De amniote lijn verdeelde zich in de voorouderlijke lijnen van zoogdieren en reptielen ∼320 miljoen jaar geleden. Vandaag de dag zijn de overlevende leden van deze lijnen zoogdieren, die ∼4.500 soorten omvatten, en reptielen, die ∼17.000 soorten omvatten. Binnen de reptielen divergeerden de twee belangrijkste clades ∼280 miljoen jaar geleden: de lepidosauriërs, die hagedissen (inclusief slangen) en de tuatara omvatten; en de archosauriërs, die krokodilachtigen en vogels omvatten (de plaats van de schildpadden blijft onduidelijk)6. Voor het gemak verwijzen we hier naar lepidosauriërs als hagedissen (fig. 1).
De studie van de belangrijkste genomische gebeurtenissen die gepaard gingen met de overgang naar een volledig terrestrische levenscyclus is ondersteund door de sequentiebepaling van verschillende zoogdieren (K.L.-T. et al., manuscript ingediend) en drie vogelgenomen2,3,4. Het genoom van de hagedis A. carolinensis vult dus een belangrijke leemte in de dekking van amniotes, het splitsen van de lange tak tussen zoogdieren en vogels en het mogelijk maken van meer robuuste evolutionaire analyse van amnote genomen.
Bijvoorbeeld, bijna alle reptiel genoom bevatten microchromosomen, maar deze zijn alleen bestudeerd op een sequentie-niveau in vogels 2,7, waardoor de vraag of de aviaire microchromosomen eigenaardige sequentie kenmerken universeel zijn over reptiel microchromosomen8. Een ander voorbeeld is de studie van de evolutie van geslachtschromosomen. Bijna alle placenta- en buidelzoogdieren hebben homologe geslachtschromosomen (XY)9 en alle vogels hebben ZW-geslachtschromosomen. Hagedissen vertonen echter genetische of temperatuurafhankelijke geslachtsbepaling10. Karakterisering van hagedissen geslachtschromosomen zou de studie van voorheen onbekende geslachtschromosomen en de vergelijking van onafhankelijke geslachtschromosoom systemen in nauw verwante soorten mogelijk te maken.
Anolis hagedissen omvatten een diverse clade van ∼400 beschreven soorten verspreid over de Neotropische gebieden. Deze hagedissen zijn uitgestraald, vaak convergent, naar een verscheidenheid van ecologische niches met bijbehorende morfologische aanpassingen, en vormen daarmee een van de beste voorbeelden van adaptieve radiatie. Met name hun diversificatie in meerdere repliceerbare niches op diverse Caraïbische eilanden via interspecifieke competitie en natuurlijke selectie is in detail gedocumenteerd11. A. carolinensis is de enige anolis die inheems is in de USA en kan gevonden worden van Florida en Texas tot in North Carolina. We kozen deze soort voor genoom sequencing omdat het op grote schaal wordt gebruikt als een reptiel model voor experimentele ecologie, gedrag, fysiologie, endocrinologie, epizootics en, in toenemende mate, genomics.
Het groene anole genoom werd gesequenced en geassembleerd (AnoCar 2.0) met behulp van DNA van een vrouwelijke A. carolinensis hagedis (Supplementary Tables 1-4). Fluorescentie in situ hybridisatie (FISH) van 405 bacteriële kunstmatige chromosoom (BAC) klonen (van een mannetje) konden de assemblage steigers worden verankerd aan chromosomen (Supplementary Table 5 en Supplementary Fig. 1). De A. carolinensis genoom is gemeld dat een karyotype van n = 18 chromosomen, bestaande uit zes paren van grote macrochromosomen en 12 paren van kleine microchromosomen 12 hebben. De voorlopige genoomsequentie is 1,78 Gb groot (zie aanvullende tabel 3 voor assemblagestatistieken) en houdt het midden tussen genoomassemblages van vogels (0,9-1,3 Gb) en zoogdieren (2,0-3,6 Gb).
Wij vinden dat er weinig chromosomale herschikkingen hebben plaatsgevonden in de 280 miljoen jaar sinds de anol en de kip uit elkaar zijn gegaan, zoals was gesuggereerd door eerdere vergelijkingen met Xenopus en kip13. Er zijn 259 syntenische blokken (gedefinieerd als opeenvolgende syntenische ankers die consistent zijn in volgorde, oriëntatie en spatiëring, bij een resolutie van 1 Mb) tussen hagedis en kip (Supplementaire Tabel 6 en Supplementaire Fig. 2). Interessant is dat 19 van de 22 verankerd kip chromosomen zijn elk syntenisch met een enkele A. carolinensis chromosoom over hun gehele lengte (Fig. 2a), daarentegen, slechts 6 (van 23) menselijke chromosomen zijn syntenisch met een enkele opossum chromosoom over hun gehele lengte, ook al zijn de soorten slechts 148 miljoen jaar geleden gescheiden 14. Segmentale duplicaties volgen trends gezien in andere amniote genomen (Supplementary Note, Supplementary Table 7 en Supplementary Fig. 3).
Bijna 30% van het genoom van A. carolinensis-genoom bestaat uit mobiele elementen, die een veel grotere verscheidenheid aan actieve herhaalfamilies omvatten dan bij de genomen van vogels2 of zoogdieren15 het geval is. De meest actieve klassen zijn lange afgewisselde (LINE) elementen (27%) en korte afgewisselde (SINE) elementen (16%)16 (supplementaire tabel 8). De meeste LINE herhalingen behoren tot vijf groepen (L1, L2, CR1, RTE en R4) en lijken recente invoegingen te zijn op basis van hun sequentie-overeenkomst (divergentie varieert van 0,00-0,76%; ref. 17). Dit staat in contrast met de waarnemingen van de genomen van zoogdieren, waar slechts één enkele familie van LINEs-L1 gedurende tientallen miljoenen jaren de overhand heeft gehad. De DNA-transposons omvatten ten minste 68 families die tot vijf superfamilies behoren: hAT, Chapaev, Maverick, Tc/Mariner en Helitron18. Net als bij de retrotransposons lijkt de meerderheid van de DNA-transposon families relatief jong te zijn, in tegenstelling tot het extreem geringe aantal recent actieve DNA-transposons dat in andere amniote genomen gevonden wordt (supplementaire tabel 9). Over het geheel genomen hebben mobiele elementen van A. carolinensis een significant hoger GC-gehalte (43,5%, P < 10-20) dan het genoombrede gemiddelde van 40,3%. Naast mobiele elementen vertoont A. carolinensis een hoge dichtheid (3.5%) van tandem herhalingen, met een lengte- en frequentieverdeling die vergelijkbaar is met die van humaan microsatelliet DNA15. We weten nu dat er ten minste drie soorten amniote-genomen zijn: zoogdiergenomen zijn verrijkt met L1-elementen en hebben een hoge mate van accumulatie van mobiele elementen, vogelgenomen zijn repeatarm met zeer weinig activiteit van mobiele elementen, terwijl het hagedisgenoom een extreem grote diversiteit aan actieve mobiele-elementenfamilies bevat, maar een lage mate van accumulatie heeft, die doet denken aan het mobiele-elementenprofiel van teleosteanvissen19.
De meeste reptielengenomen bevatten microchromosomen, maar het aantal varieert per soort; het genoom van A. carolinensis bevat 12 paren microchromosomen12, terwijl het kippengenoom 28 paren bevat. Vogel microchromosomen hebben zeer onderscheidende eigenschappen in vergelijking met vogel macrochromosomen, zoals hogere GC en lagere repeat inhoud2, terwijl hagedis microchromosomen vertonen deze kenmerken niet (Fig. 2b). Opmerkelijk is dat alle sequentie verankerd aan microchromosomen in A. carolinensis ook uitlijnt met microchromosomen in het kippengenoom, en op één na alle A. carolinensis microchromosomen syntenisch zijn met slechts één corresponderend kippenmicrochromosoom (Fig. 2a). Microchromosomen die geconserveerd zijn tussen A. carolinensis en de kip zouden dus kunnen zijn ontstaan in de reptielen-voorouder, terwijl de resterende kippen-microchromosomen zouden kunnen zijn ontstaan in de vogellijn.
Het genoom van A. carolinensis heeft verrassend weinig regionale variatie in GC-gehalte, aanzienlijk minder dan eerder is waargenomen voor vogels en zoogdieren; het is het enige bekende amniotische genoom waarvan de nucleotidensamenstelling zo homogeen is als het genoom van de kikker5 (aanvullende Figs 4 en 5). Figuur 3 illustreert hoe lokaal GC-gehalte evolutionair geconserveerd is tussen humaan chromosoom 14 en kippenchromosoom 5, maar in veel mindere mate met A. carolinensis chromosoom 1. Aangezien alle gerangschikte amniote genomen behalve die van A. carolinensis deze homologe variërende niveaus van GC-gehalte (‘isochores’)20 bevatten, is het waarschijnlijk dat de voorouderlijke amniote GC heterogeniteit in de lineage van deze hagedis naar homogeniteit is geërodeerd. Er is voorgesteld dat isochoren met een hoog GC-gehalte een gevolg zijn van hogere percentages GC-gebaseerde genconversie in regio’s met hogere recombinatie2. De grotere GC-homogeniteit in het anolegenoom kan dus een weerspiegeling zijn van meer uniforme recombinatiesnelheden, of anders van een aanzienlijk verminderde bias naar GC tijdens de resolutie van genconversiegebeurtenissen in de A. carolinensis-lijn (voor een discussie, zie ref. 5).