Human and chimpanzee Luteinizing hormone/ Chorionic Gonadotropin beta (LHB/CGB) gene clusters: diversity and divergence of young duplicated genes

Abstract

Duplications of genetic material have been considered as a key mechanism leading to the rise of new genes and biological processes in the course of evolution. Duplications are important in generating both inter- and intra-specific variations, and are prone to non-homologous recombination and gene conversion. One of the gene families that has evolved through duplication events in the primate lineage is the Luteinizing hormone/ Chorionic Gonadotropin beta-subunit (LHB/CGB) genome cluster. LHB/CGB genes encode for the beta subunit of gonadotropin hormones having an essential role in reproduction and fertility. Current study showed that duplicated and highly identical LHB/CGB genes have up to 7x higher diversity in human populations (Estonians, Chinese Han, African Mandenkalu) com-pared to unique genes. High sequence variation and strong LD are co-localized in genes showing evidence of gene conversion acceptor activity. Gene conversion donor genes exhibit lower diversity and breakdown of LD. Comparison of human and chimpanzee LHB/CGB genome clusters revealed independent duplication events in these species resulting in discordant number of CGB genes (6 in human and 5 in chimpanzee). Active gene conversion may have contributed to higher interspecific sequence divergence and altered transition/transversion ratio compared to single-copy loci. Despite the high sequence identity, the individual LHB/CGB genes might be evolving under different selective constraints. Study of CGB1/CGB2-like genes in human, chimpanzee, gorilla and orangutan indicated that these genes may have arisen in the common ancestor of African great apes and might be functional genes in human and chimpanzee. The results indicate the important role of gene conversion in the evolution of duplicated regions and active dynamics of LHB/CGB genomic region. Geneetilise materjali duplikatsioone peetakse üheks peamiseks evolutsiooni mehhanismiks, olles uute geenide ja bioloogiliste protsesside tekkimise aluseks. Duplikatsioonid on olulised nii liikide vaheliste kui liikide siseste geneetiliste ja fenotüübiliste varieeruvuste tekitajad. Sellised kõrge DNA järjestuse homoloogiaga alad on altid mitte-homoloogilisele rekombinat-sioonile ja geenikonversioonile. Üheks primaatide liinis duplikatsioonide tagajärjel tekkinud geeniperekonnaks on Luteiniseeriva hormooni/ Koorion Gonadotropiini beeta-subühiku (LHB/CGB) geeniklaster. LHB/CGB geenid kodeerivad gonadotroopisete hormoonide beeta subühikuid, mis on asendamatud normaalse viljakuse tagamisel. Käesolevas töös leiti, et inimpopulatsioonis (Eesti, Hiina Han, Aafrika Mandenkalu) on dup-litseeritud LHB/CGB geenide DNA järjestuse varieeruvus kuni 7x kõrgem võrreldes uni-kaalsete geenidega. Kõrge DNA varieeruvus ja tugev alleelne assotsiatsioon iseloomustavad geenikonversioonis aktseptoritena osalevaid geene, geenikonversiooni doonorite varieeruvus ja alleelse assotsiatsiooni ulatus on madalamad. Inimese ja šimpansi LHB/CGB genoomi-klastrite võrdlusel selgus, et mõlemas liigis toimunud sõltumatud duplikatsioonid on põhjus-tanud erinevuse CGB geenide koopiaarvus (inimesel 6, šimpansil 5 CGB geeni). Unikaal-setest regioonidest kõrgem divergents ja muutunud transitsioonide/transversioonide suhe on ilmselt aktiivse geenikonversiooni toimumise tagajärg. Kuigi LHB/CGB geenid on DNA järjestuselt omavahel väga sarnased, võib üksikute geenide evolutsioon toimuda erinevat tüüpi loodusliku valiku survete all. CGB1-CGB2-sarnaste geenide uurimine inimesel, šimpansil, gorillal ja orangutanil viitab, et need geenid on tekkinud evolutsiooni mastaabis suhteliselt hiljuti, ilmselt Aafrika inimahvide ühisel eellasel ning inimesel ja šimpansil võib olla tegemist funktsionaalsete geenidega. Antud töö tulemused viitavad geenikonversiooni olulisele rollile duplitseerunud genoomipiirkondade evolutsioonis ning LHB/CGB geeniklastri aktiivsele dünaamikale.