The Indonesian coelacanth transcriptome sheds light on tetrapod evolution

Latimeria menadoensis is one of the two extant species of coelacanth, lobe-finned fish representing the link between teleosts and tetrapods. Thanks to the slow evolutionary rate of Latimeria genome, it provides a snapshot of the molecular past of the earliest Sarcopterygian forms, the lineage to which tetrapods belong. This thesis presents six peer-reviewed papers concerning the coelacanth as the whole genome sequencing project of Latimeria chalumnae (the African congener of L. menadoensis) and the reconstruction of liver and testis transcriptome of the Indonesian coelacanth. The transcriptome project of L. menadoensis revealed to be of pivotal importance for the annotation of the African species genome taking part to a broad international effort and made use of the most modern sequencing techniques. Four aspects were focused thanks to the transcriptome: - The regulatory network leading to sex determination and sex differentiation. In order to provide evolutionary insight in the ancestral network, molecular and evolutionary characterization of 33 genes and transcripts in Latimeria was performed. - Vitellogenin genes characterization in Latimeria and their phylogenetic analyses to accomplish a better understanding of the evolutionary history of this gene family. - The purine catabolism pathway that underwent a progressive shortening during the evolution of land vertebrates. In order to evaluate possible pre-adaptations to terrestrialization in Latimeria, the sequences of the genes involved have been phylogenetically and microsyntenically analyzed. - The analysis of transcriptional activity of transposable elements that allowed to record an unexpected molecular dynamicity and the questioning of the slow evolutionary genome theorized for the coelacanths. Overall the transcriptome of the Indonesian coelacanth sheds light on many aspects of this extraordinary creature, allows new insights on the pre-adaptation events heading in the water-toland transition, and more important has proved (and still proves) to be a powerful tool to understand the evolution of Sarcopterygians.

Latimeria menadoensis è una delle due specie esistenti di celacanto, pesci a pinne lobate che rappresentano l’anello mancante tra teleostei e tetrapodi. Grazie al lentissimo tasso evolutivo del suo genoma, questo organismo fornisce un'istantanea del passato molecolare delle prime forme di Sarcopterygii, la linea a cui appartengono anche i tetrapodi. Questa tesi presenta sei articoli riguardanti il celacanto, compresi il progetto di sequenziamento del genoma di Latimeria chalumnae (congenere africano di L. menadoensis) e la ricostruzione del trascrittoma del celacanto indonesiano. Il trascrittoma di L. menadoensis si è rivelato di importanza fondamentale per l'annotazione del genoma della specie africana contribuendo ad un vasto progetto internazionale che ha fatto uso delle più moderne tecniche di sequenziamento. Quattro aspetti sono stati approfonditi grazie al trascrittoma: - La rete di interazioni geniche e molecolari che porta alla determinazione e differenziazione sessuale. Al fine di fornire nuove prospettive evolutive su questa rete ancestrale, si è eseguita la caratterizzazione molecolare ed evolutiva di 33 geni e trascritti in Latimeria. - La caratterizzazione dei geni del cluster delle vitellogenine in Latimeria e le loro relazioni filogenetiche allo scopo di migliorare la comprensione della storia evolutiva di questa famiglia genica. - Il pathway del catabolismo delle purine che ha subito una riduzione progressiva durante l'evoluzione dei vertebrati terrestri. Questo studio ha permesso di valutare eventuali preadattamenti alla vita terrestre già presenti in Latimeria. Le sequenze dei geni coinvolti sono state analizzate dal punto di vista filogenetico e della micro-sintenia. - L'analisi dell’attività trascrizionale degli elementi trasponibili, che ha permesso di registrare una dinamicità molecolare inaspettata, mettendo in discussione il paradigma di genoma a lenta evoluzione teorizzato per i celacanti. Nel complesso il trascrittoma del celacanto indonesiano ha fatto luce su molti aspetti di questa straordinaria creatura, ha permesso di comprendere alcuni fra gli eventi di pre-adattamento alla transizione acqua-terra e, più importante, si è dimostrato (e si dimostra tuttora) un potente strumento per capire l'evoluzione dei Sarcopterygii.