Pseudogenes and Gene Duplications Tell a Story of Evolutionary Fates of Animal Alpha Carbonic Anhydrases

Abstract

Tässä väitöskirjassa on tutkittu hiilihappoanhydraaseja (CA), entsyymejä jotka muuttavat hiilidioksidia vetykarbonaatti-ioneiksi ja päin vastoin. Hiilihappoanhydraasit ovat tarpeellisia hengityksessä, happo-emästasapainon säätelyssä, munuaisten toiminassa, aineenvaihdunnassa, luun muodostumisessa ym. Näitä entsyymejä esiintyy kaikissa eliöissä, ja ihmisessäkin niitä on 12 erilaista. Tutkimuksessa löydettiin hiirestä uusi CA-entsyymin geeni ja havaittiin, että se puuttuu ihmiseltä. Sen sijaan ihmisellä on kolme kopiota rikkinäisiä jäänteitä eli pseudogeenejä tästä CA15-geenistä. Bioinformatiikan työkalujen avulla analysoitiin CA15-geenejä kymmenien eläinten perimässä ja saatiin selville, että se puuttuu lähes kaikilta kädellisiltä. Sen pääteltiin luultavimmin hävinneen pian uuden maailman ja vanhan maailman apinoiden eriytymisen jälkeen. Hiiren CA15:n toimintaa ja ilmentymistä eri kudoksissa tutkittiin. Nämä tiedot parantavat ymmärrystämme ihmisen munuaisen toiminnasta verrattuna hiireen, jossa kaksi samankaltaista entsyymiä (CA4 ja CA15) hoitavat samat tehtävät kuin ihmisellä pelkkä CA4.

Etsittäessä uuden CA15:n ja tunnetun CA4:n kaltaisia geenejä selkärankaisisten perimässä havaittiin tietokonemenetelmillä, että muissa eläimissä kuin nisäkkäissä on vielä kolmas samankaltainen, aiemmin tunnistamaton CA, joka nimettiin CA17:ksi. Kaloissa CA17 ja samantyyppinen CA4 ovat moninkertaisesti kahdentuneita, niin että ihmisen yhtä CA4-geeniä vastaa esimerkiksi seeprakalalla 10 eri geeniä. Kalojen CA-geenien toiminnoista on niukasti tietoa, mutta voidaan olettaa, että kalat tarvitsevat monimutkaisemman järjestelmän hapon erityksen ja hengityksen säätelyyn vesiympäristössä, jossa hiilidioksidin ja hapen määrät sekä pH vaihtelevat laajemmissa rajoissa kuin maaeläinten elinympäristössä.

Hiilihappoanhydraaseja on käytetty keinotekoisissa keuhkoissa hiilidioksidin poistoon verestä potilaan ulkopuolella, ja niitä on esitetty käytettäväksi hiilidioksidin poistoon teollisuuden palokaasuista. Näiden entsyymien eri versioiden vertailusta, jota tässä tutkimuksessa on tehty paljon, saadaan entistä tarkempaa tietoa toiminnalle välttämättömistä rakenneosista, mikä on arvokasta perustietoa suunniteltaessa optimoituja entsyymejä tämän tapaisiin bioteknologisiin prosesseihin. Ehkäpä tulevaisuudessa näitä tietoja voidaan käyttää kehiteltäessä bioteknologista järjestelmää, joka estää hiilidioksidin kertymisen avaruusaseman ilmatilaan, tai laitetta jonka avulla ihminen voisi hengittää veden alla ilman happipulloja.

In this study I have examined two subfamilies within metazoan α-CAs, namely the GPI-linked α-CAs in vertebrates and all α-CAs in 12 fruit fly genomes.

Within the GPI-linked subfamily, we characterized biochemically the novel isozyme, murine CA XV, to show that it is a glycosylated, GPI-anchored, membrane protein, similar to CA IV. The expression of gene CA15 was seen in mouse kidney, testis, and brain, similar to human CA4.

Our studies show that CA15 is a pseudogene in primates, with multiple defects seen in different species. Their analysis suggests that the inactivation and ‘pseudogenization’ of CA15 in primates was probably initiated by a mutation of one of the active-site histidines or an insertion near the active site.

Phylogenetic analysis of all vertebrate CA4/CA15-like genes has elucidated the likely history of duplications within this CA subfamily and led to the discovery of a novel CA isozyme, CA XVII, in non-mammalian vertebrates. Analysis of expression data for the eight CA4 and CA17 CA genes in zebrafish hints at a division of tasks which are the responsibility of the human CA4 gene product. I postulate that the high multiplicity of the genes for these isozymes in fish reflects the differences in the physiology of breathing and acid excretion between fish and land-living vertebrates.

The set of α-CAs in Drosophila genomes is as large as in mammals, but quite different in its composition and evolution. We used an evolution-based method of correlations to identify four distinct α-CA sets with specific characteristics.

The comparisons of the GPI-linked subfamily in various species on one hand, and between the α-CAs of vertebrates and Drosophila on the other hand, demonstrate the plasticity of the CA enzyme system, how functionalities can be redistributed between the members of an enzyme family.