Evolutionary History and Molecule-level Conservation of R-SMADs in Metazoa

Abstract

BMP 신호 전달 경로는 동물계 전반에 걸쳐 다양한 생물학적 과정에 관여하는 핵심 세포간 신호 전달 체계이다. 통상적 BMP 신호전달 경로는 크게 3가지 기능적 모듈인 신호전달 물질 (리간드), 세포막 수용체, 세포내 매개분자인 SMAD 단백질로 구성된다. 수용체-조절 SMAD (R-SMAD)는 전체 신호 전달 과정에서 세포 내 과정을 담당하는 유일한 이차전달자로서 중요한 기능을 수행한다. BMP 신호전달 경로에서는 수용체-리간드 복합체의 다양성으로 인해 가능한 입력 신호의 수는 100개 이상으로 알려졌으나, 모든 신호가 결과적으로 3개의 제한된 R-SMAD (SMAD1/5/9)으로 수렴한다는 점에서 신호의 수용과 해석 단계를 수행하는 R-SMAD 체계에 대한 이해가 필수적이다. 직렬상동 유전자 (paralogous genes)로서 SMAD1/5/9 간의 계통 관계 및 구조적 유사성은 잘 알려졌지만 3개 BMP R-SMAD 체계가 어떠한 진화적 과정을 통해 확립되었는지는 아직 불분명하다. 본 연구에서는 BMP R-SMAD의 진화 과정을 전체 동물계 범위에서의 분자 비교 접근을 통해 분석하였다. 2,134개 동물 종의 유전체상에서 SMAD 유전자의 존재 및 개수를 파악한 결과 해면동물문 및 자포동물문 등 진화 초기에 발생한 계통군에서도 독립적인 BMP R-SMAD의 존재를 확인할 수 있었다. 상위 계통군 수준에서의 BMP R-SMAD 유전자 수는 척삭동물문에서 두드러지게 높았으며 강 수준의 분석을 통해 단일 유전자에서 3개 유전자로의 복제는 무악어류와 유악류 척추동물의 분기 이후, 연골어류와 경골어류의 분기 이전 시점에 이루어진 것을 확인하였다. SMAD1/5/9 모두 다른 종의 병렬상동 유전자 간의 강한 서열 보존과 부정적 선택압을 전체 아미노산 위치에서 보여주었다. 이를 통해 발생 과정에서 필수적으로 알려진 SMAD1과 SMAD5 뿐만 아니라 기능적 중요도가 상대적으로 떨어지며 대체 가능한 것으로 알려진 SMAD9에서마저 진화적으로 서열 변이가 강하게 억제되었음을 보일 수 있었다. SMAD1/5/9과 주변 유전자의 상호선형도 (collinearity)를 확인한 결과 SMAD1과 SMAD9은 보존된 유전자 집합 (syntenic block)을 유지하는 반면 SMAD5는 상대적으로 약한 수준의 보존을 보여주었다. 넓은 조사 범위 및 생물 종 수를 활용한 본 연구를 통해 동물계 진화 과정에서 BMP R-SMAD의 등장과 인간 및 기타 척추 동물 모델에서 밝혀진 3개 BMP R-SMAD의 형성 시점을 밝힐 수 있었으며 유전자 복제 이후 각 BMP R-SMAD 유전자의 분자적 진화가 강한 보존 방향으로 진행되었음을 제시할 수 있었다. 특히 SMAD9에서 확인된 보존적 경향 및 계통 특이적인 특정 SMAD 유전자의 결실과 같은 발견은 밝혀지지 않은 SMAD9의 역할이나 R-SMAD 간 기능적 연관 관계에 대한 새로운 시각을 제시할 수 있을 것이다. BMP R-SMAD 체계의 진화 과정을 명확히 밝히고 이를 기능적 측면의 연구와 연결함으로써 세포가 BMP 신호를 생물학적 맥락에 맞게 해석하고 반응하는 복잡한 과정을 이해하는 데 기여하기를 기대한다.|BMP signaling pathway is one of the core cell signaling pathways involved in various biological pro- cesses throughout the metazoa. Canonical BMP signaling pathway is comprised with 3 functional modules: Lig- ands, receptors and intracellular mediator SMADs. Among them, Receptor-regulated SMADs (R-SMADs) play crucial roles as one and only secondary messenger of intracellular steps. Limited 3 R-SMADs (SMAD1/5/9) can receive and show context-dependent responses against the various BMP signaling inputs generated by diverse and ligand-receptor complex combination. As a paralogous genes, phylogenetic relationship and structural similarity between SMAD1/5/9 were already well known. However, evolutionary history of 3 BMP R-SMAD system has not yet been fully uncovered. In this study, evolution of BMP R-SMADs was investigated based on the comparative approach throughout the metazoa. SMAD gene count from 2,134 metazoan species genomes showed the separa- tion of BMP R-SMAD from closely related TGF-β R-SMAD from the early-diverged clades such as porifera or cnidaria. Clade-level multiple BMP R-SMAD gene count was especially observed in phylum chordata and per class analysis revealed that 3 BMP R-SMAD system had established after divergence of cyclostomata (jawless fish) and craniata (jawed-vertebrates) but before chondrichthyes (cartilaginous fish) and osteichthyes (bony fish and tetrapods) bifurcated. Strong sequence conservation within orthologs with evident negative selection pressure on entire residues was observed in all R-SMADs. This result showed the presence of strict suppression of sequence variation in all sites of SMAD1, SMAD5 and even in SMAD9, which is known as dispensable and having rela- tively lower functional importance. Rough investigation for collinearity between SMAD1/5/9 and their neighbor- ing genes showed that SMAD1 and SMAD9 have well-conserved syntenic block and are located in stable genomic region while SMAD5 showed relatively more synteny breakage. This research could suggest the robust origin of BMP R-SMADs and human-like SMAD1/5/9 system with wider coverage of metazoan clades and number of species. Novel findings such as strong conservation pattern of SMAD9 in gene-level to chromosomal-level (par- tial), or clade-specific SMAD gene loss pattern could provide new insights for relatively unresolved roles of SMAD9 or understanding functional network and relationship between R-SMADs. By clearly suggesting the evo- lutionary history of BMP R-SMAD system and connect this to functional aspects, complexity of how cells interpret the BMP signal according to the context can be understood better eventually.