Global Patterns of Protein Domain Gain and Loss in Superkingdoms
저자
Nasir, Arshan ; Kim, Kyung Mo ; Caetano-Anollé ; s, Gustavo
발행기관
학술지명
권호사항
발행연도
2014
작성언어
-자료형태
학술저널
수록면
e1003452
제공처
<▼1><P>Domains are modules within proteins that can fold and function independently and are evolutionarily conserved. Here we compared the usage and distribution of protein domain families in the free-living proteomes of Archaea, Bacteria and Eukarya and reconstructed species phylogenies while tracing the history of domain emergence and loss in proteomes. We show that both gains and losses of domains occurred frequently during proteome evolution. The rate of domain discovery increased approximately linearly in evolutionary time. Remarkably, gains generally outnumbered losses and the gain-to-loss ratios were much higher in akaryotes compared to eukaryotes. Functional annotations of domain families revealed that both Archaea and Bacteria gained and lost metabolic capabilities during the course of evolution while Eukarya acquired a number of diverse molecular functions including those involved in extracellular processes, immunological mechanisms, and cell regulation. Results also highlighted significant contemporary sharing of informational enzymes between Archaea and Eukarya and metabolic enzymes between Bacteria and Eukarya. Finally, the analysis provided useful insights into the evolution of species. The archaeal superkingdom appeared first in evolution by gradual loss of ancestral domains, bacterial lineages were the first to gain superkingdom-specific domains, and eukaryotes (likely) originated when an expanding proto-eukaryotic stem lineage gained organelles through endosymbiosis of already diversified bacterial lineages. The evolutionary dynamics of domain families in proteomes and the increasing number of domain gains is predicted to redefine the persistence strategies of organisms in superkingdoms, influence the make up of molecular functions, and enhance organismal complexity by the generation of new domain architectures. This dynamics highlights ongoing secondary evolutionary adaptations in akaryotic microbes, especially Archaea.</P></▼1><▼2><P><B>Author Summary</B></P><P>Proteins are made up of well-packed structural units referred to as domains. Domain structure in proteins is responsible for protein function and is evolutionarily conserved. Here we report global patterns of protein domain gain and loss in the three superkingdoms of life. We reconstructed phylogenetic trees using domain fold families as phylogenetic characters and retraced the history of character changes along the many branches of the tree of life. Results revealed that both domain gains and losses were frequent events in the evolution of cells. However, domain gains generally overshadowed the number of losses. This trend was consistent in the three superkingdoms. However, the rate of domain discovery was highest in akaryotic microbes. Domain gains occurred throughout the evolutionary timeline albeit at a non-uniform rate. Our study sheds light into the evolutionary history of living organisms and highlights important ongoing mechanisms that are responsible for secondary evolutionary adaptations in the three superkingdoms of life.</P></▼2>
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