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Evans-Yamamoto D, Dubé AK, Saha G, Plante S, Bradley D, Gagnon-Arsenault I, Landry CR. Parallel Nonfunctionalization of CK1δ/ε Kinase Ohnologs Following a Whole-Genome Duplication Event. Mol Biol Evol 2023; 40:msad246. [PMID: 37979156 PMCID: PMC10699747 DOI: 10.1093/molbev/msad246] [Citation(s) in RCA: 4] [Impact Index Per Article: 2.0] [Reference Citation Analysis] [Abstract] [Key Words] [MESH Headings] [Grants] [Track Full Text] [Download PDF] [Figures] [Journal Information] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 09/26/2023] [Accepted: 11/07/2023] [Indexed: 11/20/2023] Open
Abstract
Whole-genome duplication (WGD) followed by speciation allows us to examine the parallel evolution of ohnolog pairs. In the yeast family Saccharomycetaceae, HRR25 is a rare case of repeated ohnolog maintenance. This gene has reverted to a single copy in Saccharomyces cerevisiae where it is now essential, but has been maintained as pairs in at least 7 species post-WGD. In S. cerevisiae, HRR25 encodes the casein kinase 1δ/ε and plays a role in a variety of functions through its kinase activity and protein-protein interactions (PPIs). We hypothesized that the maintenance of duplicated HRR25 ohnologs could be a result of repeated subfunctionalization. We tested this hypothesis through a functional complementation assay in S. cerevisiae, testing all pairwise combinations of 25 orthologs (including 7 ohnolog pairs). Contrary to our expectations, we observed no cases of pair-dependent complementation, which would have supported the subfunctionalization hypothesis. Instead, most post-WGD species have one ohnolog that failed to complement, suggesting their nonfunctionalization or neofunctionalization. The ohnologs incapable of complementation have undergone more rapid protein evolution, lost most PPIs that were observed for their functional counterparts and singletons from post-WGD and non-WGD species, and have nonconserved cellular localization, consistent with their ongoing loss of function. The analysis in Naumovozyma castellii shows that the noncomplementing ohnolog is expressed at a lower level and has become nonessential. Taken together, our results indicate that HRR25 orthologs are undergoing gradual nonfunctionalization.
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Affiliation(s)
- Daniel Evans-Yamamoto
- Institut de Biologie Intégrative et des Systèmes (IBIS), Université Laval, Québec, QC, G1V 0A6, Canada
- Département de Biochimie, de Microbiologie et de Bio-informatique, Faculté des Sciences et de Génie, Université Laval, Québec, QC, G1V 0A6, Canada
- Département de Biologie, Faculté des Sciences et de Génie, Université Laval, Québec, QC, G1V 0A6, Canada
- PROTEO, Le regroupement québécois de recherche sur la fonction, l’ingénierie et les applications des protéines, Université Laval, Québec, QC, G1V 0A6, Canada
- Centre de Recherche sur les Données Massives (CRDM), Université Laval, Québec, QC, G1V 0A6, Canada
- Systems Biology Program, Graduate School of Media and Governance, Keio University, Fujisawa, Kanagawa, 252-0882, Japan
- Institute for Advanced Biosciences, Keio University, Fujisawa, Kanagawa, 252-0882, Japan
| | - Alexandre K Dubé
- Institut de Biologie Intégrative et des Systèmes (IBIS), Université Laval, Québec, QC, G1V 0A6, Canada
- Département de Biochimie, de Microbiologie et de Bio-informatique, Faculté des Sciences et de Génie, Université Laval, Québec, QC, G1V 0A6, Canada
- Département de Biologie, Faculté des Sciences et de Génie, Université Laval, Québec, QC, G1V 0A6, Canada
- PROTEO, Le regroupement québécois de recherche sur la fonction, l’ingénierie et les applications des protéines, Université Laval, Québec, QC, G1V 0A6, Canada
- Centre de Recherche sur les Données Massives (CRDM), Université Laval, Québec, QC, G1V 0A6, Canada
| | - Gourav Saha
- Institut de Biologie Intégrative et des Systèmes (IBIS), Université Laval, Québec, QC, G1V 0A6, Canada
- Département de Biochimie, de Microbiologie et de Bio-informatique, Faculté des Sciences et de Génie, Université Laval, Québec, QC, G1V 0A6, Canada
- Département de Biologie, Faculté des Sciences et de Génie, Université Laval, Québec, QC, G1V 0A6, Canada
- PROTEO, Le regroupement québécois de recherche sur la fonction, l’ingénierie et les applications des protéines, Université Laval, Québec, QC, G1V 0A6, Canada
- Centre de Recherche sur les Données Massives (CRDM), Université Laval, Québec, QC, G1V 0A6, Canada
- Department of Biological Sciences, Birla Institute of Technology and Science, Pilani K K Birla Goa Campus, South Goa, India
| | - Samuel Plante
- Institut de Biologie Intégrative et des Systèmes (IBIS), Université Laval, Québec, QC, G1V 0A6, Canada
- Département de Biochimie, de Microbiologie et de Bio-informatique, Faculté des Sciences et de Génie, Université Laval, Québec, QC, G1V 0A6, Canada
- Département de Biologie, Faculté des Sciences et de Génie, Université Laval, Québec, QC, G1V 0A6, Canada
- PROTEO, Le regroupement québécois de recherche sur la fonction, l’ingénierie et les applications des protéines, Université Laval, Québec, QC, G1V 0A6, Canada
- Centre de Recherche sur les Données Massives (CRDM), Université Laval, Québec, QC, G1V 0A6, Canada
| | - David Bradley
- Institut de Biologie Intégrative et des Systèmes (IBIS), Université Laval, Québec, QC, G1V 0A6, Canada
- Département de Biochimie, de Microbiologie et de Bio-informatique, Faculté des Sciences et de Génie, Université Laval, Québec, QC, G1V 0A6, Canada
- Département de Biologie, Faculté des Sciences et de Génie, Université Laval, Québec, QC, G1V 0A6, Canada
- PROTEO, Le regroupement québécois de recherche sur la fonction, l’ingénierie et les applications des protéines, Université Laval, Québec, QC, G1V 0A6, Canada
- Centre de Recherche sur les Données Massives (CRDM), Université Laval, Québec, QC, G1V 0A6, Canada
| | - Isabelle Gagnon-Arsenault
- Institut de Biologie Intégrative et des Systèmes (IBIS), Université Laval, Québec, QC, G1V 0A6, Canada
- Département de Biochimie, de Microbiologie et de Bio-informatique, Faculté des Sciences et de Génie, Université Laval, Québec, QC, G1V 0A6, Canada
- Département de Biologie, Faculté des Sciences et de Génie, Université Laval, Québec, QC, G1V 0A6, Canada
- PROTEO, Le regroupement québécois de recherche sur la fonction, l’ingénierie et les applications des protéines, Université Laval, Québec, QC, G1V 0A6, Canada
- Centre de Recherche sur les Données Massives (CRDM), Université Laval, Québec, QC, G1V 0A6, Canada
| | - Christian R Landry
- Institut de Biologie Intégrative et des Systèmes (IBIS), Université Laval, Québec, QC, G1V 0A6, Canada
- Département de Biochimie, de Microbiologie et de Bio-informatique, Faculté des Sciences et de Génie, Université Laval, Québec, QC, G1V 0A6, Canada
- Département de Biologie, Faculté des Sciences et de Génie, Université Laval, Québec, QC, G1V 0A6, Canada
- PROTEO, Le regroupement québécois de recherche sur la fonction, l’ingénierie et les applications des protéines, Université Laval, Québec, QC, G1V 0A6, Canada
- Centre de Recherche sur les Données Massives (CRDM), Université Laval, Québec, QC, G1V 0A6, Canada
- Systems Biology Program, Graduate School of Media and Governance, Keio University, Fujisawa, Kanagawa, 252-0882, Japan
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Evans-Yamamoto D, Dubé AK, Saha G, Plante S, Bradley D, Gagnon-Arsenault I, Landry CR. Parallel nonfunctionalization of CK1δ/ε kinase ohnologs following a whole-genome duplication event. BIORXIV : THE PREPRINT SERVER FOR BIOLOGY 2023:2023.10.02.560513. [PMID: 37873368 PMCID: PMC10592909 DOI: 10.1101/2023.10.02.560513] [Citation(s) in RCA: 0] [Impact Index Per Article: 0] [Reference Citation Analysis] [Abstract] [Key Words] [Grants] [Track Full Text] [Subscribe] [Scholar Register] [Indexed: 10/25/2023]
Abstract
Whole genome duplication (WGD) followed by speciation allows us to examine the parallel evolution of ohnolog pairs. In the yeast family Saccharomycetaceae, HRR25 is a rare case of repeated ohnolog maintenance. This gene has reverted to a single copy in S. cerevisiae where it is now essential, but has been maintained as pairs in at least 7 species post WGD. In S. cerevisiae, HRR25 encodes the casein kinase (CK) 1δ/ε and plays a role in a variety of functions through its kinase activity and protein-protein interactions (PPIs). We hypothesized that the maintenance of duplicated HRR25 ohnologs could be a result of repeated subfunctionalization. We tested this hypothesis through a functional complementation assay in S. cerevisiae, testing all pairwise combinations of 25 orthologs (including 7 ohnolog pairs). Contrary to our expectations, we observed no cases of pair-dependent complementation, which would have supported the subfunctionalization hypothesis. Instead, most post-WGD species have one ohnolog that failed to complement, suggesting their nonfunctionalization or neofunctionalization. The ohnologs incapable of complementation have undergone more rapid protein evolution, lost most PPIs that were observed for their functional counterparts and singletons from post and non-WGD species, and have non-conserved cellular localization, consistent with their ongoing loss of function. The analysis in N. castelli shows that the non-complementing ohnolog is expressed at a lower level and has become non-essential. Taken together, our results indicate that HRR25 orthologs are undergoing gradual nonfunctionalization.
Collapse
Affiliation(s)
- Daniel Evans-Yamamoto
- Institut de Biologie Intégrative et des Systèmes (IBIS), Université Laval, G1V 0A6, Canada
- Département de Biochimie, de Microbiologie et de Bio-informatique, Faculté des Sciences et de Génie, Université Laval, G1V 0A6, Canada
- Département de Biologie, Faculté des Sciences et de Génie, Université Laval, G1V 0A6, Canada
- PROTEO, Le regroupement québécois de recherche sur la fonction, l’ingénierie et les applications des protéines, Université Laval, G1V 0A6, Canada
- Centre de Recherche sur les Données Massives (CRDM), Université Laval, G1V 0A6, Canada
- Systems Biology Program, Graduate School of Media and Governance, Keio University, Fujisawa, 252-0882, Japan
- Institute for Advanced Biosciences, Keio University, Fujisawa, 252-0882, Japan
| | - Alexandre K Dubé
- Institut de Biologie Intégrative et des Systèmes (IBIS), Université Laval, G1V 0A6, Canada
- Département de Biochimie, de Microbiologie et de Bio-informatique, Faculté des Sciences et de Génie, Université Laval, G1V 0A6, Canada
- Département de Biologie, Faculté des Sciences et de Génie, Université Laval, G1V 0A6, Canada
- PROTEO, Le regroupement québécois de recherche sur la fonction, l’ingénierie et les applications des protéines, Université Laval, G1V 0A6, Canada
- Centre de Recherche sur les Données Massives (CRDM), Université Laval, G1V 0A6, Canada
| | - Gourav Saha
- Institut de Biologie Intégrative et des Systèmes (IBIS), Université Laval, G1V 0A6, Canada
- Département de Biochimie, de Microbiologie et de Bio-informatique, Faculté des Sciences et de Génie, Université Laval, G1V 0A6, Canada
- Département de Biologie, Faculté des Sciences et de Génie, Université Laval, G1V 0A6, Canada
- PROTEO, Le regroupement québécois de recherche sur la fonction, l’ingénierie et les applications des protéines, Université Laval, G1V 0A6, Canada
- Centre de Recherche sur les Données Massives (CRDM), Université Laval, G1V 0A6, Canada
- Department of Biological Sciences, Birla Institute of Technology and Science, Pilani K K Birla Goa campus, Zuarinagar, South Goa, Goa, India
- Current address: Department of Bioengineering, University of California, CA 90095, United States
| | - Samuel Plante
- Institut de Biologie Intégrative et des Systèmes (IBIS), Université Laval, G1V 0A6, Canada
- Département de Biochimie, de Microbiologie et de Bio-informatique, Faculté des Sciences et de Génie, Université Laval, G1V 0A6, Canada
- Département de Biologie, Faculté des Sciences et de Génie, Université Laval, G1V 0A6, Canada
- PROTEO, Le regroupement québécois de recherche sur la fonction, l’ingénierie et les applications des protéines, Université Laval, G1V 0A6, Canada
- Centre de Recherche sur les Données Massives (CRDM), Université Laval, G1V 0A6, Canada
- Current address: Département de Biochimie, Université de Sherbrooke, Québec, J1K 0A5, Canada
| | - David Bradley
- Institut de Biologie Intégrative et des Systèmes (IBIS), Université Laval, G1V 0A6, Canada
- Département de Biochimie, de Microbiologie et de Bio-informatique, Faculté des Sciences et de Génie, Université Laval, G1V 0A6, Canada
- Département de Biologie, Faculté des Sciences et de Génie, Université Laval, G1V 0A6, Canada
- PROTEO, Le regroupement québécois de recherche sur la fonction, l’ingénierie et les applications des protéines, Université Laval, G1V 0A6, Canada
- Centre de Recherche sur les Données Massives (CRDM), Université Laval, G1V 0A6, Canada
| | - Isabelle Gagnon-Arsenault
- Institut de Biologie Intégrative et des Systèmes (IBIS), Université Laval, G1V 0A6, Canada
- Département de Biochimie, de Microbiologie et de Bio-informatique, Faculté des Sciences et de Génie, Université Laval, G1V 0A6, Canada
- Département de Biologie, Faculté des Sciences et de Génie, Université Laval, G1V 0A6, Canada
- PROTEO, Le regroupement québécois de recherche sur la fonction, l’ingénierie et les applications des protéines, Université Laval, G1V 0A6, Canada
- Centre de Recherche sur les Données Massives (CRDM), Université Laval, G1V 0A6, Canada
| | - Christian R Landry
- Institut de Biologie Intégrative et des Systèmes (IBIS), Université Laval, G1V 0A6, Canada
- Département de Biochimie, de Microbiologie et de Bio-informatique, Faculté des Sciences et de Génie, Université Laval, G1V 0A6, Canada
- Département de Biologie, Faculté des Sciences et de Génie, Université Laval, G1V 0A6, Canada
- PROTEO, Le regroupement québécois de recherche sur la fonction, l’ingénierie et les applications des protéines, Université Laval, G1V 0A6, Canada
- Centre de Recherche sur les Données Massives (CRDM), Université Laval, G1V 0A6, Canada
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