Functional analysis of position effects of inversion 2j in Drosophila buzzatii: gene CG13617 silencing and its adpative significance

Abstract

És sabut de fa molt temps que les inversions cromosòmiques son mantenides per selecció natural a les poblacions de Drosophila. No obstant, els mecanismes moleculars que generen aquest valor adaptatiu encara no es coneixen. A les poblacions naturals de D. buzzatii, la inversió 2j forma un polimorfisme equilibrat amb l’ordenació 2st, en què els individus 2j tenen una mida més gran y un temps de desenvolupament més llarg en comparació amb els 2st. En aquest treball hem posat a provat la hipòtesi de que un efecte de posició d’un dels punts de trencament podria ser la causa d’aquests canvis fenotípics. Per a fer-ho hem analitzat l’expressió d’un gen adjacent al punt de trencament proximal, CG13617, en línies de D. buzzatii amb i sense la inversió 2j. Hem trobat que els embrions 2j presenten un nivell d’expressió de CG13617 cinc vegades menor causat per un RNA antisense originat en una còpia d’un transposó de la família Galileo inserit al punt de trencament. Les conseqüències funcionals de la reducció de l’expressió de CG13617 s’han investigat utilitzant la tècnica de RNA interferència per reproduir aquest silenciament a D. melanogaster. Els experiments de microarrays i RT-PCR en temps real comparant larves de primer estadi amb i sense expressió de CG13617 han revelat que 41 gens mostren nivells d’expressió reduïts quan CG13617 és silenciat, mentre que cap gen presenta un increment. A més, hi ha un excés significatiu de gens implicats en la replicació del DNA i el cicle celular entre els afectats pel silenciament de CG13617. Nou de deu d’aquests gens van ser analitzats a D. buzzatii i també tenen un nivell d’expressió reduït en embrions 2j, però no en larves de primer estadi, una fase en què la diferència d’expressió de CG13617 entre ordenacions cromosòmiques és menor i el RNA antisense ja no es transcriu. Per a esbrinar la possible funció d’aquest gen hem dut a terme un exhaustiu anàlisi de seqüències nucleotídiques i proteiques en els 12 genomes de Drosophila disponibles i també en altres organismes. La proteïna CG13617 conté un dit de zinc tipus C2H2 molt conservat, tres regions que poden formar coiled coils, dues seqüències PEST i senyals de localització i exportació nuclear. També presenta similitud amb la proteïna humana DZIP1 i amb Iguana, un component de la via de senyalització Hedgehog al peix zebra, fet que indica que el seu paper dins la cèl·lula podria estar relacionat amb el transport de factors de transcripció cap a dins i cap a fora del nucli. Aquests resultats suggereixen que el gen CG13617 podria estar implicat en la regulació de la replicació del DNA i que l’efecte de posició en els portadors de la inversió 2j podria contribuir a explicar les diferències fenotípiques observades entre els individus 2st i 2j, així com el valor adaptatiu d’aquesta inversió.

Chromosomal inversions have been known for a long time to be maintained by natural selection in Drosophila populations. However, the molecular mechanisms underlying their adaptive value remain uncertain. In D. buzzatii natural populations, inversion 2j forms a balanced polymorphism with the 2st arrangement, in which 2j individuals have a larger size and a longer developmental time compared to 2st carriers. In this work we tested the hypothesis that a position effect of one of the inversion breakpoints could be the cause of these phenotypic changes by analyzing the expression of a gene adjacent to the proximal breakpoint, CG13617, in D. buzzatii lines with and without inversion 2j. We have found that in 2j embryos an antisense RNA originated in a copy of a Galileo family transposon inserted at the breakpoint causes a 5-fold decrease of the expression level of CG13617. In order to investigate the functional consequences of the reduction in CG13617 expression, we have used RNA interference to reproduce this silencing in D. melanogaster. Microarray and real-time RT-PCR experiments comparing first instar larvae with and without CG13617 expression revealed that 41 genes show reduced expression levels when CG13617 is silenced, while none is up-regulated. Interestingly, genes involved in DNA replication and cell cycle are significantly enriched among those affected by CG13617 silencing. Nine out of ten of these genes analyzed in D. buzzatii also show a reduced expression level in 2j embryos, but not in first instar larvae, a stage where the CG13617 expression difference between chromosomal arrangements is lower and the antisense RNA is no longer transcribed. To gain insight into the potential function of this gene we have carried out a comprehensive nucleotide and protein sequence analysis in the 12 available Drosophila genomes and also in other organisms. CG13617 protein contains a conserved C2H2 zinc finger, three coiled coil regions, two PEST sequences, and putative nuclear localization and export signals, and shows similarity to human DZIP1 and zebrafish Iguana (a component of the Hedgehog signaling pathway) proteins, which indicates that its cellular role could be related to the transport of transcription factors in and out of the nucleus. These results suggest that gene CG13617 could be involved in the regulation of DNA replication and that the position effect in 2j carriers might contribute to explain the phenotypic differences observed between 2st and 2j individuals as well as the adaptive value of the inversion.