Dinámica evolutiva de las reordenaciones cromosómicas y coincidencia de los puntos de rotura: análisis molecular de las inversiones fijadas en el cromosoma 2 de Drosophila Buzzatii

Abstract

El interés por los mecanismos que generan las reordenaciones cromosómicas se ha reavivado recientemente gracias al enorme avance que supone la comparación de genomas secuenciados. En Drosophila, las inversiones cromosómicas son abundantes como polimorfismos intraespecíficos y como cambios fijados entre especies. Sin embargo, aun sabemos poco acerca de la generación de estas inversiones naturales y sus consecuencias moleculares. Se conocen diversos mecanismos moleculares capaces de generar inversiones cromosómicas. En el mecanismo clásico, un fragmento cromosómico generado por dos roturas puede repararse erróneamente y resultar invertido (NHEJ). Por otro lado, los elementos transponibles (TE) pueden actuar como sustrato de la recombinación ectópica entre copias insertadas en orientación inversa en sitios cromosómicos alejados e inducir inversiones. Los TE también pueden generar inversiones por otros procesos como la transposición aberrante o como simples endonucleasas. De cualquier modo, ambos mecanismos son capaces de producir duplicaciones asociadas a la inversión. En diversos análisis moleculares de puntos de rotura de inversiones en Drosophila se han descrito duplicaciones invertidas que la flanquean. Sin embargo, un problema aun no resuelto es si el mecanismo per se puede producir las coincidencias y no aleatoriedad observada de los puntos de rotura o, si la selección modula su distribución independientemente de cómo se produzcan. Este trabajo completa el estudio de nuestro grupo de investigación que ha demostrado anteriormente que tres inversiones polimórficas del cromosoma 2 de Drosophila buzzatii (2j, 2q7, 2z3) se generaron por recombinación ectópica entre copias del elemento transponible Galileo. En la única inversión fijada estudiada previamente en D. buzzatii (inversión 5g) no se ha demostrado la implicación de TE. Hemos llevado a cabo el estudio de los puntos de 2 rotura de las otras tres inversiones fijadas en el cromosoma 2 de D. buzzatii desde su divergencia del ancestro del grupo repleta: 2m, 2n y 2z7. Por otro lado, las inversiones 2m y 2n están dispuestas en tándem, compartiendo un punto de rotura a nivel citológico. En ambos puntos de rotura de la inversión 2z7 se han encontrado fragmentos degenerados de un elemento de la familia Galileo que sugieren que esta inversión podría haberse originado por recombinación ectópica. Por otro lado, el análisis molecular de las inversiones 2m y 2n, ha confirmado la coincidencia citológica de uno de los puntos de rotura. La inversión 2m está asociada a una duplicación génica que incluye el gen CG4673 y dos genes anidados en éste (CG5071 y CG5079). En la posición original (punto de rotura AC), los genes CG4673 y CG5079 se han pseudogeneizado. En la duplicación (punto de rotura BE), el gen CG4673 es funcional pero no hay rastro de los genes anidados debido a la pérdida del intrón 6 (que incluye ambos genes anidados). Esta duplicación parece además, haber sufrido una posterior micro-inversión. Existen tres posibles mecanismos para explicar el origen de esta compleja reorganización y la reutilización observada. (i) primero se originaría la inversión 2m mediante NHEJ y posteriormente la inversión 2n por recombinación ectópica entre copias del elemento BuT5. (ii) primero se originaría la inversión 2n mediante NHEJ y posteriormente la inversión 2m por inserción híbrida. (iii) que ambas inversiones hubieran sido simultáneas. (1 rotura escalonada + 2 roturas DSB más reparación NHEJ de los dos fragmentos generados). Finalmente, se habrían localizado hasta tres transcritos relacionados con el gen CG4673 en D. buzzatii por uno sólo en el genoma no invertido de D. mojavensis. Uno procedería de la copia degenerada del gen (punto de rotura AC) y otros dos de la copia del gen funcional (punto de rotura BE). Estos transcritos se relacionan formando moléculas de dsRNA que podrían estar regulando la expresión del gen funcional.

The interest in the origin of chromosomal rearrangements has been recently revived due to the increase in the number of sequenced genomes and the results obtained from their comparison. In Drosophila, chromosomal inversions are abundant as intraspecific polymorphisms and as fixed changes between species. However, still little is known about the molecular causes that generate natural inversions and their consequences. Moreover, the distribution of inversion breakpoints is nonrandom and breakpoints are commonly reused. This nonrandom distribution could be due to the mechanism that generate the inversions or to selection. Different molecular mechanisms are capable of generating chromosomal inversions. In the classical view, the insertion in the opposite direction of a chromosome fragment generated by two breaks generates an inversion (Non Homologous End Joining). Ectopic recombination between homologous sequences inserted in reverse orientation can also produce a chromosomal inversion. Transposable elements (TE) have been described as agents of ectopic recombination. Moreover, TE can also be involved in the generation of inversions by other processes such as aberrant transposition or acting as simple endonucleases. In any case, duplications flanking the inversion have been reported in several molecular analyses of breakpoints in Drosophila. The origin of these duplications has been commonly described as result of the reparation of a staggered break. Breakpoint reuse, inversion success and preferential mechanisms between species, time or chromosomes of inversion still remains unclear. Our work aims at shedding light on the non resolved problems about inversions. Our research group has been working with Drosophila buzzatii species that belongs to the repleta group as a model to understand the generation of chromosomal inversions. Our research group has previously shown that three polymorphic inversions of the chromosome 2 of D. buzzatii (2j, 2q7, 2z3) were generated by ectopic recombination between copies of the transposable element Galileo. On the other hand, in the only previously studied fixed inversion in D. buzzatii (5g) transposable elements has not been related with its origin. To analyze a possible profile between mechanism and success of fixation, we have carried out the study of the breakpoints of the other three inversions fixed on chromosome 2 of D. buzzatii since its divergence from the ancestor of the repleta group: 2m, 2n and 2z7. On the other hand, inversions 2m and 2n are arranged in tandem, sharing a breakpoint under cytological view. Degenerated fragments of a transposable element of the Galileo family were found in both breakpoints of inversion 2z7 suggesting that this inversion could have been originated by ectopic recombination as previously studied polymorphic inversions. 2z7 is the first fixed inversion described as a result of ectopic recombination. Degenerated fragments of BuT5 were founded in all breakpoints of inversions 2m and 2n. Furthermore, inversion 2m has been associated with a gene duplication that includes the gene CG4673 and its two nested genes (CG5071 and CG5079). In the original position (2m inversion distal breakpoint), CG4673 and CG5079 genes have became pseudogenes. In the duplication (2m and 2n shared breakpoint), the gene CG4673 is functional however there are no traces of the nested genes due the loss of the intron that includes them. Furthermore, molecular analysis of the inversions 2m and 2n has confirmed the coincidence of the breakpoints. Finally, the whole duplication was later inverted due the one micro-inversion. There are three possible mechanisms to explain the origin of this complex arrangement and the observed reuse. (i) The inversion 2m occurred first with NHEJ and later ectopic recombination between copies of the BuT5 element generated inversion 2n. (ii) The inversion 2n occurred by NHEJ and later the inversion 2m by hybrid insertion. (iii) Both inversions were simultaneous (two wrong repaired fragments generated with one staggered breakage and two double strand breakages). Finally, three transcripts related to the gene CG4673 have been found in D. buzzatii while only one was found in the non-inverted genome of D. mojavensis, also from repleta group. One of these three transcripts corresponds to the pseudogene in the 2m inversion distal breakpoint and the other two transcripts correspond to the functional copy of the gene in the 2m-2n shared breakpoint (one sense and one antisense transcript). These transcripts form dsRNA molecules that could be involved in the regulation of the expression of the CG4673 gene.