Evolution of the non-coding genome

Abstract

La identificación de elementos funcionales en el genoma no-codificante continúa siendo una tarea desafiante. La genómica comparativa puede ayudarnos a entender como estos elementos han evolucionado y cuáles son sus posibles funciones. En ésta tesis, nos hemos enfocado principalmente en la evolución de unos genes conocidos como long noncoding RNAs (lncRNAs) en el linaje humano. Éstos genes están involucrados en muchos procesos fundamentales de regulación genética e influyen múltiples procesos de desarrollo y enfermedades, lo cuál los hace candidatos idóneos de exploración. Las duplicaciones que ocurren en el genoma cumplen un rol fundamental en la generación de nuevo material genético. Aquí, hemos hipotetizado que las diferencias existentes entre las regiones codificantes de proteínas entre humanos y otros primates quizás no sea suficiente para explicar nuestras características fenotípicas únicas. Es por ello, que utilizando métodos de genómica comparativa hemos evaluado cuál es la contribución de las duplicaciones exónicas de los lncRNAs sobre nuestro genoma. De ésta manera, hemos identificado 62 genes humanos específicos que se han fijado en la población y que además muestran signos de selección activa y expresión tejido-específica. Nuestros descubrimientos sugieren que éstos genes pueden ser relevantes para la evolución de las características fenotípicas únicas de los seres humanos y requieren de validación experimental en el futuro. Más aún, hemos estudiado éstos genes en una especie no-modelo que se encuentra en peligro de extinción; el pájaro conocido como “Correlimos Cuchareta”, identificando 37 lncRNAs que se encuentran altamente conservados en humanos. Finalmente, hemos analizado RNAs de transferencia (tRNAs) entre diferentes especies de bacterias encontrando que existe un límite en el número de identidades que los tRNAs pueden evolucionar debido a una restricción estructural y funcional, lo cual impide la incorporación de nuevos aminoácidos en el código genético. En conjunto, nuestros estudios se han enfocado en genes que residen en el genoma no-codificante y contribuyen a la compresión de su funcionamiento.

Identifying functional elements in the non-coding genome remains a challenging task. A comparative genomic approach to this problem can help us understand how these elements evolved and give us insights into their functions. In this thesis, we focused mainly on the evolution of long non-coding RNA genes (lncRNAs) in the human lineage. These genes are known to have several key regulatory roles in development and disease making them suitable candidates for exploration. Duplication of genetic material plays a key role in the generation of novelties in genomes. Here, we hypothesized that the differences between protein-coding regions between humans and other primates might not be sufficient to explain our unique features. Therefore, using a comparative genomic approach we evaluated the contribution of lncRNA exon duplications to the human genome. We identified 62 human-specific genes that were fixed in the population and showed signs of active selection, together with tissue-specific patterns of expression. Our findings suggest that these genes might be relevant for the evolution of human-specific features and require further experimental validation. Moreover, we also studied these genes in a non-model endangered species; the Spoon-billed Sandpiper and identified 37 lncRNAs that were highly conserved in humans. Finally, we analyzed transfer RNA genes (tRNAs) between different species of bacteria and found that there is a limit to the number of tRNA identities that can evolve due to structural and functional constraints, restricting the incorporation of new amino acids into the genetic code. Taken together, our studies focused on genes that reside in the non-coding genome and contribute to the understanding of its function.