You are here

    • You are here:
    • Home > The genomic keys to the origin of the vertebrates

The genomic keys to the origin of the vertebrates


Wed, 21/11/2018 - 19:00

The genomic keys to the origin of the vertebrates

Amphioxus specimen with a background of epigenomic marks.  Author: Vincent Moncorgé.
  • An international team of scientists co-led by CRG researcher Manuel Irimia reports how more complex and specialised gene regulation proved to be pivotal in the origin of the vertebrates.
  • The work, published today in Nature, compiles genomic, epigenomic and gene expression data from several organisms and provides unique information about the functional changes that gave rise to greater complexity in the vertebrates, particularly in the nervous system.



The vertebrates, the animal group to which humans belong, are extremely diverse and have colonised virtually all of the planet’s ecosystems. For many years there was some debate as to which changes in our ancestors’ genome could have contributed to the successful evolution of the vertebrates. Now, an international team of scientists co-led by Spanish investigators from the Centre for Genomic Regulation (CRG), the Spanish National Research Council (CSIC), and the National Centre for Scientific Research (CNRS) in France, has just described the processes that ultimately helped to yield the diversity of gene functions and regulation during the transition from invertebrates to vertebrates.

The vertebrates share a unique set of gene regulation systems that allows the information contained in our genome to produce hundreds of specialised cells, tissues and organs.

“We conducted an exhaustive analysis of the genomic regulation of different species, finding two key differences between vertebrates and invertebrates. First of all, we observed that generally speaking our gene regulation is much more complex than that of the invertebrates. The second difference is that we have copies of genes that originally performed only very general functions, but which in the vertebrates went on to specialise in much more specific functions, particularly in the brain”, explains Manuel Irimia, group leader at the Centre for Genomic Regulation and one of the principal investigators of this work.

The scientists studied the genomes of several species of vertebrates, such as the zebrafish or the medaka fish, as well as of the frog, chicken, mouse and the human being. However, in order to understand the origin of the genomic regulation mechanisms that characterise the vertebrates, they needed equivalent data from a closely-related species that would furnish with information about the evolutionary transition between invertebrates and vertebrates. For this purpose, the investigators sequenced the genome of the amphioxus and generated the data required to study its gene regulation. “The amphioxus is an organism that has been used as a research model system since the 19th Century. Its genome has evolved very slowly, without the whole duplications present in the vertebrates. For this reason, the amphioxus can serve as a reference in evolutionary comparisons to understand our lineage”, says Héctor Escriva, one of the leaders of the work and a researcher at the Sorbonne and at the CNRS in Banyuls sur Mer, France.

The work, published today in Nature, not only compares the genomes, but also provides genomic, epigenomic and gene expression data, furnishing unique information about the functional changes that gave rise to higher complexity in the vertebrates. The scientists observed that, while the regulation of the genes that are responsible for the basic anatomy has been maintained between species, the vertebrates incorporated more regulatory regions that enabled them to take on new functions. “Just like studies performed in human beings, our own study gives us an overview of the genome’s different regulatory layers and a detailed description of the vertebrates’ unique genomic regulation characteristics that gave rise to organisms with a much more complex morphology”, states José Luis Gómez-Skarmeta, one of the leaders of the work from the Centro Andaluz de Biología del Desarrollo (CSIC – Universidad Pablo de Olavide).

One of the most important results of this work consists of understanding how the genomic duplications that occurred in the origin of the vertebrates contributed to diversifying gene function. Almost 50 years ago, it was suggested that these duplications were key to our origin, although many of the associated predictions could not be proven until now. “We observed that in most cases, there are copies of genes whose function specialises in specific tissues. This is particularly evident in the brain, which has incorporated new functions that have likely been essential to the vertebrates’ evolutionary success”, adds Ignacio Maeso, a researcher at the same centre, and one of the leading authors of the work.

The work that these Spanish scientists have just published enjoyed the participation of researchers at the Barcelona University in Spain as well as of other research groups in France, the United Kingdom, Australia, the Czech Republic, Holland, Japan, China, Portugal, Italy, Taiwan, Norway and the United States, and constitutes an unprecedented resource for the scientific community that will enable the latter to explore the elements of functional genomics maintained between species in greater depth and to study the changes that have given rise to vertebrate complexity.




Reference: Marletaz et al. Amphioxus functional genomics and the origins of vertebrate gene regulation. Nature (20188) DOI: 10.1038/s41586-018-0734-6

Funding information: The research that yielded these results was made possible by the collaboration and funding of the European Research Council (ERC) in the H2020 Framework Programme of the European Commission (ERC-AdG-LS8-740041, ERC-StG-LS2-637591), the Ministry of Science, Innovation and Universities (BFU2014-58449-JIN, BFU2014-58908P, BFU-2016-80601-P and BIO2015-67358-C2-1-P), Centro de Excelencia Severo Ochoa 2013-2017 (SEV-2012-0208) and Unidad María de Maeztu 2017-2010 (MDM-2016-0687), the Government of Catalonia, the Government of Andalusia, the European Commission’s Marie Skłodowska-Curie actions, the Australian Research Council Discovery Early Career Researcher Award, the support of the Royal Society International Exchanges, the Catalan Institution for Research and Advanced Studies (ICREA), the French National Centre for Scientific Research (CNRS), the French National Research Agency (ANR16-CE12-0008-01) and the University Institute of France (IUF).

Media contact: Laia Cendrós, press officer, Centre for Genomic Regulation (CRG) - Tel. +34 933160237





Desveladas las claves genómicas del origen de los vertebrados

  • Un equipo internacional de científicos liderado por investigadores españoles describen que una regulación de los genes más compleja y especializada fue clave para el origen de los vertebrados.
  • El trabajo, que hoy publica la revista Nature, reúne datos genómicos, epigenómicos y funcionales de varios organismos y aporta información única sobre los cambios funcionales que dieron lugar a una mayor complejidad en los vertebrados, especialmente en el sistema nervioso.

Los vertebrados, el grupo animal al que pertenece la especie humana, son extremadamente diversos y han colonizado la práctica totalidad de ecosistemas del planeta. Durante muchos años, se ha debatido qué cambios en el genoma de nuestros ancestros pudieron haber contribuido al éxito evolutivo de los vertebrados. Ahora, un equipo internacional de científicos coliderado por investigadores españoles del Centro de Regulación Genómica (CRG), el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), y el Centro Nacinal de Investigación Científica (CNRS) en Francia, acaba de describir los procesos que posibilitaron la diversidad de funciones y de regulación de los genes durante la transición de invertebrados a vertebrados. En el estudio también han participado investigadores de la Universidad de Barcelona (UB) y otros grupos de investigación en doce países.

Los vertebrados comparten un conjunto de sistemas de regulación de los genes único, que permite que la información contenida en nuestro genoma dé lugar a multitud de funciones y, en consecuencia, contemos con cientos de células especializadas, tejidos y órganos.

“Hemos hecho un análisis exhaustivo de la regulación genómica de diferentes especies y hemos encontrado dos diferencias clave. En primer lugar, hemos visto que, en general, nuestros genes tienen una regulación mucho más compleja que los invertebrados. La segunda diferencia es que contamos con copias de genes que originariamente realizaban solo funciones muy generales, pero que en los vertebrados se han especializado en funciones mucho más específicas, sobre todo en el cerebro”, explica Manuel Irimia, jefe de grupo en el Centro de Regulación Genómica y uno de los líderes del trabajo.

Los científicos estudiaron los genomas de varias especies de vertebrados como el pez cebra o el pez medaka, así como el de rana, pollo, ratón y humano. Pero, para poder entender el origen de los mecanismos de regulación genómica característicos de los vertebrados, necesitaban compararlo con los datos de alguna especie muy relacionada que informara evolutivamente de la transición entre invertebrados y vertebrados. Para ello, los investigadores secuenciaron el genoma del anfioxo y produjeron los datos necesarios para estudiar la regulación de sus genes. “El anfioxo es un organismo que se utiliza como modelo en investigación desde el siglo XIX. Su genoma ha evolucionado muy lentamente y sin las duplicaciones que tienen los vertebrados. Por esta razón el anfioxo sirve como referencia en comparaciones evolutivas para entender el origen de nuestro linaje”, comenta Héctor Escriva, uno de los líderes del trabajo e investigador de Sorbonne Université y CNRS en Banyuls sur Mer, Francia.

El trabajo, que acaba de publicar la prestigiosa revista Nature, no sólo compara los genomas sino que también reúne datos epigenómicos y de expresión génica aportando información única sobre los cambios funcionales que dieron lugar a una mayor complejidad en los vertebrados. Los científicos han observado que, aunque la regulación de los genes responsables de la anatomía básica están muy conservados entre especies, los vertebrados incorporaron más regiones reguladoras que les permitieron adquirir nuevas funciones.  “De modo similar a estudios realizados en humanos, nuestro estudio nos da una visión global de las diferentes capas reguladoras del genoma y describe con detalle el origen de las características únicas de la regulación genómica de los vertebrados, que dieron lugar a organismos con una morfología mucho más compleja”, afirma José Luis Gómez-Skarmeta, uno de los líderes del trabajo del Centro Andaluz de Biología del Desarrollo (CSIC – Universidad Pablo de Olavide).

Uno de los resultados más importantes del trabajo es entender cómo las duplicaciones genómicas que ocurrieron en el origen de vertebrados contribuyeron a diversificar las funciones de los genes. Hace casi 50 años que se propuso que estas duplicaciones fueron claves para nuestro origen, pero hasta ahora muchas de esas predicciones no se habían podido probar. “Hemos visto que, en la mayoría de los casos, hay copias de genes que especializan su función en tejidos concretos. Esto es particularmente evidente en el cerebro, donde se han incorporado nuevas funciones que han resultado esenciales para el éxito evolutivo de los vertebrados”, añade Ignacio Maeso, investigador en el mismo centro y uno de los primeros autores del trabajo.

El trabajo que estos científicos españoles acaban de publicar ha contado con la participación de laboratorios en Francia, Reino Unido, Australia, la República Checa, Holanda, Japón, China, Portugal, Italia, Taiwán, Noruega y Estados Unidos y representa un recurso sin precedentes para la comunidad científica que servirá tanto para profundizar en los elementos de genómica funcional conservados entre especies como para estudiar los cambios que han dado lugar a la complejidad de los vertebrados.


Referencia: Marletaz et al. Amphioxus functional genomics and the origins of vertebrate gene regulation. Nature (20188) DOI: 10.1038/s41586-018-0734-6

Información sobre financiación: La investigación que ha dado lugar a estos resultados ha sido posible gracias a la colaboración y financiación del Consejo Europeo de Investigación (ERC) en el programa marco H2020 de la Comisión Europea (ERC-AdG-LS8-740041, ERC-StG-LS2-637591), el Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades (BFU2014-58449-JIN, BFU2014-58908P, BFU-2016-80601-P y BIO2015-67358-C2-1-P), Centro de Excelencia Severo Ochoa 2013-2017 (SEV-2012-0208) y Unidad María de Maeztu 2017-2010 (MDM-2016-0687), la Generalitat de Cataluña, el Gobierno de Andalucía, el programa Marie Curie de la Comisión Europea, el Australian Research Council Discovery Early Career Researcher Award, la ayuda de la Royal Society International Exchanges,  la Institució Catalana de Recerca i Estudis Avançats (ICREA), el Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), la Agence Nationale de Recherche (ANR16-CE12-0008-01), y el Institut Universitaire de France.


Contacto para medios: Laia Cendrós, oficina de prensa, Centro de Regulación Genómica (CRG) – Tel. +34 933160237.





Desvelades les claus genòmiques de l’origen dels vertebrats

  • Un equip internacional de científics liderat per investigadors espanyols descriuen que una regulació dels gens més complexa i especialitzada va ser clau per a l'origen dels vertebrats.
  • El treball, que acaba de publicar la revista Nature, reuneix dades genòmiques, epigenòmiques i funcionals de diversos organismes, i aporta informació única sobre els canvis que van donar lloc a una major complexitat en els vertebrats, especialment en el sistema nerviós.

Els vertebrats, el grup animal al qual pertany l'espècie humana, són extremadament diversos i pràcticament han colonitzat tots els ecosistemes del planeta. Durant molts anys, s'ha debatut quins canvis en el genoma dels nostres ancestres van poder haver contribuït a l'èxit evolutiu dels vertebrats. Ara, un equip internacional de científics co-liderat per investigadors espanyols del Centre de Regulació Genòmica (CRG), el Consell Superior d'Investigacions Científiques (CSIC), i el Centre Nacional d'Investigació Científica (CNRS) a França, acaba de descriure els processos que van possibilitar la diversitat de funcions i de regulació dels gens durant la transició d'invertebrats a vertebrats. En l’estudi també hi han participat investigadors de la Universitat de Barcelona (UB) i altres grups de recerca en dotze països més.

Els vertebrats comparteixen un conjunt de sistemes de regulació dels gens únic, que permet que la informació continguda en el nostre genoma doni lloc a multitud de funcions i, en conseqüència, comptem amb centenars de cèl·lules especialitzades, teixits i òrgans.

"Hem fet una anàlisi exhaustiva de la regulació genòmica de diferents espècies i hem trobat dues diferències clau. En primer lloc, hem vist que, en general, els nostres gens tenen una regulació molt més complexa que els invertebrats. La segona diferència és que comptem amb còpies de gens que originàriament realitzaven només funcions molt generals, però que en els vertebrats s'han especialitzat en funcions molt més específiques, sobretot en el cervell", explica Manuel Irimia, cap de grup al Centre de Regulació Genòmica i un dels líders d’aquest estudi.

Els científics van estudiar els genomes de diverses espècies de vertebrats com el peix zebra o el peix medaka, així com els de granota, pollastre, ratolí i humà. Però, per a poder entendre l'origen dels mecanismes de regulació genòmica característics dels vertebrats, necessitaven comparar-los amb les dades d'alguna espècie molt relacionada que informés evolutivament de la transició entre invertebrats i vertebrats. Per això, els investigadors van seqüenciar el genoma de l'amfiox i van produir les dades necessàries per a estudiar la regulació dels seus gens. "L’amfiox és un organisme que s'utilitza com a model en recerca des del segle XIX. El seu genoma ha evolucionat molt lentament i sense les duplicacions que tenen els vertebrats. És per això que l'amfiox serveix com a referència en comparacions evolutives per entendre l'origen del nostre llinatge", comenta Héctor Escriva, un dels líders del treball i investigador de Sorbonne Université i CNRS a Banyuls sur Mer, França.

El treball, que acaba de publicar la prestigiosa revista Nature, no només compara els genomes sinó que també reuneix dades epigenòmiques i d'expressió gènica aportant informació única sobre els canvis funcionals que van donar lloc a una major complexitat en els vertebrats. Els científics han observat que, tot i que la regulació dels gens responsables de l'anatomia bàsica estan molt conservats entre espècies, els vertebrats van incorporar més regions reguladores que els van permetre adquirir noves funcions. "De manera similar a estudis realitzats en humans, el nostre estudi ens dóna una visió global de les diferents capes reguladores del genoma i descriu amb detall l'origen de les característiques úniques de la regulació genòmica dels vertebrats, que van donar lloc a organismes amb una morfologia molt més complexa ", afirma José Luis Gómez-Skarmeta, un dels líders de l’estudi del Centre Andalús de Biologia del Desenvolupament (CSIC - Universitat Pablo de Olavide).

Un dels resultats més importants del treball és entendre com les duplicacions genòmiques que van ocórrer en l'origen de vertebrats van contribuir a diversificar les funcions dels gens. Fa gairebé 50 anys que es va proposar que aquestes duplicacions van ser claus per al nostre origen, però fins ara moltes d'aquestes prediccions no s'havien pogut provar. "Hem vist que, en la majoria dels casos, hi ha còpies de gens que s'especialitzen la seva funció en teixits concrets. Això és particularment evident en el cervell, on s'han incorporat noves funcions que han resultat essencials per a l'èxit evolutiu dels vertebrats", afegeix Ignasi Maeso, investigador al mateix centre i un dels primers autors del treball.

El treball que aquests científics espanyols acaben de publicar ha comptat amb la participació de laboratoris a França, Regne Unit, Austràlia, la República Txeca, Holanda, Japó, Xina, Portugal, Itàlia, Taiwan, Noruega i els Estats Units i representa un recurs sense precedents per a la comunitat científica que servirà tant per aprofundir en els elements de genòmica funcional conservats entre espècies com per estudiar els canvis que han donat lloc a la complexitat dels vertebrats.


Referència: Marletaz et al. Amphioxus functional genomics and the origins of vertebrate gene regulation. Nature (20188) DOI: 10.1038/s41586-018-0734-6

Informació sobre finançament: La recerca que ha donat lloc a aquests resultats ha estat possible gràcies a la col·laboració i finançament del Consell Europeu de Recerca (ERC) en el programa marc H2020 de la Comissió Europea (ERC-AdG-LS8-740041, ERC-StG-LS2-637591), el Ministeri de Ciència, Innovació i Universitats (BFU2014-58449-JIN, BFU2014-58908P, BFU-2016-80601-P y BIO2015-67358-C2-1-P), Centre d’Excel·lència Severo Ochoa 2013-2017 (SEV-2012-0208) i Unitat María de Maeztu 2017-2010 (MDM-2016-0687), la Generalitat de Catalunya, el Govern d’Andalucía, el programa Marie Curie de la Comissió Europea, l’Australian Research Council Discovery Early Career Researcher Award, l’ajut de la Royal Society International Exchanges,  la Institució Catalana de Recerca i Estudis Avançats (ICREA), el Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), l’Agence Nationale de Recherche (ANR16-CE12-0008-01), i l’Institut Universitaire de France.

Contacte per a mitjans: Laia Cendrós, oficina de premsa, Centre de Regulació Genòmica (CRG) – Tel. +34 933160237.