Molecular evolution and role of aquaporins in the water-to-land transitions of amphibious fishes

• Autores: Héctor Lorente Martínez
• Directores de la Tesis: Ainhoa Agorreta Calvo (dir. tes.), Diego San Mauro (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Complutense de Madrid ( España ) en 2023
• Idioma: inglés
• Títulos paralelos:
  • Evolución molecular y rol de las acuaporinas en las transiciones agua-tierra de los peces anfibios
• Tribunal Calificador de la Tesis: David Martín Gálvez (presid.), Marta Novo Rodríguez (secret.), Patricia Álvarez Campos (voc.), David Buckley Iglesias (voc.), Lukas Rüber (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Biología por la Universidad Complutense de Madrid
• Materias:
  • Ciencias de la vida
    • Biología animal (zoología)
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Docta Complutense
• Resumen
  • español

    Las acuaporinas (AQPs) o proteínas intrínsecas principales (MIPs) forman una antigua familia de transportadores de agua y pequeños solutos a través de las membranas biológicas. Constituyen una superfamilia de proteínas muy diversa, y su historia evolutiva y funciones han sido relativamente bien estudiadas en vertebrados y plantas. En los vertebrados terrestres (Tetrapoda), un clado exclusivo de MIPs/AQPs parece haber sido importante para su proceso de colonización de ambientes terrestres. Las MIPs están ampliamente presentes en todo el árbol de la vida eucariótico. En esta tesis, estudiamos la diversidad de proteínas MIP en todo el linaje eucariota estableciendo un contexto filogenético general para comprender su evolución. Además, considerando la importancia de las acuaporinas en la transición agua-tierra de los vertebrados sarcopterigios, estudiamos la evolución molecular de estas proteínas en varios peces anfibios de la rama de los actinopterigios con el fin de investigar posibles nuevos eventos de duplicación o modificaciones adaptativas a nivel de secuencia. Finalmente, proporcionamos un protocolo bioinformático robusto para el aislamiento de genes a partir de datos genómicos a gran escala y análisis filogenético para la consecución de los objetivos. En concordancia con estudios previos, proporcionamos un repertorio muy diverso de MIPs en eucariotas unicelulares que sugiere un catálogo complejo en el último ancestro común eucariota (LECA). En este sentido, encontramos tres clados de MIPs que probablemente tengan orígenes evolutivos muy antiguos. Sin embargo, aún seguimos investigando si el origen de estos clados ocurrió durante la transición del primer ancestro común eucariota (FECA) al LECA o anteriormente. Con respecto a la evolución de las AQPs/MIPs en peces anfibios, obtuvimos un catálogo final de 356 secuencias de acuaporinas de 22 genomas de peces anfibios (además de cuatro secuencias de peces pulmonados). A diferencia de los sarcopterigios, no encontramos evidencia de la aparición de nuevas clases de AQPs que puedan estar relacionadas con la transición de agua a tierra en las especies estudiadas de peces anfibios actinopterigios. En cambio, sí detectamos señales de selección adaptativa en 19 ramas de AQPs (incluidas las clases AQP1, AQP3, AQP8, AQP10, AQP11 y AQP12) en 13 linajes de peces anfibios diferentes, y detectamos cambios de secuencia específicos en 12 de dichas ramas. Algunos de estos cambios están ubicados en, o cerca de, motivos importantes de la secuencia de AQP involucrados en la formación del poro o en la selectividad del sustrato (tal como el motivo NPA o el filtro de selectividad ar/R), lo que sugiere un cambio en la estructura, función o regulación de la proteína. De todos nuestros resultados, los relacionados con los ortólogos de la AQP11 sugieren que estos podrían constituir los candidatos más prometedores para futuras investigaciones. Hasta 15 posiciones de secuencia seleccionadas positivamente corresponden a seis ramas de AQP11 diferentes. Además, es notable el caso de la selección adaptativa detectada en la rama ancestral de la AQP11b del clado Gobiidae, que, en nuestro conjunto de datos, está representada por los saltarines del fango (de modo de vida anfibio) y dos especies emparentadas totalmente acuáticas. En dicho clado, identificamos un cambio en el motivo NPA donde la N (asparagina) canónica es sustituida por una S (serina). La modificación de la secuencia de esta AQP11b ocurrió antes de la evolución del linaje de los saltarines del fango y podría representar un posible caso de exaptación en Gobiidae. Concluimos que, debido a la importancia de las acuaporinas en la osmorregulación de los peces, las posiciones de secuencia encontradas bajo selección adaptativa podrían haber dado lugar a modificaciones en la estructura o función de estas proteínas que podrían haber jugado un papel en las transiciones agua-tierra de los peces anfibios estudiados.

  • English

    Aquaporins (AQPs) or major intrinsic proteins (MIPs) form an ancient family of transporters for water and small solute across biological membranes. They constitute a highly diverse protein superfamily, and their evolutionary history and functions have been relatively well studied in vertebrates and plants. For instance, in vertebrates four well defined clusters are described: AQP1-like (water-selective classical aquaporins), AQP8- like (ammonia channels), AQP3-like (aquaglyceroporins), and AQP11-like (unorthodox or super aquaporins). In land vertebrates (Tetrapoda), an exclusive clade of MIPs/AQPs—which is clustered within the classical aquaporins and includes three different orthologues—appears to have been important for their process of colonisation of terrestrial environments. MIPs are broadly present across the eukaryotic tree of life suggesting both a more complex evolutionary history and a larger set of functions than previously thought. Here, we studied the diversity of MIP proteins in the entire eukaryotic lineage by setting a general phylogenetic context for understanding their evolution. Besides, considering the importance of aquaporins in the water-to-land transition of sarcopterygian vertebrates (emergence of tetrapods), we studied the molecular evolution of these proteins in several amphibious fishes of the actinopterygian branch in order to investigate possible new duplication events or adaptive modifications at the sequence level that could be related with their acquisition of an amphibious lifestyle. Finally, we provide a robust bioinformatic workflow and pipeline for gene isolation from large-scale genomic data and phylogenetic analyses that enabled the achievement of the molecular evolution goals.

    Taking advantage of genomic and transcriptomic data from publicly available eukaryotic databases plus datasets compiled from previous studies, we managed to ascertain a comprehensive catalogue of MIPs within Eukaryotes. In agreement with previous studies, we reported a highly diverse repertoire of MIPs in unicellular eukaryotes suggesting a complex catalogue in the last eukaryotic common ancestor (LECA). In this sense, we reported three MIP clades that likely have deep evolutionary origins. However, whether the origin of these clades occurred during the transition from the first eukaryotic common ancestor (FECA) to LECA, or whether they were already present in FECA is still under investigation. Regarding AQPs/MIPs evolution in amphibious fishes, we obtained a final catalogue of 356 aquaporin sequences from 22 amphibious fish genomes (plus four lungfish sequences). Unlike sarcopterygians, we found no evidence of the emergence of new AQP classes that can be related to the water-to-land transition in the studied species of actinopterygian amphibious fishes. Instead, we detected signatures of adaptive selection in 19 AQP branches (including AQP1, AQP3, AQP8, AQP10, AQP11, and AQP12 classes) in 13 different amphibious fish lineages, and spotted specific sequence changes in 13 of such branches. Some of these changes are located in, or close to, important motifs of the AQP sequence involved in pore formation or substrate selectivity (such as the NPA motif or the ar/R selectivity filter) suggesting a change in protein structure, function or regulation. Of all our results, those of AQP11 orthologs suggest these could constitute the most promising candidates for further research. Up to 15 positively-selected sequence positions (one shared among three lineages) correspond to six different AQP11 branches. Furthermore, it is remarkable the case of the adaptive selection detected in the AQP11b stem branch of the Gobiidae clade, which, in our dataset, is represented by the amphibious mudskippers and two fully-aquatic relatives. In these, we identified a change at the NPA motif where the canonical N (asparagine) is substituted by an S (serine). The sequence modification of this AQP11b occurred before the evolution of the mudskippers lineage and it could represent a possible case of exaptation in Gobiidae. We conclude that, due to the importance of aquaporins in osmoregulation in fishes, the sequence positions found under adaptive selection may have led to modifications in the structure or function of these proteins that could have played a role in the water-to-land transitions of the studied amphibious fish.