Oikopleura dioica com a model animal per investigar l'impacte de les pèrdues gèniques en l'Evo-Devo: les vies de senyalització de l'àcid retinoic i Wnt com a cas d'estudi

Abstract

El creixent nombre de genomes seqüenciats està posant de manifest que la pèrdua gènica és un fenomen recurrent que pot haver generat diversitat al llarg de la història evolutiva dels diferents grups d’organismes. En aquest sentit, un dels grans reptes en el camp de la EvoDevo és entendre l’impacte de la pèrdua gènica en l’evolució dels mecanismes del desenvolupament animal considerant diferents escenaris evolutius. En escenaris de selecció positiva, la pèrdua hauria comportat canvis morfològics o fisiològics que haurien permès l’adaptació de les espècies a noves condicions ambientals. En escenaris de selecció neutre (o quasi neutre), la pèrdua hauria afectat a gens que haurien esdevingut prescindibles per l’existència de robustesa mutacional o perquè les condicions ambientals haurien canviat. Saber si una pèrdua gènica ha estat adaptativa o neutre és generalment molt complex ja que molts cops es difícil establir relacions directes de causalitat entre la pèrdua d’un gen i l’aparició d’una nova característica evolutivament avantatjosa. Malgrat aquesta dificultat, en aquesta tesi doctoral vàrem voler estudiar l’impacte de la pèrdua gènica en l’EvoDevo a partir d’analitzar l’evolució de les vies de senyalització de l’àcid retinoic (RA) i de Wnt -vies essencials pel desenvolupament de tots els cordats- a l’urocordat Oikopleura. dioica com a sistema model de referència. Per establir O. dioica com a model animal, però, a més de les característiques biològiques que la fan atractiva per aquests tipus estudis –desenvolupament embrionari i cicle de vida extremadament ràpid, simplicitat i transparència corporal, genoma reduït i totalment seqüenciat, possibilitat de manipulació gènica per estudis funcionals– ha estat fonamental desenvolupar unes instal·lacions per cultivar-la en el laboratori, així com protocols de manteniment assequibles (low-cost) per qualsevol grup d’investigació. Gràcies a aquest sistema de cultiu, em pogut analitzar els components de la xarxa gènica del metabolisme de l’RA (RA-MGN), així com els lligands de la via de senyalització per Wnt. En referència a la RA-MGN, el nostre treball ens permet concloure que les pèrdues gèniques que han afectat a aquesta via durant l’evolució de O. dioica han tingut lloc en un sistema genètic no robust, on el desballestament de la via no han tingut un impacte dramàtic en el pla corporal típic de cordats que preserva aquest organisme. Per altre banda, l’anàlisi de la família Wnt a cordats, ens ha permès concloure que a més de la duplicació gènica o de la redundància funcional per processos d’evolució convergent, els fenòmens de reassignació de funcions (function shuffling) augmenten també la robustesa mutacional i faciliten les pèrdues gèniques en les famílies de gens. En resum, els resultats d’aquesta tesi doctoral posen de manifest que O. dioica és un model animal atractiu per estudiar tant aspectes bàsics de l’impacte de les pèrdues gèniques en l’evolució dels mecanismes del desenvolupament, com en aspectes aplicats en que certes pèrdues confereixen a O. dioica la condició de knockout evolutiu que pot ser interessant per l’estudi de mecanismes moleculars concrets com la toxicitat de les PUAs en el desenvolupament embrionari d’organismes marins.

The bloom of genomics is revealing gene loss as a pervasive evolutionary force generating genetic diversity that shapes the evolution of species. In this sense, one of the great challenges in the field of EvoDevo is to understand the impact of gene loss on the evolution of animal developmental mechanisms. In this doctoral thesis we wanted to study the impact of gene loss in EvoDevo, using the analysis of the evolution of retinoic acid (RA) and Wnt signaling pathways - essential pathways in the development of all the chordates- in the urochordate Oikopleura. dioica as a model reference system. To establish O. dioica as an animal model, in addition to the biological characteristics that make it attractive for his type of studies-embryonic development and extremely fast life cycle, simplicity and body transparency, reduced and fully sequenced genome, possibility of gene manipulation for functional studies - It has been essential to develop a facility to grow O. dioica in the laboratory, as well as low-cost maintenance protocols affordable for any research group. Thanks to this culture system, we were able to analyze the components of the RA metabolic gene network (RA-MGN), as well as the ligands of the Wnt signaling pathway. In reference to the RA-MGN, our work allows us to conclude that the gene losses that have affected this pathway during the evolution of O. dioica have taken place in a non-robust genetic system, where the dismantling of the network has not had a dramatic impact on the typical body plan of chordates that preserves this organism. On the other hand, the analysis of the Wnt family in chordates, has allowed us to conclude that in addition to gene duplication or functional redundancy due to processes of convergent evolution, function shuffling also increase the mutational robustness and facilitate gene losses in gene families. In summary, the results of this doctoral thesis show that O. dioica is an attractive animal model for studying both basic aspects of the impact of gene losses in the evolution of development mechanisms, and in applied aspects. For instance, certain losses give to O. dioica an evolutionary knockout condition that may be interesting for the study of concrete molecular mechanisms such as the toxicity of PUAs in the embryonic development of marine organisms.