Evidence of Selection in the Ectodysplasin Pathway among Endangered Aquatic Mammals

Abstract

Abstract Synopsis The ectodysplasin pathway has been a target of evolution repeatedly. Genetic variation in the key genes of this pathway (EDA, EDAR, and EDARADD) results in a rich source of pleiotropic effects across ectodermally-derived structures, including teeth, hair, sweat glands, and mammary glands. In addition, a non-canonical Wnt pathway has a very similar functional role, making variation in the WNT10A gene also of evolutionary significance. The adaptation of mammals to aquatic environments has occurred independently in at least 4 orders, whose species occupy a wide geographic range (from equatorial to polar regions) and exhibit great phenotypic variation in ectodermally-derived structures, including the presence or absence of fur and extreme lactational strategies. The role of the ectodysplasin pathway in the adaptation to aquatic environments has been never explored in mammalian species. In the present study, we analyze the genetic variation in orthologous coding sequences from EDA, EDAR, EDARADD, and WNT10A genes together with ectodermally-derived phenotypic variation from 34 aquatic and non-aquatic mammalian species to assess signals of positive selection, gene-trait coevolution, and genetic convergence. Our study reveals strong evidence of positive selection in a proportion of coding sites in EDA and EDAR genes in 3 endangered aquatic mammals (the Hawaiian monk seal, the Yangtze finless porpoise, and the sea otter). We hypothesize functional implications potentially related to the adaptation to the low-latitude aquatic environment in the Hawaiian monk seal and the freshwater in the Yangtze finless porpoise. The signal in the sea otter is likely the result of an increased genetic drift after an intense bottleneck and reduction of genetic diversity. Besides positive selection, we have not detected robust signals of gene-trait coevolution or convergent amino acid shifts in the ectodysplasin pathway associated with shared phenotypic traits among aquatic mammals. This study provides new evidence of the evolutionary role of the ectodysplasin pathway and encourages further investigation, including functional studies, to fully resolve its relationship with mammalian aquatic adaptation. Spanish La vía de la ectodisplasina ha sido objeto de la evolución repetidamente. La variación genética en los principales genes de esta vía (EDA, EDAR y EDARADD) da como resultado una gran diversidad de efectos pleiotrópicos en las estructuras derivadas del ectodermo, incluidos los dientes, el cabello, las glándulas sudoríparas y las glándulas mamarias. Además, una vía wnt no canónica tiene un papel funcional muy similar, por lo que la variación en el gen WNT10A también tiene importancia evolutiva. La adaptación de los mamíferos a los entornes acuáticos se ha producido de forma independiente en al menos cuatro órdenes, cuyas especies ocupan un amplio rango geográfico (desde regiones ecuatoriales a polares) y presentan una gran variación fenotípica en las estructuras derivadas del ectodermo, incluyendo la presencia o ausencia de pelaje y estrategias de lactancia muy diferentes. El papel de la vía de la ectodisplasina en la adaptación a entornos acuáticos no se ha explorado nunca en especies de mamíferos. En este estudio, analizamos la variación genética en las secuencias codificantes ortólogas de los genes EDA, EDAR, EDARADD y WNT10A junto con la variación fenotípica derivada del ectodermo de 34 especies de mamíferos acuáticos y no acuáticos para evaluar señales de selección positiva, coevolución gen-rasgo y convergencia genética. Nuestro estudio revela señales de selección positiva en regiones de las secuencias codificantes de los genes EDA y EDAR en tres mamíferos acuáticos en peligro de extinción (la foca monje de Hawái, la marsopa lisa y la nutria marina). Estas señales podrían tener implicaciones funcionales potencialmente relacionadas con la adaptación al entorno acuático de baja latitud en la foca monje de Hawái y el agua dulce en la marsopa lisa. La señal en la nutria marina es probablemente el resultado de una mayor deriva genética tras un intenso un cuello de botella y una reducción de la diversidad genética. A parte de selección positiva, no hemos detectado señales sólidas de coevolución gen-rasgo o cambios convergentes de aminoácidos en la vía de la ectodisplasina asociados a rasgos fenotípicos compartidos entre mamíferos acuáticos. Este estudio proporciona nuevas evidencias del papel evolutivo de la vía de la ectodisplasina y quiere promover futuras investigaciones con estudios funcionales para acabar de resolver la relación de esta vía con la adaptación acuática de los mamíferos.