Transposable element misregulation in Drosophila buzzatii–Drosophila koepferae interspecific hybrids

Abstract

Els elements transposables (ETs) són unitats genètiques mòbils presents en pràcticament tots els organismes eucariotes seqüenciats. La seva capacitat de moure’s, juntament amb el seu caràcter repetitiu, els converteix en importants mutàgens amb l’habilitat de crear noves variants genètiques susceptibles a la selecció. Donat que el seu potencial mutagènic pot posar en perill la fitness de l’hoste, els organismes eucariotes han desenvolupat diferents estratègies de regulació per controlar la mobilització d’ETs. Cal destacar la importància d’aquestes estratègies en línia germinal, on les mutacions poden ser transmeses d’una generació a l’altra. En ovaris de Drosophila, el principal mecanisme de regulació d’ETs és la via dels piRNAs, que contribueix al seu silenciament transcripcional i post-transcripcional. La forta regulació a la que els ETs estan sotmesos es pot veure relaxada sota diferents condicions d’estrès, com és el cas de la hibridació interespecífica. Diversos estudis han descrit noves insercions d’ETs en híbrids interespecífics, tant d’animals com de plantes. En el cas que ens ocupa, els híbrids de Drosophila buzzatii i Drosophila koepferae, investigacions prèvies del nostre grup van detectar la mobilització d’almenys 28 ETs. No obstant, els mecanismes responsables d’aquesta activació són encara desconeguts, tot i que els estudis més recents del camp semblen apuntar a una desregulació a nivell d’expressió. També es desconeixen els efectes que la proliferació d’ETs pot tenir sobre el genoma dels híbrids. En aquest treball, comencem avaluant l’impacte de la hibridació sobre la mida del genoma dels híbrids de Drosophila buzzatii i Drosophila koepferae al llarg de quatre generacions d’encreuaments híbrids (un primer d’interespecífic seguit de quatre retroencreuaments). Demostrem l’existència d’una expansió genòmica sexe-específica, que afecta només les femelles del primer retroencreuament. Aquests resultats representen la primera evidència d’un augment de la mida del genoma en híbrids interespecífics d’espècies animals. La nostra hipòtesi és que una desregulació a nivell transcripcional té lloc a les femelles de la F1, donant lloc a noves insercions que es detecten a la següent generació. Per tal de testar aquesta hipòtesi, hem realitzat dos estudis d’expressió d’ETs, emprant dues aproximacions diferents. Primer, duem a terme una anàlisi en profunditat de l’expressió del retrotransposó Helena (un dels ETs que transposen en els nostres híbrids) en ambdós sexes i diferents teixits. Demostrem que l’expressió d’Helena en teixit somàtic no és alterada degut a la hibridació, mentre que en gònades s’observen efectes sexe-específics. En testicles de la F1, observem una repressió d’Helena, concordant amb l’absència de canvi en la mida del genoma dels mascles. En ovaris, sembla que Helena es desregula en mosques joves, però els nivells d’expressió baixen en mosques de major edat. Posteriorment, descrivim una anàlisi a nivell transcriptòmic, on s’avalua si els resultats d’Helena són extrapolables a l’expressió global dels ETs. Per esbrinar quins mecanismes estan involucrats en la desregulació d’ETs, analitzem també les poblacions de piRNAs d’espècies parentals i híbrids. Els nostres resultats demostren que els testicles de la F1 tendeixen a presentar nivells d’expressió més baixos que D. buzzatii, probablement degut a un augment dels nivells de piRNAs. En ovaris, l’efecte més comú és la sobreexpressió d’ETs, que podria ser explicada per incompatibilitats en la via dels piRNA entre les dues espècies parentals. De fet, les proteïnes d’aquesta via es troben entre les més divergents entre les dues espècies. D’altra banda, alguns casos de desregulació poden ser explicats per diferències entre els nivells de piRNAs entre els citoplasmes de D. buzzatii i D. koepferae, com en el cas de la disgènesi híbrida. Finalment, cal destacar que són necessàries altres explicacions per explicar el patró global de desregulació, com ara un funcionament anormal d’altres vies de regulació d’ETs o de la modificació d’histones.

Transposable elements (TEs) are mobile genetic units present in almost all the eukaryotic sequenced genomes. Their mobilizing capacity, together with their repetitive nature, makes them powerful endogenous mutators able to create novel genetic variants, which will be then subject to selection. However, their mutagenic potential can also endanger their host’s fitness, which has led to the development of several regulatory strategies against TE mobilization in eukaryotic organisms. These are especially important in the germline, where mutations can be transmitted to the offspring. In Drosophila ovaries, TEs are mainly regulated by a small RNA-mediated silencing mechanism, the piRNA (Piwi-interacting RNA) pathway, which affects transcriptional and post-transcriptional TE silencing. This strong regulation can be relaxed under several stress conditions, including interspecific hybridization, a genomic stressor that promotes TE mobilization. Several cases of transposition events have been described in hybrids of different species, including both animals and plants. In the case that concerns us, D. buzzatii–D. koepferae hybrids, a previous survey in our group detected mobilization of at least 28 TEs. However, the molecular mechanisms underlying this TE release remain elusive, although recent studies on hybrid TE expression seem to point to a transcriptional deregulation. Furthermore, little is known about the effects this phenomenon can have in the genome of the hybrid progeny. In this work, we first assess the impact that hybridization-induced TE proliferation has on the genome size of D.buzzatii–D. koepferae hybrids, throughout four generations of hybridization (an interspecific cross followed by three backcrosses). We demonstrate the existence of a sex-specific genome expansion, that affects only females at the first backcross. These results provide the first evidence of genome size increase in interspecific hybrids of animal species. We hypothesize that a TE deregulation at a transcriptional level occurs in F1 females, leading to new TE insertions that result in a genome size increase in the following generation. In order to test this hypothesis, we address two TE expression studies in the same hybrids, using two different approaches. First, we perform an in-depth analysis of the expression of one of the mobilized transposons, Helena, in both sexes and different tissues. We show that Helena expression in somatic tissues is not altered after hybridization, whereas in gonads sex-biased effects are observed. Indeed, Helena is repressed in F1 testes, in concordance with the unaltered genome size in males. In ovaries, an early Helena overexpression seems to occur in young flies, being then controlled in older ones. We subsequently performed a global analysis using a transcriptomic approach, in order to evaluate if the results for Helena could be extended to other TEs. To disentangle the molecular mechanisms involved in TE deregulatiom, we analysed the piRNA populations of parental species and hybrids. We show that F1 testes indeed tend to present a TE expression lower than D. buzzatii, which is coupled with a global increase of piRNA amounts. In ovaries, TE overexpression is the more common effect, and seems to be mainly due to differences in piRNA production strategies between parental species. Actually, the piRNA pathway proteins are divergent between parental species and could be at the origin of the hybrid instability. Moreover, differences in piRNA amounts between D. buzzatii and D. koepferae cytoplasms could also account for some cases of deregulation, as occurs in hybrid dysgenesis syndrome. Finally, other explanations are needed to account for the whole pattern of deregulation, such as the failure of histone modification’s deposition or of other TE silencing pathways.