On the role of chromosomal rearrangements in evolution: Reconstruction of genome reshuffling in rodents and analysis of Robertsonian fusions in a house mouse chromosomal polymorphism zone

Abstract

Per tal de poder entendre la dinàmica evolutiva dels genomes de mamífers és necessari estudiar l’estructura dels cromosomes i quins han estat els canvis que s’han donat tant a gran escala (en forma de reorganitzacions cromosòmiques) com a petita escala (en forma de mutacions d’un sol nucleòtid). Les reorganitzacions cromosòmiques han jugat un paper crucial en el procés evolutiu ja que els canvis a què han donat lloc (inversions, translocacions, fusions o fissions) han provocat canvis genòmics amb conseqüències per a la diferenciació de les espècies. Dins dels mamífers, a més, els rosegadors són el grup que presenta més diversitat d’espècies amb un ampli espectre de cariotips. En aquesta tesi, hem estudiat les reorganitzacions cromosòmiques al llarg de l’evolució dels rosegadors així com els factors que han condicionat la distribució genòmica de les reorganitzacions. Gràcies a la creixent disponibilitat de genomes seqüenciats, hem pogut comparar els genomes de sis espècies de rosegadors (incloent com a referència el del ratolí) i de sis outgrups corresponents a diferents taxons de mamífers (Primats, Carnivora, Artiodactyla i Perissodactyla). Hem identificat les regions d’homologia (o Homologous Synteny Blocks; HSBs) i les regions de disrupció de l’homologia (o Evolutionary Breakpoint Regions; EBRs) que s’han donat al llarg de l’evolució dels rosegadors. La localització de les EBRs ens ha permès, estudiar les característiques genòmiques de les regions d’inestabilitat que han donat lloc a les reorganitzacions cromosòmiques en el genoma de ratolí i que s’han donat al llarg de l’evolució dels rosegadors. Els nostres resultats mostren que les EBRs presenten una distribució no-homogènea i es caracteritzen per presentar un alt contingut gènic, taxes de recombinació meiòtica més baixes i una proporció més baixa de lamina associated domains (cLADs), comparant amb la resta del genoma de ratolí. D’altra banda, està descrita la tendència de poblacions naturals de ratolí domèstic occidental (Mus musculus domesticus) a presentar una gran diversitat de nombres diploides a causa de l’aparició de fusions Robertsonianes (Rb). De totes les poblacions estudiades fins al moment, n’hi ha una, localitzada a les províncies de Barcelona, Lleida i Girona, que presenta una estructura diferent a la resta ja que no existeix en ella una raça metacèntrica i les fusions Rb detectades es troben en un estat de polimorfisme: aquesta zona es coneix amb el nom de sistema Robertsonià de Barcelona. En segon lloc, donades les característiques úniques d’aquest sistema Robertsonià hem analitzat: (i) el paper que podien jugar els telòmers en l’aparició de les fusions Rb i (ii) l’efecte d’aquestes fusions i del gen Prdm9 sobre la recombinació meiòtica. En el nostre treball hem detectat que l’escurçament telomèric dels braços p dels cromosomes acrocèntrics podria ser un dels factors que explicarien l’aparició de les fusions Rb ja que afavoririen la seva interacció i la posterior fusió. Em vist que la presència de les fusions Rb provoca una baixada en la taxa de recombinació que es deu a una redistribució dels crossovers (o punts de recombinació homòloga) cap al telòmers en els cromosomes fusionats. Aquest fenomen es deu a un efecte d’interferència del centròmer que suprimeix la recombinació a la zona pericentromèrica. També hem analitzat la distribució allèlica del gen Prdm9 en el sistema Robertsonià de Barcelona, així com un possible efecte de la seqüència d’aquest gen sobre la taxa de recombinació. Donats els nostres resultats, proposem que l’efecte de supressió de la recombinació en els individus amb fusions Rb és a causa d’un factor mecànic (com es l’efecte d’interferència centromèrica) i d’un factor genètic (com es la seqüència al·lèlica de Prdm9). Aquests resultats aporten una informació esencial per entendre la dinàmica dels processos d’especiació cromosòmica en poblacions naturals.

In order to understand the evolutionary dynamics of mammalian genomes, is necessary to analyze chromosome configuration as well as the genomic changes that have occurred at a large-scale (in the form of chromosomal rearrangements) and at a micro-scale (in the form of nucleotide changes) within species. Chromosomal rearrangements (i.e., inversions, translocations, fusions or fissions) have played a crucial role during evolution as they have led to genomic changes with consequences for the species differentiation. Within mammals, rodents represent the most specious taxon with a wide spectrum of karyotypes. In this thesis, we have first analyzed the chromosomal reorganizations along rodents evolution together with the factors that have been involved in the distribution of chromosomal rearrangements. Taking advantage of the increasing number of available whole-genomes sequenced, we have compared the genomes of six rodent species (including the mouse genome as a reference) and six outgroup species corresponding to different mammalian taxa (Primates, Artiodactyla, Carnivora and Perissodactyla). We have identified genomic regions of homology (or homologous synteny blocks, HSBs) and the regions of synteny disruption (or Evolutionary Breakpoint regions, EBRs) among rodents. Moreover, the localization of EBRs has permitted us to analyze the genomic features that could be involved in the origin of chromosomal rearrangements. Our results showed that EBRs present a non-homogeneus distribution across the mouse genome. Additionally, EBRs are characterized by specific genomic features such as higher gene content, lower recombination rates and low proportion of lamina associated domains (cLADs) compared with the rest of the mouse genome. Secondly, it is known that the western house mouse (Mus musculus domesticus) natural populations present a wide variety of diploid numbers due to the presence of Robertsonian (Rb) fusions. Within all these populations analyzed, one of them, localized in the Barcelona, Lleida and Girona provinces, presents a specific structure, where no metacentric race has been described, being the Rb fusions found in a polymorphic state. This chromosomal polymorphism zone is known as The Barcelona Rb system. Giving the specific characteristics of this population, we have: (i) analyzed the role of telomeres in the occurrence of the Rb fusions and (ii) studied the effect of the Rb fusions and Prdm9 gene on meiotic recombination. We have detected that telomere shortening in acrocentric p-arms can be one of the factors that could explain the occurrence of Rb fusions by promoting the interaction between chromosomal ends and thus, to the fusion events. Moreover, we have observed that the presence of Rb fusions leads to a decrease in recombination rates due to a re-distribution of crossovers towards the telomeres in metacentric chromosomes. Furthermore, we have detected that this phenomenon is due to an interference effect of the centromere in metacentric chromosomes, which acts suppressing recombination within the pericentromeric regions. Additionally, we have also characterized the Prdm9 allelic distribution within the Barcelona Rb polymorphism system, as well as an effect of the Prdm9 sequence on recombination rates. Therefore, and in the light of our results, we propose that the effect of suppression of recombination on individuals with Rb fusions is due to a mechanicstic (by the centromeric interference effect) and genetic (the Prdm9 allelic sequence) factors. These results, together with the characterization of the genomic features that have been involved in the occurrence of evolutionary chromosomal rearrangements in rodents, would help us to understand the dynamics of chromosomal speciation along evolution and how chromosomal rearrangements occur in natural populations.