Evolución molecular de los genes del grupo Polycomb en el género Drosophila

Abstract

Las proteínas codificadas por los genes del grupo Polycomb (PcG) constituyen un sistema clave de silenciamiento epigenético. Actúan en forma de complejos multiproteicos y modulan el estado de la cromatina mediante modificaciones postraduccionales de las histonas. Los genes Polycomb están presentes en todos los grandes grupos de eucariotas desde su origen hace al menos 1000 millones de años, lo que deja clara su importancia dentro de la maquinaria de regulación de la expresión génica. No obstante, que el sistema se haya mantenido no implica que sus integrantes no hayan sufrido cambios mediados, por ejemplo, por la acción de la selección adaptativa. De hecho, los genes Polycomb tienen un gran interés evolutivo tanto por su papel clave en la regulación de la expresión génica, como por su posible participación en los procesos de especiación, ya que controlan los patrones morfogénicos durante el desarrollo embrionario. En la presente tesis doctoral se ha intentado ofrecer por primera vez una visión amplia y detallada de la evolución molecular de los genes Polycomb en el género Drosophila, empleando distintas aproximaciones pero con un denominador común: la detección de selección adaptativa. Para ello, se han analizado los patrones de variación molecular tanto a nivel interespecífico, en la filogenia de Drosophila, como a nivel intraespecífico, en la especie D. subobscura. A su vez, se han estudiado las consecuencias adaptativas de la actuación de las proteínas del grupo Polycomb formando complejos, de la duplicación de uno de sus miembros y de su acción sobre la región reguladora de uno de sus genes diana. Los resultados obtenidos muestran que las proteínas Polycomb presentan indicios claros de coevolución en el género Drosophila, tal como podía predecirse al actuar formando complejos multiproteicos. Además, la metodología utilizada predice nuevas interacciones tanto entre proteínas de un mismo complejo como entre proteínas de complejos distintos. Siete de los genes Polycomb estudiados en el género Drosophila presentan un incremento significativo de la tasa de substitución aminoacídica en el linaje ancestral de las especies del grupo obscura y, en dos de ellos (Sfmbt y E(z)) se ha podido confirmar que dicho incremento se debe a episodios puntuales de selección adaptativa. Por otra parte, se ha determinado que el gen Caf1-55 se duplicó hace ~18 millones de años en el linaje ancestral del grupo obscura y que, tras su origen, la nueva copia (Caf1-55dup) sufrió un proceso de neofuncionalización guiado por selección adaptativa. Esta selección también parece haber actuado sobre Caf1-55dup a una escala temporal más reciente, durante la divergencia de D. subobscura y D. guanche. Los niveles de polimorfismo nucleotídico de los genes Polycomb en la especie D. subobscura no muestran desviaciones significativas del neutralismo si partimos del modelo de expansión poblacional descrito para la especie, observando únicamente dos excepciones. En primer lugar, el gen Su(z)12 muestra un desajuste en la ratio de polimorfismo y divergencia en las posiciones sinónimas y no sinónimas, indicando la acción de la selección adaptativa durante la divergencia de D. subobscura y D. guanche. En segundo lugar, el gen Pho, localizado en el cromosoma puntiforme, presenta un déficit significativo de polimorfismo y un desequilibrio de ligamiento extremo, lo que sugiere que el cromosoma puntiforme de D. subobscura podría presentar la fuerte reducción de la recombinación descrita anteriormente en el cromosoma puntiforme de D. melanogaster. Por último, el análisis mediante la predicción bioinformática de elementos reguladores y la recopilación de datos experimentales ha permitido mejorar la caracterización de los Polycomb response elements (PRE) y los Initiator elements (IE) presentes en la región reguladora del gen Hox Scr, una de las dianas de las proteínas Polycomb.

The proteins encoded by the Polycomb group (PcG) genes are an important system of epigenetic silencing. They act as multiprotein complexes and modulate the chromatin state by post-translational histone modifications. Polycomb genes are present in all major groups of eukaryotes that originated at least 1000 million years ago, which indicates their importance in the gene expression regulatory machinery. However, the maintenance of the system does not imply that its members have not undergone changes mediated by the action of adaptive selection. In fact, Polycomb genes have an especial evolutionary interest both for their key role in the regulation of gene expression and for their possible participation in speciation processes, since they control the morphogenic patterns during the embryonic development. This doctoral thesis is the first attempt to offer a detailed overview of the molecular evolution of the Polycomb genes in the Drosophila genus, using different approaches but with a common goal: the detection of adaptive selection. With this aim, the patterns of molecular variation have been analyzed both at the interspecific level, in the Drosophila phylogeny, and at the intraspecific level, in D. subobscura. The results summarized in four research articles include: i) the description of the interspecific divergence of the Polycomb genes in the Drosophila genus, ii) the confirmation of coevolution among the interacting proteins that form the Polycomb complexes, iii) the identification of a new duplicated gene that has evolved under a neofunctionalization process, iv) the inference of adaptive selection at different time scales and v) the characterization of the regulatory region of the Hox gene Scr.