Impact of stress in gene and Transposable Element expression in Drosophila

Abstract

Els elements transponibles (TEs) són seqüències d'ADN repetitives que es poden moure d'un lloc a l'altre al genoma de l'hoste. Tot i que les noves insercions de TEs solen ser perjudicials per a l'organisme, algunes també poden ser beneficioses. Quan aquests canvis es produeixen a la línia germinal, poden ser heretats en les següents generacions, portant a l'evolució de l'hoste. No obstant això, organismes com Drosophila han desenvolupat mecanismes que involucren piRNA derivats de TEs per protegir-se dels seus efectes negatius. Diferents estressos poden conduir a l'activació de famílies específiques de TEs. Per exemple, creuaments interespecífiques entre Drosophila buzzatii i Drosophila koepferae produeixen híbrids amb problemes de fertilitat i un augment de les taxes de transposició. Estudis recents van observar que l'activació de TEs als ovaris d'aquests híbrids només es podria explicar parcialment per una expressió gènica divergent als gens de la ruta dels piRNAs i les quantitats de piRNA entre espècies parentals, cosa que suggereix que altres mecanismes podrien conduir a l'activació de TEs. Un altre estrès que amb controvèrsia ha estat relacionat amb l'activació de TE a Drosophila és l'estrès tèrmic, el qual és de gran importància considerant l'escalfament global a causa del canvi climàtic. Aquest estrès també és conegut per l'activació de diversos gens induïts per la calor, principalment proteïnes de xoc tèrmic, i per la repressió d'altres gens. Drosophila subobscura és una espècie originària de la regió Paleàrtica, que recentment ha colonitzat Amèrica del Sud i del Nord i té un ric polimorfisme d'inversions amb clines latitudinals. D'altra banda, la relació entre els canvis als nivells de Hsp70 trobada en estudis previs en condicions no estressants, i les inversions del cromosoma O no han estat concloent. En aquest treball avaluem com les diferències en els epigenomes gonadals entre les espècies parentals D. buzzatii i D. koepferae poden explicar les diferències en l'expressió en híbrids. Globalment, demostrem una tendència cap a la subexpressió de gens i famílies de TE als ovaris d'híbrids, a més d'una alta conservació epigenòmica entre les espècies parentals i híbrids. Tot i això, detectem alguns canvis epigenòmics en els híbrids en comparació amb les espècies parentals que podrien explicar l'expressió gènica i de TEs observada en híbrids. També detectem mecanismes addicionals, com ara la divergència regulatòria entre les espècies parentals, que podrien contribuir a les diferències en l'expressió gènica dels híbrids. Posteriorment, estudiem l'efecte de l'estrès per calor al transcriptoma de dues poblacions de D. subobscura d'origen geogràfic diferent. La comparació de l'expressió genòmica entre poblacions, en condicions no estressants, va mostrar diferències en l'expressió de gens probablement involucrats en l'adaptació de les poblacions a diferents ambients. També hi trobem una tendència cap a la sobreexpressió de gens després de l'estrès per calor, principalment gens de proteïnes de xoc tèrmic i una resposta sexe-específica a l'estrès per calor. Es va detectar una activació d'algunes famílies específiques de TE a la línia germinal de les dues poblacions de D. subobscura després de l'estrès per calor, a més de canvis en la producció de grups de piRNA i en les quantitats de siRNA i piRNA associades a famílies TE específiques. No obstant això, no vam poder relacionar directament aquests petits canvis d'ARN amb l'activació de TE observada, cosa que suggereix que mecanismes addicionals influeixen l'expressió de TE després de l'estrès per calor. Globalment, els nostres resultats donen suport a que l'expressió de gens i TE després de l'estrès genòmic i tèrmic en la línia germinal és un fenomen complex que involucra una interacció entre múltiples factors.

Los Elementos Transponibles (TE) son secuencias de ADN repetitivas que pueden moverse de un lugar a otro en el genoma del huésped. Aunque las nuevas inserciones de TEs suelen ser perjudiciales para el organismo, algunas de ellas también pueden ser beneficiosas. Cuando estos cambios se producen en la línea germinal, pueden ser heredados en las siguientes generaciones, llevando a la evolución del huésped. No obstante, organismos como Drosophila han desarrollado mecanismos que involucran piRNAs derivados de TEs para protegerse de sus efectos negativos. Diferentes estreses pueden conducir a la activación de familias específicas de TEs. Por ejemplo, los cruces interespecíficos entre Drosophila buzzatii y Drosophila koepferae producen híbridos con problemas de fertilidad y un aumento de las tasas de transposición. Estudios recientes observaron que la activación de TEs en los ovarios de estos híbridos solo podría explicarse parcialmente por una expresión génica divergente en los genes de la ruta de los piRNAs y las cantidades de piRNA entre especies parentales, lo que sugiere que otros mecanismos podrían conducir a la activación de TEs. Otro estrés controversialmente relacionado con la activación de TEs en Drosophila es el estrés térmico, el cual es de gran importancia considerando el calentamiento global debido al cambio climático. Este estrés también se conoce por la activación de varios genes inducidos por el calor, principalmente proteínas de choque térmico, y por la represión de otros genes. Drosophila subobscura es una especie originaria de la región Paleártica, que recientemente ha colonizado América del Sur y del Norte y tiene un rico polimorfismo de inversiones con clinas latitudinales. Por otro lado, la relación entre los cambios en los niveles de Hsp70 encontrada en estudios previos en condiciones no estresantes, y las inversiones del cromosoma O no han sido concluyente. En este trabajo, evaluamos cómo las diferencias en los epigenomas gonadales entre las especies parentales D. buzzatii y D. koepferae pueden explicar las diferencias en la expresión en híbridos. Globalmente, demostramos una tendencia hacia la subexpresión de genes y familias de TEs en los ovarios de híbridos, además de una alta conservación epigenómica entre las especies parentales y híbridos. Sin embargo, detectamos algunos cambios epigenómicos en los híbridos en comparación con las especies parentales que podrían explicar la expresión génica y de TEs observada en híbridos. También detectamos mecanismos adicionales, como la divergencia regulatoria entre las especies parentales, que podrían contribuir a las diferencias en la expresión génica de los híbridos. Posteriormente, estudiamos el efecto del estrés por calor en el transcriptoma de dos poblaciones de D. subobscura de origen geográfico diferente. La comparación de la expresión genómica entre poblaciones, en condiciones no estresantes, mostró diferencias en la expresión de genes probablemente involucrados en la adaptación de las poblaciones a diferentes ambientes. También encontramos una tendencia hacia la sobreexpresión de genes después del estrés por calor, principalmente genes de proteínas de choque térmico y una respuesta sexo-específica al estrés por calor. Se detectó una activación de algunas familias específicas de TEs en la línea germinal de ambas poblaciones de D. subobscura después del estrés por calor, además de cambios en la producción de grupos de piRNA y en las cantidades de siRNA y piRNA asociadas a familias TE específicas. Sin embargo, no pudimos relacionar directamente estos pequeños cambios de ARN con la activación de TEs observada, lo que sugiere que mecanismos adicionales influyen la expresión de TEs después del estrés por calor. Globalmente, nuestros resultados respaldan que la expresión de genes y TEs después del estrés genómico y térmico en la línea germinal es un fenómeno complejo que involucra una interacción entre múltiples factores.

Transposable Elements (TEs) are repetitive DNA sequences that can move from one location to another in the host genome. New TE insertions are usually detrimental for the organism. However, some TE insertions can also be beneficial by developing novel functions in the host genomes. When these changes are produced in the germline, they can be inherited in next generations, leading to the host evolution. Nonetheless, organisms as Drosophila also developed mechanisms involving TE-derived piRNAs to protect themselves from the negative TE effects. It is known that different stresses can lead to the activation of specific TE families. For example, interspecific crosses between Drosophila buzzatii and Drosophila koepferae species produce hybrids with fertility problems and an increase of transposition rates. Recent studies observed that TE activation in these F1 hybrid ovaries could only be partially explained by a divergent piRNA pathway gene expression and piRNA pools between parental species, suggesting that other additional mechanisms could lead to the observed hybrid TE activation. Another stress controversially related to TE activation in Drosophila is the heat stress, which is of great importance considering the global warming due to the climate change. This stress is also known by activating several heat-induced genes, mainly heat shock proteins, and by repressing other genes. Drosophila subobscura is a species native of the Palearctic region, which has recently colonized South and North America and has a rich inversion polymorphism with latitudinal clines, making it of high interest to monitor temperature increases. On the other hand, the relationship between changes in Hsp70 (O chromosome heat shock protein) levels found in previous studies in non-stressful conditions, and the O arrangements has not been conclusive, making difficult at molecular level to establish a correlation between temperature and chromosomal arrangements. In this work, we first evaluated how differences in gonadal epigenomes between parental species D. buzzatii and D. koepferae can explain differences in F1 hybrid expression, being the first epigenomic study in Drosophila hybrids. Globally, we demonstrate a trend towards underexpression of genes and TE families in hybrids in addition to high epigenomic conservation between parental species and their hybrid ovaries. However, we detected some hybrid epigenomic changes in comparison to the parental species that could explain the observed hybrid gene and TE expression. We also detected additional mechanisms, such as regulatory divergence between parental species, that could contribute to parental-hybrid gene expression differences. We subsequently studied the effect of heat stress on the transcriptome of two different geographic origin D. subobscura populations, being this work the first D. subobscura global transcriptomic study under normal and heat stress conditions. The comparison of the genomic expression between populations, in non-stressful conditions, showed differences in gene expression likely involved in the adaptation of the populations to different environments, and a higher TE activation in the Curicó colonizer population. We also found a trend towards overexpression of genes after heat stress, mainly heat shock protein genes, and a sex-specific response to heat stress. An activation of a few specific TE families in the germline of both D. subobscura populations after heat stress, in addition to changes in piRNA cluster production, and in the siRNA and piRNA amounts associated to specific TE families was also detected. However, we could not directly relate these small RNA changes with the observed TE activation, suggesting additional mechanisms influencing TE expression after heat stress. Globally all our results support that TE activation and repression after genomic and thermal stress in the germline is a complex phenomenon involving an interplay between multiple factors.