The Complete Mitochondrial Genomes of Patellogastropoda (Gastropoda: Mollusca) and its Phylogenetic Implication

Abstract

Patellogastropoda is one of the most primitive groups of the class Gastropoda, and abundantly found in the intertidal rocky shore of marine environments worldwide. Despite their species abundance and global distribution, classification systems and phylogenetic relationships among their family members inferred from morphology and molecular analysis still remain uncertain. To infer phylogenetic relationships among the patellogastropod families, I performed phylogenetic analysis based on nucleotide and amino acid sequences of 13 protein-coding genes for 36 complete mitochondrial genome sequences (including 16 complete mitochondrial genome sequences newly sequenced, 11 from the GenBank, and 9 non-patellogastropod genome sequences). The mitochondrial genome of Patellogastropoda contains 13 protein-coding genes, two ribosomal RNA genes and 22 transfer RNA genes (37 genes in total) with length range from 15,000 bp (Scutellastra optima) to 21,104 bp (Tectura virginea). They shows a very strong A+T bias, ranging from 55% (Tectura virginea) to 69.9% (Eoacmaea chamorrorum) which correlated to codon usage bias as the codons TCT and TTA are the most frequently used in protein-coding genes from all patellogastropod species. The putative tRNA secondary structure from mitochondrial genome of Patellogastropoda have a typical clover-leaf secondary structure with some variation in their secondary structure that lack a dihydrouridine (DHU) arm. The mitochondrial genome information (nucleotide composition, codon usage of protein-coding genes, the secondary structures of tRNAs, and gene arrangement) of the Patellogastropoda species are compared and discussed in this study. Phylogenetic trees for both nucleotide (NT) and amino acid (AA) sequence datasets using Maximum likelihood and Bayesian methods agreed that the Patellogastropoda species were subdivided into two clades with high branch supporting values: Clades I comprise Nacellidae, Pectinodontidae, Erginiidae, Acmaeidae, Lepetidae, and Patellidae, whereas Clades II contains Lottiidae and Eoacmaeidae. Topological discrepancy between the two datasets (NT; ((Nacellidae), (Pectinodontidae), (Erginiidae, Acmaeidae), Neolepetopsidae) Lepetidae) and AA; ((Nacellidae), (Pectinodontidae), (Neolepetopsidae, Erginiidae, Acmaeidae), (Lepetidae))) was found within Clade I, in which NT and AA datasets supported different inter-relationships among family members. Comparison of gene arrangement of the complete mitochondrial genomes of the Patellogastropoda species is discussed in the light of phylogenetic relationships among their major groups.;삿갓조개아강 (Patellogastropoda)는 연체동물문, 복족강에 속하는 가장 원시적인 분류군의 하나로 전세계적인 분포를 나타내며 주로 조간대 암반지역에서 발견되지만 종에 따라서는 심해 열수구(hydrothermal vent) 주변이나 냉수지역(cold seep)에서도 발견된다. 이 같은 삿갓조개아강에 속하는 종들의 서식처 및 종다양성에도 불구하고, 패각의 외부 형태적 특징에 있어 종내 변이가 매우 높을 뿐만 아니라 삿갓조개아강을 구성하고 있는 하위 분류군의 계통을 규명하는 데 이용될 수 있는 형태형질의 부재로 인하여 형태형질 및 분자 정보 분석을 통한 기존의 연구로부터 추론된 과(family) 준위를 포함한 하위 분류군 사이에서의 분류체계 및 계통학적 유연관계는 여전히 불분명한 상태에 있다. 본 연구에서는 삿갓조개류의 과(family) 내에서 이들의 계통학적 유연관계를 추론하기 위해, 삿갓조개아강을 구성하고 있는 9개 과로부터 16종의 미토콘드리아 유전체 정보를 새롭게 밝히고 NCBI GenBank에 등록되어 있는 다른 복족류 20종(9종의 삿갓조개류, 11종의 기타 복족류)을 포함하여 총 36종의 복족류 미토콘드리아 유전체 염기서열 정보를 이용하여 계통학적 분석을 수행하였다. 삿갓조개아강에 속하는 종들의 미토콘드리아 유전체는 13개의 단백질 암호화 유전자, 2개의 rRNA 유전자와 22개의 transfer RNA (tRNA) 유전자(전체 37개 유전자)로 구성되어 있으며 전체 길이는 15,000 (Scutellastra optima)부터 21,104 (Tectura virginea)의 염기쌍으로 이루어져 있다. 단백질 암호화 유전자의 염기서열 중, AT contents는 55% (Tectura virginea)에서 69.9% (Eoacmaea chamorrorum)로 다란 차이를 나타냈으며, 아미노산을 암호화하는 codon들 중에서 TCT와 TTA codon의 빈도가 가장 높게 나타났다. 삿갓조개류 미토콘드리아 유전체의 tRNA 2차 구조는 연체동물을 포함한 일반적인 다른 후생동물 분류군의 tRNA 유전자에서 나타나는 전형적인 clover-leaf 모양을 가지고 있으나, trnS1과 trnS2 유전자는 dihydrouridine (DHU) arm이 결여된 구조를 가지고 있다. 본 연구에서는 삿갓조개 종들의 미토콘드리아 유전체 정보 (염기서열 조성, codon usage, tRNA 유전자의 2차 구조, 유전자 배열 등)를 계통학적으로 비교, 논의하였다. 삿갓조개아강을 구성하고 있는 9개 과(family) 및 하위 분류군 사이의 계통 유연관계를 추론하기 위하여 총 36종의 복족류 미토콘드리아 유전체 염기서열 정보(27종의 삿갓조개, 9종의 기타 복족류)를 이용하여 계통학적 분석을 수행하였다. Nucleotide (NT)와 amino acid dataset (AA)에 대하여, maximum likelihood와 Bayesian inference 방법으로 분자 계통 분석을 수행한 결과, 삿갓조개아강에 속하는 종들은 단계통군으로 확인되었고 이는 높은 branch supporting value를 보이며 두 개의 clade로 분리되었다. Clade I에는 Nacellidae, Pectinodontidae, Erginiidae, Acmaeidae, Lepetidae, Patellidae, Neolepetopsidae 7개 과(family)가 포함되었으며, Clade II에는 Lottiidae, Eoacmaeidae 2개 과(family)가 포함되었다. Clade I 내에서 nucleotide와 amino acid dataset 사이에 다른 tree topology가 나타났으며, 각 과(family) 사이의 유연관계에 있어 두 dataset 사이에 다소 상이한 결과가 도출되었다[NT dataset; ((Nacellidae), (Pectinodontidae), (Erginiidae, Acmaeidae), Neolepetopsidae), Lepetidae)와 AA dataset; ((Nacellidae), (Pectinodontidae), (Neolepetopsidae, Erginiidae, Acmaeidae), (Lepetidae))]. 또한 계통수에서 나타난 분류군별 branch length를 비교하였을 때, 분석에 포함된 다른 종들에 비해 Clade II를 구성하고 있는 Lottiidae, Eoacmaeidae에 속하는 종들에서 빠른 유전자 분화로 인하여 긴 가지(long branch)가 나타났으며, 미토콘드리아 유전체를 구성하고 있는 37개 유전자들의 gene order 비교에서도 이들은 Clade I에 속하는 삿갓조개 종들을 포함, 다른 복족류 종들과 매우 상이한 gene arrangement를 나타냄으로써 Lottiidae, Eoacmaeidae에 속하는 종들에서 미토콘드리아 유전체의 진화가 빠르게 진행되었음을 추정할 수 있었다.