Identification and characterization of main genetic components involved in phototransduction and vision of the cubozoan jellyfish Tripedalia cystophora

Abstract

(English) Many of the metazoan phyla sense light by an opsin-based photopigment present in a photosensitive receptor cell (photoreceptor), with Cnidaria being arguably the earliest branching phylum containing a well-developed and complex visual system (advanced eyes morphologically similar to those of vertebrate). The evolutionary history of phototransduction and visual components (ranging from light-sensing opsins to structural genes of the lenses) is a long standing question. In this work, we decided to address this issue by applying a comprehensive multidisciplinary approach combining modern molecular biology methods with bioinformatics. Comprehensive genome-wide inspection of a cubozoan jellyfish Tripedalia cystophora, was complemented with gene expression analyses, together with functional (cell culture based assays) and behavioural (pharmacogenetics) testing. First, genome analysis uncovered the presence of a surprisingly large number of opsin genes with distinct tissue- and stage-specific expression. Our extensive phylogenetic analysis classified cubozoan opsins as a sister group to c-type opsins and documented a lineage-specific expansion of opsin gene repertoire. Functional tests in cell cultures provided evidence for the use of Gs-cAMP signalling pathway only in a small subset of opsins,...

(Česky) Mnoho živočichů vnímá světlo pomocí fotoreceptorů, obsahujících světločivný pigment, jehož základ tvoří protein opsin. Žahavci jsou bezesporu první živočišný kmen, u kterého můžeme nalézt dobře vyvinutý a komplexní zrakový systém (komplexní oči morfologicky podobné očím obratlovců). Evoluční historie fototransdukce a vzniku jednotlivých zrakových komponent (od světločivných opsinů po strukturální geny čoček) zůstává dodnes sporná. V této práci jsme se rozhodli k tématu přistoupit s využitím širokého multidisciplinárního přístupu, kombinujícího moderní metody molekulární biologie a bioinformatiky. Podrobná celogenomová analýza čtyřhranky trojité (Tripedalia cystophora), byla doplněna analýzami genové exprese, funkčními testy v buněčných kulturách a farmakogenetickým testováním (behaviorální testy). Za prvé, v genomu byl odhalen překvapivě velký počet genů pro opsiny se zřetelnou tkáňově a vývojově specifickou expresí. Rozsáhlá fylogenetická analýza vedla k vymezení opsinů čtyřhranek jako sesterské větve k c-opsinům a ke zmapování expanze opsinů v této živočišné linii. Funkční testy v buněčných kulturách odhalily, že Gs-cAMP signalizace je typická pouze pro malou podskupinu opsinů a naznačily, že většina opsinů čtyřhranek signalizuje odlišnou a doposud neidentifikovanou kaskádou. Dále funkční...