Evolució cromosòmica a Drosophila: paper dels elements transposables

Abstract

L'objectiu d'aquest treball és estimar amb quina freqüència es fixen i com es produeixen les inversions paracèntriques (les que no inclouen el centròmer) al gènere Drosophila. En primer lloc s'ha calculat quina és la taxa de fixació d'inversions entre les espècies D. melanogaster i dues espècies del grup repleta (D. repleta i D. buzzatii), que van divergir de D. melanogaster fa 40-62 milions d'anys. Per fer-ho s'ha analitzat l'organització molecular de tres regions cromosòmiques de D. melanogaster a les dues espècies del grup repleta. En total s'han localitzat 55 marcadors procedents de D. melanogaster als cromosomes de D. buzzatii i D. repleta. Els marcadors cartografiats en aquest treball s'han afegit als cartografiats prèviament al mateix cromosoma per formar un mapa físic del cromosoma 2 de D. repleta amb una densitat d'un marcador cada 219 kb. Les diferents regions analitzades no presenten diferències significatives en el nombre de punts de trencament que contenen, indicant que els punts de trencament es reparteixen homogèniament per tot el cromosoma. Extrapolant el comportament de les regions cromosòmiques analitzades a tot el cromosoma s'obté que el número mínim d'inversions fixades entre D. melanogaster i les dues espècies del grup repleta (D. repleta i D. buzzatii) és de 88±14 inversions (0,71 inversions fixades per milió d'anys). Aquest valor no és significativament diferent de l'obtingut amb la comparació dels 160 marcadors distribuïts per tot el cromosoma (114±14 inversions i una taxa de 0,92 inversions per milió d'anys). Aquests resultats mostren que la taxa d'evolució cromosòmica a Drosophila és superior a la de la majoria d'organismes analitzats.<br/>Posteriorment s'ha estudiat quin és el mecanisme que origina les inversions a les poblacions naturals. Anteriorment, s'havia demostrat que la inversió 2j, polimòrfica a D. buzzatii, es va originar per recombinació ectòpica entre dues còpies de l'element transposable del tipus Foldback Galileo. A més, els punts de trencament de la inversió són punts calents d'insercions d'elements transposables i mostren una gran inestabilitat genètica. Per comprovar el caràcter general o excepcional d'aquests resultats s'han caracteritzat molecularment els punts de trencament d'una altra inversió polimòrfica (2q7) de la mateixa espècie. Aquesta inversió també s'ha originat per recombinació ectòpica entre dues còpies de Galileo, i els punts de trencament de la inversió també mostren una gran inestabilitat genètica. La inestabilitat genètica descrita als punts de trencament de les inversions 2j i 2q7 es pot deure a la presència d'elements del tipus Foldback. Aquests elements tenen la capacitat de produir estructures secundàries, que s'ha demostrat que poden originar diferents tipus de reordenacions cromosòmiques. Aquestes estructures també augmenten la capacitat recombinogènica dels elements tipus Foldback, el que pot explicar la participació de Galileo en la generació de les dues inversions.<br/>Finalment s'ha estudiat la distribució cromosòmica dels elements transposables a D. buzzatii. L'anàlisi dels resultats ha permès establir que els elements transposables tendeixen a localitzar-se a les regions de baixa recominació, com les regions pericentromèriques o les regions incloses a les inversions cromosòmiques. També s'han localitzat els elements transposables BuT5 i Galileo exactament a les bandes on s'havia cartografiat els punts de trencament de les inverions 2z3 i 4s. Finalment, s'ha descrit una certa tendència dels elements transposables a localitzar-se a les bandes on s'han cartografiat els punts de trencament d'altres inversions descrites a altre espècies del complexe buzzatii, així com a coincidir diferents elements a les mateixes bandes cromosòmiques. Aquest resultat suggereix que la reducció de la recombinació no seria l'únic factor que provoca la seva acumulació als punts de trencament de les inversions.

The aim of this work is to estimate the frequency of fixation and to determine how paracentric inversions (those not including the centromere) arise in the genus Drosophila. First, we have calculated the fixation rate of inversions between D. melanogaster and two species of the repleta group (D. repleta and D. buzzatii), which diverged from D. melanogaster 40-62 millions years ago. To achieve this aim, we have analysed the molecular organization of three chromosomal regions of D. melanogaster in the two species of the repleta group. Overall, we have mapped 55 markers from D. melanogaster to the chromosomes of D. buzzatii and D. repleta. The markers mapped in this work have been added to those previously mapped in the same chromosome to complete a physical map of the chromosome 2 of D. repleta, with a density of one marker per 219 kb. The different regions studied do not show significant differences in the number of breakpoints, showing that the breakpoints are distributed homogenously over the chromosome. Extrapolating the results of the studied regions to the entire chromosome we obtained a value of 88±14 inversions fixed between D. melanogaster and the two species of the repleta group (0,71 inversions per million year). This value is not statistically different to that obtained with the comparison of 160 markers distributed along the chromosome (114±14 inversions and a rate of 0,92 inversions per million year). These results show that the evolution rate in Drosophila is higher than that of other organisms studied.<br/> Second, we have studied which is the mechanism that originates inversions in natural populations. It had been demonstrated previously that the 2j inversion, polymorphic in D. buzzatii, was originated through ectopic recombination between two copies of the Foldback element Galileo. Moreover, the breakpoints of the inversion have become hotspots for transposable elements insertions and show a high level of genetic instability. To check the generality or exceptionality of these results we have characterized at the molecular level the breakpoints of another polymorphic inversion (2q7) of the same species. This inversion has also been originated by ectopic recombination between two copies of Galileo and the breakpoints also show a high level of genetic instability. The genetic instability described in the breakpoints of 2j and 2q7 inversions is probably due to the presence of Foldback-like elements. These elements are capable of producing secondary structures that have been demonstrated to originate different chromosomal rearrangements. These structures also increase the recombinogenic capability of Foldback-like elements, which can explain the role of Galileo in generating the two inversions.<br/> Finally, we have studied the chromosomal distribution of some transposable elements in D. buzzatii. The analysis of the result have allowed us to establish that transposable elements tend to be localized in low recombination regions, such as the pericentromeric regions o those regions included in the chromosomal inversions. We have also localized precisely the transposable elements BuT5 and Galileo in the chromosomal bands where the breakpoints of inversions 2z3 and 4s have been mapped. Finally, we have detected a tendency of transposable elements to localize in the same chromosomal bands where the breakpoints of other chromosomal inversions described in different species of the buzzatii complex have been mapped. Besides that, transposable elements are often localized in the same chromosomal band. This result suggests that the reduction of recombination is not the only factor that produces its accumulation at the inversion breakpoints.