Evolució cromosòmica en mamífers: cariotips ancestrals i punts de trencament evolutius

Abstract

Per a poder entendre la dinàmica evolutiva dels genomes és imprescindible conèixer com estan organitzats els cromosomes de les diferents espècies i determinar quins tipus de reorganitzacions cromosòmiques estan implicades en els processos d’especiació i en esdeveniments macroevolutius que afecten als grans grups taxonòmics. És per això que en aquesta tesi ens hem plantejat definir el cariotip ancestral de mamífers, amniotes i tetràpodes per a poder determinar les regions conservades (Homologous Syntenic Blocks, HSBs) i les regions de trencament evolutiu (Evolutionary Breakpoint Regions, EBRs) partint del genoma humà com a referència. Gràcies a la inclusió del genoma d’espècies outgroup (granota i gall), hem pogut millorar el cariotip ancestral de tetràpodes i amniotes, definint noves associacions sintèniques com a caràcters sinapomòrfics dels amniotes i dels mamífers. Igualment, hem analitzat la distribució de les EBRs en el genoma humà, veient que aquestes regions no estan distribuïdes a l’atzar i un 20% d’elles han estat re-utilitzades al llarg de l’evolució. Hem relacionat la distribució de les EBRs amb l’abundància de seqüències repetitives en el genoma humà, trobant un enriquiment de repeticions en tàndem en aquestes EBRs i una co-localització amb certs elements mòbils o transponibles (AAAT-Alus). A més a més, hem estudiat el paper del constrenyiment selectiu sobre el manteniment de les regions conservades i hem vist que certes reorganitzacions cromosòmiques no es troben en la natura ja que disrupcions en les regions afectades provocarien canvis d’expressió gènica possiblement letals per la progènie. Finalment, hem estudiat el paper de les reorganitzacions cromosòmiques en el procés d’especiació, on hem posat de manifest que regions genòmiques implicades en inversions són regions de baixa recombinació en relació a les regions no reorganitzades i per tant podrien donar lloc a un procés d’aïllament reproductiu per l’acúmul d’incompatibilitats genètiques en els híbrids. Per poder explicar les nostres observacions hem proposat un model on la presència d’heterocariotips flotants en el node d’especiació provocaria una supressió de recombinació en les regions invertides encara observable en les espècies actuals.

The study of the genome organization as well as how chromosomal reorganizations are involved in speciation and adaptation processes are the key points to better understand the evolutionary dynamics of vertebrate genomes and their inter- and intra-specific phylogenetic relationships. In this thesis we described the ancestral karyotype for mammals, amniotes and tetrapods in order to determine the homologous synteny blocks (HSBs) and evolutionary breakpoint regions (EBRs) in the human genome. Using the chicken and frog genomes as outgroups, we were able to improved previously described ancestral karyotypes for tetrapods and amniotes and we defined new syntenic associations as an amniote or mammal synapomoprhies. We also analysed the distribution of EBRs in the human genome, showing that EBRs are not randomly distributed and 20% are reused during the evolutionary period. The distribution of EBRs is related to the abundance of repetitive sequences, exhibiting an enrichment of specific tandem repeats in EBRs and co-localizing with mobile elements (AAAT-Alu). Furthermore, we studied the selective constrain on the maintenance of conserved regions. We observed that certain reorganizations are not found in natural populations because disruptions of the regions involved in reorganizations would lead to changes in gene expression probably lethal for the progeny. Finally, we studied the relation between chromosomal reorganizations and speciation. We showed that regions affected by reorganizations have lower recombination rates than regions not rearranged, thus, an increase of genic incompatibilities in these regions could lead to reproductive isolation by the existence of a barrier of gen flow. In order to explain our observations we proposed the floating heterokaryotypes model, where the presence of heterokaryotypes in the speciation node resulted on a suppression of recombination in the rearranged regions, which is still detected on the extant species.