Caracterización Genómica y Funcional de las Reorganizaciones del Complejo de Genes Hox en Drosophila

Abstract

Los genes homeóticos (Hox) codifican factores de transcripción involucrados en la especificación de la identidad segmental a lo largo del eje anteroposterior en el embrión de los metazoos. Estos genes se presentan habitualmente agrupados y organizados en el mismo orden en el que se expresan a lo largo del eje anteroposterior del cuerpo. La conservación de esta organización genómica a lo largo de la filogenia ha sugerido la existencia de constricciones funcionales actuando sobre ella, pero la desestructuración del complejo en Caenorhabditis elegans y las tres roturas descritas en el género Drosophila ponen en cuestión que esta organización sea realmente necesaria para su correcto funcionamiento en algunos linajes. En este trabajo se han estudiado las consecuencias genómicas y funcionales de las dos reorganizaciones del complejo de genes Hox presentes en Drosophila buzzatii, especie perteneciente al grupo repleta. En la primera parte del trabajo se han clonado y secuenciado las regiones codificantes del gen labial (lab) en D. buzzatii y D. virilis. Se han comparado las secuencias de estas dos especies y la de D. melanogaster para comprobar si el cambio de posición del gen lab ocurrido en el linaje de D. buzzatii había producido algún cambio en la estructura del gen o en la evolución de su secuencia. Los resultados muestran una tasa de cambio heterogénea a lo largo del gen pero homogénea a lo largo de la filogenia. La tasa de cambio nucleotídico de lab se ha mantenido constante a pesar del cambio de posición. En la segunda parte del trabajo se han secuenciado dos regiones del genoma de D. buzzatii, una contiene los genes lab y abdominal A (abdA) y la otra incluye el gen proboscipedia (pb), y se ha comparado su organización génica con D. melanogaster y D. pseudoobscura para localizar con precisión los puntos de rotura. También se han comparado las secuencias no codificantes de estas regiones, se ha observado una elevada presencia de bloques conservados en los intrones y regiones adyacentes de los genes Hox. La comparación de los bloques conservados con las regiones reguladoras conocidas de los genes Hox (lab, pb y abdA) en D. melanogaster muestra que la posición y orientación de las regiones reguladoras está conservada entre las tres especies, con excepciones menores. Finalmente se analizó el patrón de expresión de los tres genes Hox en embriones y discos imaginales de D. buzzatii, D. repleta, D. virilis, y D. melanogaster, cuatro especies con diferentes organizaciones de los genes Hox. Las dos roturas estudiadas se produjeron mediante inversiones paracéntricas, con los puntos de rotura respetando las regiones reguladoras de ambos genes. De manera que las regiones reguladoras y patrones de expresión de los genes Hox adyacentes se han conservado a pesar de las reorganizaciones. En Drosophila el complejo parece tener una estructura formada por módulos (que incluyen los genes y las regiones reguladoras) independientes, cuya agrupación no es necesaria para su correcto funcionamiento. La organización de estos genes es modular y su agrupación parece ser el resultado de la inercia filogenética más que de la necesidad funcional. El descubrimiento de más reorganizaciones en otros linajes y la importancia de la colinealidad temporal en algunos organismos sugieren que la causa funcional de la conservación de la organización genómica podría ser la colinealidad temporal. Las reorganizaciones serían consecuencia de la pérdida de colinealidad temporal en organismos con desarrollo rápido por modificación de la embriogénesis.

Homeotic (Hox) genes code for transcription factors involved in the specification of segmental identity in the anteroposterior axis of the early metazoan embryo. These genes are usually clustered and arranged in the same order as they are expressed along the anteroposterior body axis. The conservation of this Hox gene organization along the phylogeny has suggested the existence of functional constraints. However, the partial disassembly of the Caenorhabditis elegans complex and the three splits observed in the Drosophila genus question whether this organization is an absolute necessity for proper function in some lineages. In this work, I analysed the genomic and functional consequences of the two splits present in Drosophila buzzatii, a member of the repleta species group. In the first part, the coding regions of the labial (lab) gene were cloned in D. buzzatii and D. virilis. The sequences of these two species were compared with that of D. melanogaster to test whether the change in position of lab in de D. buzzatii lineage produced any change in gene structure or sequence evolution. The results show that the substitution rate is heterogeneous along the gene but homogeneous along the phylogeny. The nucleotide substitution rate of lab has been constant in spite of the positional change. In the second part, two regions of the D. buzzatii genome have been sequenced, one including the lab y abdominal A (abdA) genes and the other containing the proboscipedia (pb) gene, and compared with the genic organization of D. melanogaster and D. pseudoobscura to precisely locate the breakpoints. The noncoding sequences of these regions have also been compared, and a high presence of conserved blocks has been observed in the introns and surrounding regions of Hox genes. The comparison of these conserved blocks with the known regulatory regions of the Hox genes (lab, pb and abdA) in D. melanogaster shows that the position and order of the regulatory regions is conserved between the three species, with minor exceptions. Finally the expression pattern of the three Hox genes has been analysed in embryos and imaginal discs of D. buzzatii, D. repleta, D. virilis, and D. melanogaster, four species with different Hox gene arrangements. The two splits took place through two paracentric inversions, with their breakpoints between the regulatory regions of adjacent genes. So that the regulatory regions and expression patterns of these Hox genes have been conserved in spite of the reorganizations. In Drosophila the Hox gene complex seems to be composed by independent modules (including the gene and its regulatory regions), whose association is not required for proper function. The organization of these genes is modular and their clustering seems de result of phylogenetic inertia more than of functional necessity. The discovery of more rearrangements in other lineages and the significance of temporal colinearity in some organisms suggest that the functional cause of the conservation of this genomic organization would be temporal colinearity. Rearrangements would be the consequence of the loss of temporal colinearity in organisms with a very rapid mode of embriogenesis.