Evidence of Selection in the Ectodysplasin Pathway among Endangered Aquatic Mammals

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 via de la ectodisplasina ha sido objeto de la evolucion repetidamente. La variacion genetica en los principales genes de esta via (EDA, EDAR y EDARADD) da como resultado una gran diversidad de efectos pleiotropicos en las estructuras derivadas del ectodermo, incluidos los dientes, el cabello, las glandulas sudoriparas y las glandulas mamarias. Ademas, una via wnt no canonica tiene un papel funcional muy similar, por lo que la variacion en el gen WNT10A tambien tiene importancia evolutiva. La adaptacion de los mamiferos a los entornes acuaticos se ha producido de forma independiente en al menos cuatro ordenes, cuyas especies ocupan un amplio rango geografico (desde regiones ecuatoriales a polares) y presentan una gran variacion fenotipica en las estructuras derivadas del ectodermo, incluyendo la presencia o ausencia de pelaje y estrategias de lactancia muy diferentes. El papel de la via de la ectodisplasina en la adaptacion a entornos acuaticos no se ha explorado nunca en especies de mamiferos. En este estudio, analizamos la variacion genetica en las secuencias codificantes ortologas de los genes EDA, EDAR, EDARADD y WNT10A junto con la variacion fenotipica derivada del ectodermo de 34 especies de mamiferos acuaticos y no acuaticos para evaluar senales de seleccion positiva, coevolucion gen-rasgo y convergencia genetica. Nuestro estudio revela senales de seleccion positiva en regiones de las secuencias codificantes de los genes EDA y EDAR en tres mamiferos acuaticos en peligro de extincion (la foca monje de Hawai, la marsopa lisa y la nutria marina). Estas senales podrian tener implicaciones funcionales potencialmente relacionadas con la adaptacion al entorno acuatico de baja latitud en la foca monje de Hawai y el agua dulce en la marsopa lisa. La senal en la nutria marina es probablemente el resultado de una mayor deriva genetica tras un intenso un cuello de botella y una reduccion de la diversidad genetica. A parte de seleccion positiva, no hemos detectado senales solidas de coevolucion gen-rasgo o cambios convergentes de aminoacidos en la via de la ectodisplasina asociados a rasgos fenotipicos compartidos entre mamiferos acuaticos. Este estudio proporciona nuevas evidencias del papel evolutivo de la via de la ectodisplasina y quiere promover futuras investigaciones con estudios funcionales para acabar de resolver la relacion de esta via con la adaptacion acuatica de los mamiferos.

Automated summary

The study analyzed genetic variation and phenotypic traits in aquatic and non-aquatic mammalian species, revealing strong signals of positive selection in EDA and EDAR genes in some endangered aquatic mammals. However, robust signals of gene-trait coevolution or convergent amino acid shifts in the ectodysplasin pathway associated with shared phenotypic traits among aquatic mammals were not detected.