Whole genome duplication and the evolution of the Sox family in teleostean fish

Les duplications de gènes et de génome sont considérées comme des moteurs de l’évolution des génomes eucaryotes. Trois duplications de génome complet (ou polyploïdisations) sont survenues au cours de l’évolution des vertébrés, dont deux à la base des vertébrés, et une troisième chez l’ancêtre commun des poissons téléostéens. La diversité morphologique, anatomique et écologique des espèces qui partagent un ancêtre commun polyploïde chez les chordés suggère un rôle des duplications de génome dans la diversification des espèces. En particulier, les duplications de génome semblent avoir facilité l’émergence du plan d’organisation des vertébrés, et être à l’origine de la radiation évolutive survenue chez les poissons téléostéens. Cependant, la portée évolutive des duplications de génome, et notamment les deux hypothèses majeures formulées ci-Avant, restent des questions ouvertes et en grande partie non résolues. Le groupe des téléostéens, qui compte plus de la moitié des espèces vertébrés existantes et partage un ancêtre commun polyploïde, constitue un modèle pertinent pour évaluer la contribution des duplications de génome dans l’expansion des familles multigéniques chez les vertébrés, pour comprendre les mécanismes évolutifs qui façonnent l’évolution des familles de gènes, et finalement tester les hypothèses moléculaires qui peuvent relier duplication de génome et biodiversité. Ainsi, nous avons étudié l’impact de la duplication de génome survenue à la base des téléostéens sur l’évolution de la famille multigénique sox, essentielle pour le développement et l’homéostasie des vertébrés. Notre analyse du contenu et de l’organisation des gènes sox dans 15 génomes de vertébrés, dont 10 téléostéens, révèle une importante expansion de l’ensemble de la famille des gènes sox dans ce vaste groupe de vertébrés, et démontre que cette expansion est essentiellement due à la duplication de génome survenue à la base des téléostéens. Les gènes sox dupliqués par duplication de génome semblent avoir été perdus par non-Fonctionnalisation dans certaines lignées, et préservés en deux copies par sous-Fonctionnalisation et/ou néo-Fonctionnalisation dans certaines autres lignées. Notre étude indique en effet une divergence lignée-Spécifique des patrons d’expression entre les gènes sox dupliqués chez différentes espèces de téléostéens. Ainsi, l’expansion du répertoire des gènes sox à la base des téléostéens semble avoir été suivi d’une évolution lignée-Spécifique du contenu et des fonctions de la famille des gènes sox chez les poissons téléostéens. Cette étude supporte l’hypothèse d’un rôle des duplications de génome dans l’enrichissement et la diversification subséquente des répertoires de gènes du développement tels que les gènes sox, et son rôle potentiel dans la diversification des espèces vertébrés.Gene and genome duplications are major engines of eukaryotic genome evolution. Three rounds of whole genome duplication (WGD) have occurred during vertebrate evolution, two rounds at the base of the vertebrate lineage, and a third round in the common ancestor of the teleostean fish (the so-Called teleost-Specific WGD). In chordates, species that share a polyploid ancestor are characterized by a huge morphological, anatomical and ecological diversity suggesting a role of WGDs in species diversification. For instance, it is considered that these drastic genomic events provided the raw material for the emergence of the vertebrate body plan, and facilitated speciation processes during the teleost radiation. However, how WGD is related to phenotypic diversification or to major evolutionary transitions are fundamental questions that remain largely unsolved. Teleostean fish constitute more than half of all extant vertebrates and share a polyploid ancestor. Thus, they provide a relevant model to study the importance of WGDs in gene families expansion, to understand evolutionary mechanisms that drive the evolution of these families and, finally, to test molecular hypotheses that might relate WGD and biodiversity. In this project, we studied the impact of the teleost-Specific WGD on the evolution of the sox gene family which are involved in development and homeostasis in vertebrates. Our analysis of the content and the genomic organization of the sox genes in 15 vertebrate genomes, including 10 teleosts, reveals an important expansion of this family in the teleost lineage, and demonstrates that this expansion is mainly due to the teleost-Specific WGD. The duplicated sox genes seem to have been lost by non-Functionalization in certain lineages, and preserved in two copies in others by neo-Functionalization and/or sub-Functionalization. Indeed, this study indicates lineage-Specific divergence in expression patterns between duplicated sox genes in different teleostean species. Hence, the sox family expansion that occurred in the last common ancestor of teleostean fish seems to have been followed by a lineage-Specific evolution of the content and functions of the sox family in this group. Our study supports the hypothesis for a role of WGDs in the enrichment and diversification of developmental genes repertories and its potential role in species diversification in vertebrates