Functional and evolutionary implications of single nucleotide substitutions in human microRNAs across primates

Abstract

MicroRNAs (miRNAs) are major contributors to phenotypic diversity and have a demonstrated role in evolution. We performed an analysis on how miRNA nucleotide substitutions may have contributed to human divergence from their closest primate relatives. We first studied the functional implications of a substitution located in the seed region of mir-1304, reported to differ between present-day humans and Neandertals. We found a large change in the set of targets predicted for the two alleles, suggesting an important functional evolution for mir-1304. Among the few target genes predicted for the ancestral allele we found two genes involved in tooth development, ENAM and AMTN. Functional analysis revealed that these genes are differentially regulated by the two mir-1304 alleles suggesting that this change may have contributed to the modulation of phenotypic differences found between present-day humans and Neandertal dentitions. The thesis also offers a global view of the genetic diversification occurred in miRNA regions since the split of humans and chimpanzees. After careful alignment of all human miRNA sequences to chimpanzee and orangutan genomes, their substitution rates were calculated and compared between miRNA categories and with neutral sequences. Despite of the high conservation of these regulators, primate-specific miRNAs showed significantly higher substitution rates than more conserved miRNAs. This suggests that miRNA-driven evolution in primates could be partially sustained by mutation in novel, primate-specific miRNAs and that different miRNA categories show different evolutionary constraints and thus shall not be considered as an homogeneous group.

Los microRNAs (miRNA) contribuyen de manera importante a la diversidad fenotípica y tienen un papel demostrado en la evolución. En la presente tesis se realizaron análisis sobre la manera en que las sustituciones nucleotídicas en los miRNAs pudieran haber contribuido a la divergencia entre el humano y sus parientes primates más cercanos. Primero se estudiaron las implicaciones funcionales de un cambio localizado en la “seed-region” del mir-1304, que según se ha reportado difiere entre los humanos de hoy en día y los Neandertales. Al predecir los genes diana para estas dos versiones de mir-1304 encontramos un enorme cambio en número, lo que sugiere una importante evolución para mir-1304 a raíz de esta substitución nucleotídica. Entre los pocos genes diana previstos para el alelo ancestral, se encontraron dos genes implicados en el desarrollo de los dientes, ENAM y AMTN. Su análisis funcional reveló que estos genes pueden ser regulados diferencialmente por los dos alelos mir-1304, lo que sugiere que este cambio puede haber contribuido a la modulación de las diferencias fenotípicas encontradas entre las denticiones de los seres humanos de hoy en día y los Neandertales. La tesis también ofrece una visión global de la diversificación genética en las secuencias de miRNAs desde la separación de los seres humanos y los chimpancés. Después de alinear cuidadosamente todos los genes de miRNA humanos a los genomas del chimpancé y el orangután, se calcularon las tasas de substitución y se compararon agrupados por categorías y con respecto a referencias neutrales. En general se observó una alta conservación en estos reguladores, sin embargo los miRNAs primate-específicos mostraron significativamente más altas tasas de sustitución que los miRNAs más con una distribucion filogenética más amplia. Esto sugiere por una parte que la evolución impulsada por miRNAs en primates podría, al menos parcialmente, deberse a mutaciones en los miRNAs más jóvenes y específicos de los primates y por otro lado que los microRNAs no son una clase de reguladores homogénea sino que dentro de ella existen categorías sujetas a diferentes presiones evolutivas.