Non-coding RNA in the evolution of Animals

Målet med dette prosjektet har vært å forstå hvordan dyrene oppstod og utviklet seg fra encellede forfedre. Særlig ønsket vi å forstå hvilken rolle såkalte ikke-kodende RNAer (gener som ikke koder for proteiner men som regulerer hvordan andre gener brukes), har spilt i denne prosessen. Dyrenes opprinnelse var et evolusjonært sjumilssteg. Relativt enkle encellede organismer kunne plutselig danne kropper bestående av ulike celletyper karakterisert av et unikt genuttrykk. En hypotese er at dette spranget ble muliggjort av nyvinninger i måten de eksisterende genene ble brukt på, og ikke at helt nye gener oppstod. Altså at nye muligheter til å regulere når og hvor gener skal uttrykkes, og hvilke gener som skal kombineres, var nok til å gi helt nye organismeformer. Man hadde visst om noen slike ikke-kodende RNAene (forkortet ncRNA for non-coding RNA) lenge, men de hadde fått fornyet oppmerksomhet i perioden før dette prosjektet startet. I hovedsak skyldtes dette ny sekvenseringsteknologi som hadde vist at det fantes en enorm mengde RNA med ukjent funksjon. Og noen få forsøk på dyr hadde vist at noen slike ncRNA hadde essensielle funksjoner i å regulere hvordan andre gener brukes. Men det man ikke visste var om slike ncRNAer oppstod sent i evolusjonen av dyr, og dermed er noe som kjennetegner de høyerestående dyrene, eller om de også var tilstede helt i begynnelsen av dyrenes evolusjon. Et hovedmål for prosjektet har derfor vært å identifisere og beskrive ncRNA i de aller tidligste dyrerekkene og deres nærmeste encellede slektninger. Vi har forsøkt å forstå funksjonen og den evolusjonære betydningen til disse ncRNAene for dyrenes tidlige evolusjon. Et hovedfokus har vært på en spesiell type ncRNA kalt mikroRNAer (miRNAer). Dette er korte RNA-molekyler som binder seg til andre gener og regulerer hvordan de brukes. miRNAer spiller en viktig rolle i å sørge for at både planter og dyr utvikler seg på riktig måte. Men blant dyrene så lages miRNAer ved hjelp av et spesielt proteinmaskineri som kalles Mikroprosessor. Og miRNAer kan ikke eksistere uten dette maskineriet. Når vi startet dette prosjektet så hadde ikke Mikroprossesoren blitt funnet utenfor dyreriket, og man trodde derfor at dette var en evolusjonær innovasjon som skjedde hos dyrene. Akkurat når denne innovasjonen skjedde visste man ikke, men det måtte ha vært svært tidlig. Men vi har funnet ut at både denne Mikroprosessoren og miRNA-genene som den lager, finnes hos en gruppe encellede parasitter (Ichthyosporea) som er nært beslektet med dyr. Og det som er interessant med disse parasittene er at de har en veldig spesiell livssyklus, hvor de på et tidspunkt danner en avansert flercellet struktur. Kan det være slik at det er disse genregulerende mikroRNAene som gjør det mulig å danne avanserte flercellede strukturer? Uansett så viser dette at både Mikroprosessoren og miRNAer ikke var noe som oppstod hos dyr, men utviklet seg allerede blant de encellede slektningene. Dette arbeidet er åpent tilgjengelig i tidsskriftet Current Biology (doi: 10.1016/j.cub.2018.08.018). Vi har startet oppfølgingseksperimenter for å prøve å finne ut funksjonen til disse miRNAene. En såkalt «degradom-sekvensering» vi har gjort (hvor vi kan studere genprodukter som er blitt kuttet opp i cellen), tyder på at miRNAene binder seg til andre gener i cellen og fører til at genene kuttes i biter og dermed slås av. Dette vil i så fall være en lignende funksjon som hos planter, og ikke den vanlige funksjonen vi ser hos dyr. Men flere forsøk gjenstår for å bekrefte dette. Dette arbeidet ble gjennomført som en del av masteroppgaven til Hengyi Zhu i 2019 (http://urn.nb.no/URN:NBN:no-71761). I tillegg til miRNAer har vi også jobbet med en annen gruppe av ikke-kodende RNAer, såkalte lange ikke-kodende RNAer (lncRNAer). Dette arbeidet har blitt gjort av to masterstudenter, Line Røsæg og Andreas Evenstad som begge fullførte oppgavene sine i 2017 (http://urn.nb.no/URN:NBN:no-57753 og http://urn.nb.no/URN:NBN:no-57751). Line og Andreas studerte en gruppe veldig merkelige dyr som kalles ribbemaneter, som var en av de aller første dyrerekkene som utviklet seg. De fant ut at lncRNAer er svært aktive under utviklingen fra larver til voksne individer hos ribbemanetene. I tillegg fant Andreas ut at de samme lncRNAene som var aktive under utviklingen også har blitt bevart gjennom evolusjonen av hele denne dyregruppen. Vi har også fulgt opp dette arbeidet på lncRNAs ved å undersøke om de finnes hos den samme gruppen parasitter hvor vi fant miRNAene, blant Ichthyosporea. En stipendiat på prosjektet, Arthur A. Haraldsen. Blørstad hadde et forskningsopphold på 3 måneder i gruppen til Iñaki Ruiz-Trillo i Barcelona for å sekvensere genuttrykket til en slik art gjennom en hel livssyklus. I likhet med ribbemanetene fant vi mange evolusjonært bevarte lncRNAer, som i tillegg hadde et regulert uttrykk gjennom livssyklusen. Dette arbeidet er publisert i tidsskriftet eLife (doi: 10.7554/eLife.49801)

The results of the project have shed new light on our understanding of the evolution of animals. We have strengthened emerging views that the single-celled ancestors of animals were probably genetically highly complex, and had a cell biology and lifestyle that rivals their animal counterparts. This changes our view of the evolution of how animals evolved, and that this perhaps did not require a massive innovation of genes and genetic capabilities after all. Importantly, the project has opened up a new area of research. We have shown that regulatory RNAs, and in particular microRNAs, are present in the single-celled relatives of animals. And although we have caught a glimpse of their function, we still know very little about these regulatory elements and further research is therefore needed.

The overall goal of the project is to understand how animals originated and evolved. The project is unique in that it emphasizes the role of gene regulation by non-coding RNAs (ncRNAs) in the transition from unicellular eukaryotes to multicellular animals. The origin of animals was a giant evolutionary leap from relatively simple single celled Choanozoa. Suddenly, a single genotype would give rise to different cell types and morphologies characterized by unique patterns of gene expression. It is believed that this leap was made possible by inventions in the gene regulatory machinery, and that the driver of morphological evolution in animals is mostly changes in gene regulation and not the invention of new genes. In higher animals gene regulatory non-coding RNAs have been found to play important roles in developmental processes. But so far, it is not known whether these are inventions that took place late in animal evolution or whether ncRNAs were present already in the last common ancestor of animals, or even earlier. The aim of this project is therefore to identify and characterize the ncRNA repertoire of basal animals and their closest ancestors, Choanozoa. Further, it aims to understand the function of these ncRNAs and the evolutionary significance of ncRNAs in the evolution of animals. This proposal is aimed to the call for Young Research Talents. I, the applicant, am currently the project leader of a personal post doc project on non-coding RNAs in evolution. The proposed project will give me the opportunity to establish a career as an independent researcher in the intersection of evolutionary developmental biology and molecular genetics.