Title

Evolución molecular del sueño unihemisférico en Cetáceos y Pinnípedos: una aproximación genómica comparativa

Molecular evolution of unihemispheric sleep in Cetaceans and Pinnipeds: a comparative genomics approach

Author

Sebastián Álvarez Costes

Contributor

María Clara Arteaga Uribe (Thesis Adviser)

Access level

Open Access

Summary or description

El sueño unihemisférico de onda corta es muy inusual en vertebrados, y se caracteriza por la presencia de ciclos NREM y ausencia de REM. Este sueño solo está presente de manera obligada en Cetáceos y de manera facultativa en algunos Pinnípedos y otros grupos de organismos. Sobre el sueño unihemisférico se conoce el funcionamiento fisiológico y las diferencias con el sueño bihemisférico, sin embargo, existen interrogantes acerca de su origen, evolución y base genética. El objetivo de este trabajo fue identificar los genes reguladores del sueño unihemisférico en Cetáceos y Pinnípedos mediante genómica comparativa. Para ello se identificaron los genes ortólogos relacionados con procesos del sueño compartidos entre Cetáceos y Pinnnipedos, se llevó a cabo una reconciliación del árbol de genes relacionados con el sueño y el árbol filogenéticos de mamíferos lo que permitió identificar los genes relacionados al sueño unihemisférico. Además, se evaluó la tasa de selección de esos genes en ramas clave del árbol evolutivo y se infirió su estado ancestral distintos puntos de la historia evolutiva. La reconciliación de árboles de genes con el árbol de especies demostró que entre los posibles genes reguladores del sueño unihemisférico están CASP1 en Cetáceos y PER3 en Cetáceos y Otáridos. CASP1 es importante por su función en la ruta metabólica de los ciclos NREM de Cetáceos, que requieren de una mayor influencia de este gen para regular sus ciclos. Para PER3 se demostró que existe un patrón de selección que beneficia a los homocigotos en Pinnípedos, es posible que la selección que actúa sobre este gen les haya conferido la adaptación a los primeros Pinnípedos y a los Otáridos para poder mantenerse en sueño NREM. Las reconstrucciones del estado ancestral de estos genes demostraron que existen sustituciones de aminoácidos particulares en CASP1 de Cetáceos desde su último ancestro común y sustituciones de aminoácidos particulares en PER3 de Pinnípedos y una pérdida de 7 aminoácidos en Phócidos. Estos resultados sugieren que PER3 es un gen que influencia el sueño unihemisférico en Cetáceos y en Otáridos y que CASP1 es el posible responsable de que los Cetáceos presenten el sueño unihemisférico de manera obligada. Futuros estudios enfocados en estas proteínas permitirán evidenciar las características estructurales que les confieren estas similitudes y diferencias en el sueño unihemisférico, así como las diferentes ventajas adaptativas que estas ...

Short-wave unihemispheric sleep is very unusual in vertebrates, characterized by the presence of NREM cycles and the absence of REM. This type of sleep is obligatory in Cetaceans and facultative in some Pinnipeds and other groups of organisms. Regarding unihemispheric sleep in these species, the physiological functioning and differences with bihemispheric sleep are known, however, there are questions about its origin, evolution and genetic basis. The objective of this study was to identify unihemispheric sleep regulatory genes in Cetaceans and Pinnipeds using comparative genomics. The orthologous genes related to sleep processes and shared between these two groups of organisms were identified, a reconciliation of the tree of genes related to sleep and species tree of Cetaceans and Pinnipeds was carried out to identify those related to unihemispheric sleep. The selection rate of these genes in key branches of the evolutionary tree was evaluated and their ancestral sequence was inferred at different points in evolutionary history. The reconciliation of gene trees with the species tree showed that the possible unihemispheric sleep regulatory genes are CASP1 in Cetaceans and PER3 in Cetaceans and Otharids. CASP1 was only observed in Cetaceans and due to its function in the metabolic pathway of the NREM cycles, these species require a greater influence of this gene to regulate these cycles. For PER3 there is a selection pattern that benefits homozygosity in Pinnipeds. Therefore, it is possible that the selection that acts on this gene has conferred adaptation to the first Pinnipeds and Otharids to be able to stay in NREM sleep. The ancestral gene reconstruction of CASP1 revealed derived amino acid substitutions in Cetaceans inherited from their last common ancestor. Likewise, derived amino acid substitutions were identified in Pinniped PER3 and 7 aminoacid deletions in Phocids. These results suggest that PER3 is a gene that influences unihemispheric sleep in Cetaceans and Otharids and that CASP1 is possibly responsible for the fact that Cetaceans present obligatory unihemispheric sleep. Future studies focused on these proteins could allow to demonstrate the structural characteristics that these similarities and differences confer on them in unihemispheric sleep, as well as the different adaptive advantages that these proteins could give them and if there is a molecular evolutionary convergence.

Publish date

2021

Publication type

Master thesis

Format

application/pdf

Language

Spanish

Citation suggestion

Álvarez Costes, S. 2021. Evolución molecular del sueño unihemisférico en Cetáceos y Pinnípedos: una aproximación genómica comparativa. Tesis de Maestría en Ciencias. Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada, Baja California. 48 pp.

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Repositorio Institucional CICESE

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