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

Abstract

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...

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. Por ejemplo, en los vertebrados se han descrito cuatro grupos bien definidos: tipo-AQP1 (acuaporinas clásicas o canales de agua), tipo-AQP8 (canales de amoníaco), tipo-AQP3 (acuagliceroporinas) y tipo-AQP11 (no ortodoxas o super acuaporinas). En los vertebrados terrestres (Tetrapoda), un clado exclusivo de MIPs/AQPs, que se agrupa dentro de las acuaporinas clásicas e incluye tres ortólogos diferentes, 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, lo que sugiere una historia evolutiva más compleja y un conjunto de funciones más amplio de lo que se pensaba inicialmente. 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 delos vertebrados sarcopterigios (surgimiento de los tetrápodos), 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 que podrían estar relacionadas con su adquisición de un estilo de vida anfibio. Finalmente, proporcionamos un protocolo bioinformático robusto para el aislamiento de genes a partir de datos genómicos a gran escala y análisis filogenético que ha permitido la consecución de los objetivos de evolución molecular. Aprovechando los datos genómicos y transcriptómicos de las bases de datos eucariotas..