A novel olfactory receptor gene family in teleost fish:phylogenomics, cellular localization and comparison with other olfactory receptor gene families

Saraiva, Luis Miguel Rodrigues (2004). A novel olfactory receptor gene family in teleost fish:phylogenomics, cellular localization and comparison with other olfactory receptor gene families. PhD thesis, Universität zu Köln. Open Access

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Abstract

While for two of four mammalian olfactory receptor families, all of them G protein-coupled receptors, ortholog teleost families have been identified and well-characterized (OR and V2R), two other families (V1R and TAAR) lack to date a systematic study in non-mammalian vertebrates. By data mining I identified a total of six V1R-like genes in five teleost species plus four orthologs in one jawless and one cartilaginous fish species each. In the phylogenetic analysis these ora genes (olfactory receptor, class A-related) form a single clade with three subclades, one of them including the entire mammalian V1R superfamily. The Ora family originates early in the vertebrate lineage, before the separation of the jawless from jawed fish. A similar search was performed also for taar genes in genomes of five teleosts, two basal fish and seven higher vertebrates. Taar genes segregate into three classes and their family size ranges from 18 to 112 genes in teleosts (pufferfish and zebrafish, respectively), while mammalian families contain at most 19 genes (opossum). The TAAR family originated in the common ancestor of bony and cartilaginous fishes, after its divergence from jawless fish. In these and other properties the ora and taar gene families turn out to be at opposite poles of the spectrum of olfactory receptor families. All the six teleost Ora family members are evolutionarily much older than the speciation events in the teleost lineage, while most extant teleost taar genes have emerged late in evolution, well after the split between basal teleosts (zebrafish) and neoteleostei (stickleback, medaka, pufferfish). Taar genes are largely arranged according to phylogenetic proximity in two big clusters (both syntenic to the single sarcopterygian gene cluster), whereas the ora genes are organized as singletons or symmetrical gene pairs. TAAR genes are mostly monoexonic, whereas two ora genes exhibit a highly conserved multi-exonic structure. Furthermore, the ora genes are under strong negative selection (minute dN/dS values), whereas the teleost taar genes display a relaxed pattern of global negative selection and an unprecedented degree of local positive selection. Taken together, the ora gene repertoire is highly conserved across teleosts, in striking contrast to the frequent species-specific expansions observed in mammalian V1Rs. The inverse is observed for the taar gene repertoire, which is rather conserved across mammalian species, but exhibits frequent and large species-specific expansions in teleosts. Thus, the transition from teleosts to tetrapods may parallel a transition in function as well as regulation of both the ora/V1R and TAAR gene families. Consistent with a function as olfactory receptors all zebrafish ora and all analyzed taar genes (except taar1) were expressed in sparse subsets of olfactory receptor neurons. The olfactory epithelium contains three subtypes of olfactory receptor neurons, ciliated, microvillous and crypt cells, the latter so far without known receptors, but with both cilia and microvilli. I found the ora genes to be expressed in the crypt cells, thereby deorphanizing this third type of OSN. Furthermore, the ora genes follow the monogenic rule of expression previously reported for members of other olfactory receptor gene families. Ora genes co-express both Gαi and Gαo, supporting the hypothesis that crypt cells might possess two distinct olfactory signaling pathways, one via their cilia and the other via microvilli.

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Thesis (PhD thesis)

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Eine neue olfaktorische Rezeptor Genfamilie in Knochenfischen: Phylogenomische, zelluläre Lokalisation und Vergleich mit anderen olfaktorischen Rezeptor Genfamilien	German

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Abstract

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Nur zwei der vier grossen Familien von G Protein-gekoppelten Geruchsrezeptorgenen sind systematisch in Fischen untersucht worden (OR und V2R), während die restlichen zwei Familien (V1R und TAAR) bisher nur in Säugern genauer analysiert wurden. Mittels ausgedehnter Datenbankanalysen konnte ich insgesamt sechs V1R-ähnliche Gene in fünf Arten von Knochenfischen identifizieren, sowie je vier Orthologe in Knorpelfischen und kieferlosen Fischen. In der phylogenetischen Analyse bilden diese ora Gene (olfaktorische Rezeptoren, verwandt mit Klasse A der G Protein-gekoppelten Rezeptoren) einen einzelnen Klade, der sich aus drei Unterkladen zusammensetzt, von denen einer die gesamte V1R Superfamilie der Säuger enthält. Die ora Genfamilie entstand bereits früh in der evolutionären Geschichte der Wirbeltiere, vor der Aufspaltung von kieferlosen Fischen (Agnatha) und Gnathostomata. Ich habe entsprechende Datenbanksuchen auch für die taar Genfamilie in den Genomen von fünf Arten von Knochenfischen, zwei Arten basaler Fische, und sieben Arten landlebender Vertebraten durchgeführt. Taar Gene lassen sich in drei Untergruppen/Klassen aufteilen, und pro Art werden zwischen 18 und 112 Genen beobachtet (Kugelfische bzw. Zebrabärbling, Danio rerio), während in Säugern maximal 19 Gene gefunden wurden (Opossum). Die taar Genfamilie entstand im gemeinsamen Vorläufer der Knochen- und Knorpelfische, nach dessen Abspaltung von kieferlosen Fischen. Hier wie auch in anderen Analysen zeigt sich, dass ora und taar Genfamilien sehr verschiedene Wege in der Evolution gegangen sind, ja geradezu an den entgegengesetzten Enden des Spektrums olfaktorischer Rezeptorgenfamilien liegen. Alle sechs ora Gene sind lange vor der Speziation der Knochenfische entstanden, während fast alle taar Gene der Knochenfische viel später evolvierten, sogar nach der Aufteil¬ung in basale Teleosten (Zebrabärbling) und Neoteleosten (Stichling, Medaka, Kugelfisch). Taar Gene sind großenteils gemäß ihrer phylogenetischen Verwandtschaft auf dem Genom angeordnet, in zwei großen Clustern, die beide syntenisch zu dem Cluster der taar Gene in landlebenden Vertebraten sind, während die ora Gene einzeln bzw. als zwei symmetrische Genpaare vorliegen. Die meisten taar Gene bestehen nur aus einem Exon, während zwei der sechs ora Gene eine hochkonservierte multi-exonische Struktur aufweisen. Ora Gene unterliegen einer starken negativen Selektion, mit extrem kleinen dN/dS Werten, während die taar Gene der Knochenfische nur eine moderate globale negative Selektion aufweisen, aber gleichzeitig eine stark ausgeprägte positive Selektion an einzelnen Sequenz¬positionen zeigen. Zusammengefasst läßt sich sagen, dass das ora Genrepertoire sehr stabil und hochkonserviert ist, ganz im Gegensatz übrigens zu den häufigen spezies-spezifischen Expansionen der daraus hervorgegangenen Säuger V1R Gene. Umgekehrte Verhältnisse gelten für die taar Gene, die innerhalb der Säuger recht gut konserviert sind, aber in den Knochenfischen häufige und spezies-spezifische Genexpansionen aufweisen. Der Übergang von Teleosten zu Tetrapoden könnte daher in beiden Genfamilien mit einem drastischen Wechsel sowohl in Funktion und Genregulation einhergehen. Wie für Geruchsrezeptoren erwartet, wurden alle ora Gene und alle untersuchten taar Gene des Zebrabärblings (außer taar1) in vereinzelten olfaktorischen Rezeptorneuronen exprimiert. Es existieren drei Arten dieser Neurone, die ziliierten, mikrovillären Neurone und die Kryptzellen, die sowohl Zilien als auch Mikrovilli tragen, jedoch bisher keinen Geruchsrezeptoren zugeordnet werden konnten. Ich konnte zeigen, dass die ora Gene spezifisch in Kryptzellen exprimiert werden, und damit die bisher völlig offene Frage einer Funktion dieser Kryptzellen einer Lösung näherbringen. Weiters konnte ich nachweisen, dass die ora Gene der Ein-Rezeptorneuron-ein-Rezeptorgen Regel folgen, wie es für Mitglieder verschiedener anderer olfakorischer Rezeptorgenfamilien bekannt ist. Ora Gene werden zusammen mit Gαi und Gαo exprimiert, was die Hypothese nahelegt, dass Kryptzellen zwei unabhängige Signalwege aufweisen könnten, einen in den Zilien, und den anderen in den Mikrovilli.

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