Addressing functional and evolutionary implications of microRNA variation at the DNA and RNA levels in primates

Abstract

microRNAs are small non-coding RNAs with crucial roles in gene regulation and whose contribution to animal evolution has been largely demonstrated. In this thesis we explored some functional consequences of microRNA sequence variation and their possible effects in primate evolution. We first evaluated microRNA nucleotide variation at the genomic level in great apes. Taking advantage of recently published whole-genome sequencing data from 82 individuals including oragutans, gorillas, bonobos, chimpanzees and humans, we analyzed microRNA sequence conservation patterns, both among and within populations. We observed that the entire microRNA mature region was significantly conserved, suggesting its central role for the microRNA regulatory function. We additionally observed that more conserved microRNAs tend to be older, duplicated, clustered, highly associated with disease and show higher expression levels. Further functional analyses revealed that lineage-specific changes in the microRNA mature sequences and/or in the length of the precursor molecules of mir-299, mir-503, mir-508 and mir-541 altered their expression levels and redirected the spectrum of target genes and regulatory networks, some of them linked to neuronal functions. We secondly investigated microRNA sequence variation generated by RNA editing. Focusing on mir-376a1 we studied the RNA editing patterns among different primate individuals including human placenta and macaque, gorilla, chimpanzee and human brain cortex samples. Although mir-376a1 editing showed high inter-individual variation, it was more frequently detected in brain than in placenta and in one particular site. This highly edited site conferred the highest stability to the hairpin molecule, revealing the important contribution of RNA editing to the stability of the transcripts. In summary, we provide evidence on how DNA and RNA nucleotide changes may drive microRNA diversification and redefine new regulatory functions, which could have importantly contributed to primate phenotypic diversification processes and to the recent evolution of our species.

Los microARNs son ARNs de pequeño tamaño no codificantes para proteína, con un papel crucial en la regulación genética y cuya contribución en la evolución animal ha sido ampliamente demostrada. En esta tesis exploramos algunas consecuencias funcionales asociadas a la variación en las secuencias de los microARNs y sus posibles implicaciones en la evolución de los primates. En primer lugar evaluamos la variación nucleotídica de los microARNs a nivel del genoma en los grandes simios. Aprovechando datos de secuenciación de genomas completos recientemente publicados provenientes de 82 individuos orangutanes, gorilas, bonobos, chimpancés y humanos, analizamos los patrones de conservación de las secuencias de microARNs, entre y dentro de las poblaciones. Observamos que la región madura del microARN aparecía significativamente conservada, sugiriendo su papel central en la función reguladora del microARN. Vimos además que los microARNs más conservados tienden a ser más antiguos, estar duplicados, agrupados, asociados a enfermedad y más altamente expresados. Análisis funcionales posteriores revelaron que cambios específicos de linaje en las secuencias maduras y/o en la longitud de las secuencias precursoras de mir-299, mir-503, mir-508 and mir-541 alteraron sus niveles de expresión y redefinieron el conjunto de genes dianas y redes reguladoras, algunas de ellas implicadas en funciones neuronales. En segundo lugar, investigamos la variación de la secuencia de los microARNs generada por la edición del ARN. Centrándonos en mir-376a1 estudiamos los patrones de edición en diferentes individuos de primates incluyendo muestras de placenta humana y cortex cerebral de macaco, gorila, chimpancé y humano. Aunque la edición de mir-376a1 mostró gran variación entre individuos, se detectó en mayor frecuencia en cerebro que en placenta y en un sitio concreto. Este sitio altamente editado confería mayor estabilidad a la molécula precursora, indicando la importancia de la edición del ARN en la estabilidad de los transcritos. En resumen, esta tesis muestra evidencias sobre cómo los cambios nucleotídicos en el ADN o ARN podrían conducir a la diversificación de los microARNs y definir nuevas funciones reguladoras, las cuales podrían haber contribuido de manera importante en los procesos de diversificación fenotípica en los primates y en la evolución reciente de nuestra especie.