-type specific expression patterns to determine if and how gene duplication events are correlated with cell-type evolution events. We will attack this problem at large evolutionary distances – e.g. addressing the shared history of cnidocytes and neurons; and likely more recent events e.g. between sub-types of neurons. The project will provide a good training environment for computational techniques for ‘omics approaches, molecular evolution and protein sequence and structure analysis, as well as more general statistical & programming methods (python / R).