Deciphering the molecular and phenotypic effects of a Drosophila melanogaster transposable element located in a unique insertional cluster

Abstract

Understanding how organisms adapt to their environment remains an open question in Biology. So far, most projects focus on the study of single nucleotide polymorphism variants, while other types of mutations, likely to play a role in adaptation, are largely ignored. Far instance, the effects of transposable elements (TE), which are potent mutagens that introduce genomic variability in natural populations sometimes driving phenotypic adaptations to environmental conditions, are not so well studied. The aim of this work was to characterize the ecological adaptive effects of the Drosophila melanogaster roo insertion FBti0019985, which is located in the 5'UTR of the transcription factor CG18446. To that end, we studied its possible phenotypic effects and investigated the molecular mechanisms behind those functional changes.

First, we discovered that besides FBti0019985, the CG18446 prometer region harbours 19 independent roo insertions. The presence of these recurrent roo insertions in the CG18446 promoter region is likely to be the result of several bursts of transposition. We suggest that chromatin accessibility could be one of the factors explaining the multiple insertions. We also investigated whether the identified insertions were functionally equivalent by performing S'RACE, gene expression, and cold-stress survival experiments. We found that only FBti00 19985 was associated with CG18446 up-regulation in embryos and with increased viability in nonstress and under cold-stress conditions.

Second, we further studied the molecular and phenotypic effects of FBti00 19985 in different developmental stages and under different stress conditions. Performíng gene expression analysis and in vivo enhancer reporter assays we found that FBti0019985 drives the expression of its nearby gene CG18446 depending on both the developmental stage and the environmental conditions. We associated the presence of FBti0019985 with CG18446 down­ regulation. However, in embryos under nonstress conditions and in guts under immune-stress, FBti0019985 caused a CG18446 up-regulation. lndeed, we associated this up-regulation with an enhancer activity of the element under these specific contexts. Finally, with the generation of mutant strains with FBti0019985 deletions in O. melanogaster natural populations using the CRISPR/Cas9-mediated homology-directed repair technique, we could also associate the presence of FBti0019985 with tolerance to P. entomophila infection.

Overall, this work gives more evidences of the role of TEs in relevant adaptive traits . Moreover, it also reflects the importance of considering the effect of a candidate adaptive insertion under different contexts to fully characterize its adaptive consequences.

Entender como los organismos se adaptan a su ambiente es aún una pregunta abierta en biología. Hasta ahora, muchos proyectos se han centrado en el estudio de polimorfismos de nucleótidos simples {SNPs), mientras que otros tipos de mutaciones, que probablemente tengan un rol importante en la adaptación, han sido ignorados. Por ejemplo, los efectos de los transposones, que son potentes mutágenos que introducen variabilidad genómica en poblaciones naturales y, a veces, provocan adaptaciones fenotípicas al ambiente, no están tan bien estudiados. El objetivo de este trabajo ha sido caracterizar los efectos adaptativos del transposón de la familia roo FBti0019985, presente en Drosophila melanogaster. Este transposón está insertado en la región 5'UTR del factor de transcripción CG18446. Hemos estudiado sus posibles efectos fenotípicos y hemos investigado los mecanismos moleculares detrás de estos cambios funcionales.

Primero, hemos descubierto que, a parte del transposón FBti0019985, la región promotora del gen CG18446 contiene 19 inserciones independientes de la familia roo. La presencia de estas inserciones recurrentes en la región promotora de CG18446 puede ser el resultado de varios estallidos de transposición. Sugerimos que la accesibilidad de la cromatina puede ser uno de los factores que explicarían las múltiples inserciones encontradas. También hemos investigado si los transposones identificados eran funcionalmente equivalentes haciendo análisis de expresión y experimentos de supervivencia bajo estrés por frío. Hemos encontrado que solamente el transposón FBti00 19985 está asociado con una sobreexpresión del gen CG18446 en embriones y con un incremento de la viabilidad en condiciones normales y de estrés por frío.

Segundo, hemos estudiado en detalle los efectos moleculares y fenotípicos del transposón FBtiO0 19985 en diferentes estadios del desarrollo y bajo diferentes condiciones de estrés. Haciendo análisis de expresión y ensayos de potenciación in vivo, hemos encontrado que FBti0019985 potencia la expresión del gen CG18446 dependiendo del estadio embrionario y de las condiciones ambientales. Hemos asociado la presencia de FBti0019985 con una reducción de la expresión de CG18446. En cambio, en embriones en condiciones normales y en intestinos bajo estrés por infección, FBti0019985 causa una sobreexpresión de CG18446. De hecho, hemos asociado esta sobreexpresión con una actividad potenciadora del transposón en estos mismos contextos. Finalmente, con la generación de cepas mutantes sin FBti0019985 usando la técnica CRISPR/Cas9, también hemos podido asociar la presencia de este transposón con tolerancia a la infección con s.

En general, este trabajo aporta más evidencias sobre el rol de los transposones en rasgos adaptativos. Además, también refleja la importancia de considerar el efecto de las inserciones candidatas de tener un rol adaptativo bajo diferentes contextos para caracterizar completamente sus consecuencias adaptativas.