Comparative genomics of indels in primate lineages and the possible effect of the MET promoter indel on gene expression

Abstract

Approximately six million years ago, the human and chimpanzee lineages diverged from a common ancestor resulting in two distinct species with a great number of different morphological, behavioral, cognitive and other phenotypic traits. However, their genomes are more than 98.5% identical at protein-coding loci, and genomic differences between these two species hover around 2.4%, excluding repeats and low complexity DNA and including insertions and deletions (indels). It is believed that most of the genetic foundation for the differences among these two lineages lies at the level of gene regulation. Our work focused on lineagespecific large (> 10 bp) indels located in promoter regions that may affect gene expression and protein product levels. Our goal was to validate indels, in order to differentiate real features from computational artifacts. We started by identifying 64 indels, through the alignment of orthologous regions of human, chimpanzee, gorilla, orangutan and macaque (in-silico analysis), located at the 5’ side of the gene and at distance no more than 2 kb away from its nearest gene transcription start site. To validate the indels, PCR and electrophoresis (in-vitro) analysis was performed with all of them. We found two distinct indels, which were unique to the human lineage, in genes associated with neurodevelopment and the female-sexual development, MET and DMRTA2. Since previous studies suggest that most of the differences that exist between humans and chimpanzees are in areas related to the cognitive ability and fertility, our results could indicate that the derived variants observed in the human lineage might be important for processes that make the humans distinct to the other hominids. Moreover, given that most of the divergences that exist between humans and chimpanzees are due to differential gene expression, the promoters described herein could serve as models for in-vitro gene expression assays for evaluating how these fixed indels may affect gene expression in both species.

Hace aproximadamente 6 millones de años, el linaje de los humanos y el chimpancé divergieron de un ancestro en común, resultando en dos distintas especies con una gran cantidad de diferencias a nivel morfológico, cognitivo y de comportamiento, entre otras características fenotípicas. Sin embargo, sus genomas son más de un 98.5% idénticos en loci codificantes para proteínas, y las diferencias genómicas entre ambas especies son el 2.4%, excluyendo regiones repetitivas y de baja complejidad, e incluyendo inserciones y deleciones (indels). Por lo tanto, se cree que la base genética para las diferencias observadas entre ambas especies subyace a nivel de regulación génica. Nuestro trabajo se enfocó en indels (>10 bp) localizados en regiones promotoras que pueden afectar la expresión de los genes y la cantidad de productos proteicos. Nuestra meta fue validar la presencia de indels, para así diferenciar entre artefactos computacionales o indels reales. Se comenzó identificando 64 indels, a través de alineamientos de secuencias de ADN de regiones ortólogas en humanos, chimpancé, gorila, orangután y macaco (análisis in-silico), localizados en el lado 5’ a una distancia de no más de 2 kilo bases del comienzo del sitio de transcripción más cercano. Se llevó a cabo la validación de los indels a través de su amplificación mediante PCR y electroforesis (análisis in-vitro). Se encontraron dos indels que eran únicos para el linaje de los humanos, ambos en genes asociados al desarrollo cognitivo y desarrollo sexual femenino, MET y DMRTA2. Dado que estudios previos sugieren que la mayoría de las diferencias fenotípicas que existen entre el humano y el chimpancé se observan en áreas relacionadas a la habilidad cognitiva y la fertilidad, nuestros resultados podrían indicar que las variantes derivadas observadas en el linaje de los humanos es importante para aquellos procesos que hacen a los humanos distintos de los otros homínidos. En adición, puesto que la mayoría de las divergencias que existe entre el humanos y el chimpancé se debe a expresión génica diferencial, los promotores previamente descritos podrían servir como modelos para ensayos de expresión in-vitro, para evaluar cómo estos indels fijados podrían afectar la expresión de los genes en ambas especies.