Contribution of transposable elements to the host shift of cactophilic Drosophila species - Oliveira, Daniel Siqueira [UNESP] (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2024)
Elementos de transposição (TEs) são componentes dinâmicos dos genomas que geram variantes estruturais e servem como fontes de diversidade genética, contribuindo significativamente para processos evolutivos. Durante a transcrição, os TEs podem interagir com genes, incorporando sua sequência no mRNA do gene por meio de iniciação/terminação da transcrição e splicing alternativo, formando os chamados transcritos quiméricos gene-TE. Nesta tese, desenvolvemos o ChimeraTE, uma nova pipeline de bioinformática projetada para detectar quimeras gene-TE, utilizando dados de RNA-seq paired-end por meio de dois modos complementares: um modo guiado por referência para alinhamento genômico canônico e um modo independente de referência, que identifica quimeras sem necessidade de um genoma de referência. Utilizando linhagens de Drosophila melanogaster, validamos o ChimeraTE e descobrimos que aproximadamente 1,12% dos genes geram transcritos quiméricos, com cerca de 23% destes TEs ausentes do genoma de referência, sugerindo que inserções recentes ou polimórficas que contribuem para a variabilidade do transcriptoma. Utilizamos essa abordagem para investigar o papel dos TEs na evolução adaptativa e na troca de hospedeiro de espécies cactofílicas de Drosophila, com foco em suas interações com genes associados à localização, aceitação e uso de hospedeiros. Considerando que a mudança de hospedeiro é um processo evolutivo que pode levar ao isolamento reprodutivo e à especiação, conduzimos análises genômicas e transcriptômicas em sete genomas de espécies de Drosophila cactofílicas para explorar como os TEs contribuem para a regulação e expressão de genes relacionados à mudança de hospedeiro. Identificamos um enriquecimento de TEs em regiões promotoras de genes associados à mudança de hospedeiro, sendo que os Helitrons representam cerca de 60% desses casos, indicando um provável papel cis-regulador dos TEs na influência sobre a expressão gênica. Análises de expressão diferencial entre espécies com diferentes preferências de hospedeiro revelaram uma notável divergência nos perfis de expressão gênica em tecidos de larvas e cabeça, que são essenciais para o reconhecimento e adaptação ao hospedeiro. Embora o impacto geral dos TEs nos níveis de expressão gênica pareça ser mínimo, aproximadamente 1,31% dos genes, incluindo aqueles ligados à preferência de hospedeiro, geram transcritos quiméricos, apontando para uma influência direta dos TEs na diversidade de transcritos. Os resultados fornecem evidências convincentes de que os TEs desempenham um papel na evolução adaptativa da troca de hospedeiro, promovendo mudanças genéticas e transcriptômicas que podem facilitar a especialização ecológica e o isolamento reprodutivo. Esta tese destaca a importância evolutiva dos TEs na promoção de novidades genéticas e enfatiza seu potencial em impulsionar a divergência adaptativa em populações naturais de Drosophila cactofílicas.

Transposable elements (TEs) are dynamic components of genomes that drive structural variation and serve as sources of genetic diversity, contributing significantly to evolutionary processes. During transcription, TEs can interact with genes incorporating their sequence into gene’s mRNA through transcription initiation/termination and alternative splicing, named as gene-TE chimeric transcripts. In this thesis, we developed ChimeraTE, a novel bioinformatics pipeline designed to detect gene-TE chimeras, using paired-end RNA-seq data through two complementary modes: a reference-guided mode for canonical genome alignment and a reference-free mode that identifies chimeras without the need for a reference genome. Using Drosophila melanogaster strains, we validated ChimeraTE and discovered that approximately 1.12% of genes generate chimeric transcripts, with around 23% of these TEs absent from the reference genome, suggesting recent or polymorphic insertions contributing to transcriptome variability. We used this approach to investigate the role of TEs in the adaptive evolution and host-shifting of cactophilic Drosophila species, focusing on their interactions with genes associated with host location, acceptance, and usage. Since host shift is a crucial evolutionary process that can lead to reproductive isolation and speciation, we conducted genomic and transcriptomic analyses across seven cactophilic Drosophila genomes to explore how TEs contribute to host-shift-related gene regulation and expression. We identified an enrichment of TEs at promoter regions of host shift-associated genes, with Helitrons representing about 60% of these cases, indicating a likely cis-regulatory role of TEs in influencing gene expression. Differential expression analyses in species with different host preferences revealed notable divergence in gene expression profiles in larvae and head tissues, which are critical to host recognition and adaptation. Although the overall impact of TEs on gene expression levels appears minimal, approximately 1.31% of genes, including those linked to host preference, generate chimeric transcripts, pointing out a direct influence of TEs on transcript diversity. The findings provide compelling evidence that TEs play a role in the adaptive evolution of host shift, fostering genetic and transcriptomic changes that may facilitate ecological specialization and reproductive isolation. This thesis underscores the evolutionary significance of TEs in promoting genetic novelty and highlights their potential to drive adaptive divergence in natural populations of cactophilic Drosophila.

Les éléments transposables (TEs) sont des composants dynamiques des génomes qui génèrent des variantes structurales et servent de sources de diversité génétique, contribuant de manière significative aux processus évolutifs. Lors de la transcription, les TEs peuvent interagir avec des gènes en intégrant leur séquence dans l’ARNm du gène par des mécanismes d’initiation/terminaison de la transcription et d’épissage alternatif, formant ainsi des transcrits chimériques gene-TE. Dans cette thèse, nous avons développé ChimeraTE, une nouvelle pipeline bioinformatique conçue pour détecter les chimères gene-TE, utilisant des données de RNA-seq paired-end à travers deux modes complémentaires : un mode guidé par référence pour l’alignement génomique canonique et un mode indépendant de référence, qui identifie les chimères sans besoin de génome de référence. En utilisant des lignées de Drosophila melanogaster, nous avons validé ChimeraTE et découvert qu’environ 1,12% des gènes produisent des transcrits chimériques, avec environ 23% de ces TEs absents du génome de référence, suggérant des insertions récentes ou polymorphiques contribuant à la variabilité du transcriptome. Nous avons utilisé cette approche pour étudier le rôle des TEs dans l’évolution adaptative et la transition d’hôte des espèces de Drosophila cactophiles, en nous concentrant sur leurs interactions avec les gènes associés à la localisation, l’acceptation et l’utilisation de l’hôte. Étant donné que le changement d’hôte est un processus évolutif crucial pouvant conduire à l’isolement reproductif et à la spéciation, nous avons mené des analyses génomiques et transcriptomiques sur sept génomes d’espèces de Drosophila cactophiles pour explorer comment les TEs contribuent à la régulation et à l’expression des gènes liés au changement d’hôte. Nous avons identifié un enrichissement de TEs dans les régions promotrices des gènes associés au changement d’hôte, les Helitrons représentant environ 60% de ces cas, ce qui indique un rôle cis-régulateur probable des TEs dans l’influence sur l’expression génique. Des analyses d’expression différentielle entre des espèces avec différentes préférences d’hôte ont révélé une divergence notable dans les profils d’expression génique dans les tissus de larves et de tête, essentiels à la reconnaissance et à l’adaptation à l’hôte. Bien que l’impact global des TEs sur les niveaux d’expression génique semble minime, environ 1,31% des gènes, y compris ceux liés à la préférence d’hôte, génèrent des transcrits chimériques, soulignant une influence directe des TEs sur la diversité des transcrits. Les résultats fournissent des preuves convaincantes que les TEs jouent un rôle dans l’évolution adaptative liée au changement d’hôte, en favorisant des modifications génétiques et transcriptomiques qui peuvent faciliter la spécialisation écologique et l’isolement reproductif. Cette thèse souligne l’importance évolutive des TEs dans la promotion de nouvelles variations génétiques et met en avant leur potentiel à stimuler la divergence adaptative dans les populations naturelles de Drosophila cactophiles.
Contribution des éléments transposables au changement d’hôte des espèces de Drosophila cactophiles
Contribuição dos elementos de transposição na mudança de hospedeiro em espécies de Drosophila cactofílicas
Keywords: Elementos de transposição; Mudança de hospedeiro; Adaptação; Transcritos quiméricos; Transposable elements; Host shift; Adaptation; Chimeric transcripts; Eléments transposable; Changement de hôte; Transcripts chimériques