Desvendando a arquitetura genômica de peixes Megaleporinus: análise de sequências repetitivas e seu impacto nos sistemas sexuais das espécies - Crepaldi, Carolina [UNESP] (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2024)
A caracterização da porção repetitiva do material genético pode trazer informações sobre a composição e a estrutura genômica de uma espécie, bem como sobre os mecanismos envolvidos na evolução de seu genoma e no aparecimento de inovações genéticas, como os cromossomos sexuais, por exemplo. Uma característica intrínseca à evolução de cromossomos sexuais é o acúmulo de DNAs repetitivos, como DNAs satélites (satDNAs) e elementos transponíveis (TEs), envolvidos em sua diferenciação e diversificação em vertebrados. Cromossomos sexuais se apresentam como entidades dinâmicas dentro de um genoma, com evolução, morfologia e conteúdo genéticos únicos. Estes elementos específicos evoluíram de maneiras independentes dentro de linhagens de vertebrados, se apresentando nos mais diversos sistemas, especialmente em peixes, anfíbios e répteis. O presente trabalho teve como objetivo buscar descrever o conteúdo repetitivo em espécies de peixes neotropicais relacionados com diferentes sistemas de cromossomos sexuais: Megaleporinus elongatus (Z1Z1Z2Z2/Z1W1Z2W2), Megaleporinus macrocephalus (ZZ/ZW) e Leporinus friderici (sem cromossomos sexuais heteromórficos). Assim, nosso foco foi investigar as diferenças interespecíficas destas sequências, avaliando suas possíveis contribuições para a evolução genômica e de cromossomos sexuais. Para isto, associamos o uso de plataformas de Sequenciamento de Próxima Geração (NGS) com análises de bioinformática para um acesso mais refinado ao genoma das espécies, permitindo a anotação destes DNAs repetitivos, avaliação de suas dinâmicas e evolução, bem como a distribuição física de satDNAs nos cromossomos. Primeiramente caracterizamos e descrevemos o satelitoma (conjunto de famílias de satDNAs) de Megaleporinus elongatus (CAPÍTULO 1), onde comparamos as composições de satDNAs entre os sexos da espécie. Constatamos que apesar de possuir o cromossomo sexual altamente diferenciado e heterocromático, a fêmea não apresenta uma diversidade de famílias tão maior do que o macho – ambos possuem uma alta diversidade de famílias enviesadas para seus genomas em comparação ao outro sexo. Constatamos então que foi o acúmulo e a expansão de apenas algumas famílias mais abundantes na fêmea que levou à alta diferenciação do cromossomo sexual, e não necessariamente a presença de uma grande diversidade de satDNAs diferentes ancorados a esse cromossomo. A história evolutiva das duas sequências mais abundantes também dita como suas cópias se expandiram de maneiras diferentes entre M. elongatus e M. macrocephalus. Estes dados corroboraram a hipótese de composições diferentes e evolução espécie-específica para satDNAs, mesmo entre espécies próximas, e, neste caso, com cromossomos sexuais heteromórficos. Em seguida, avaliamos a composição de elementos transponíveis (TEs) (CAPÍTULO 2) para a descrição e a comparação dos mobilomas de fêmeas de M. elongatus e M. macrocephalus juntamente de uma terceira espécie, Leporinus friderici, completando três sistemas sexuais diferentes entre si. Concluímos que apesar da diversidade de famílias de TEs ser relativamente semelhante entre os três genomas, as dinâmicas de invasão e amplificação destas sequências também são espécie-específicas. Eventos de expansão foram particulares de cada genoma estudado, e a expansão rápida e massiva de TEs ocorreu em um período evolutivo curto, especialmente após a separação das espécies e o surgimento dos cromossomos sexuais em Megaleporinus. Os dados obtidos nesta tese fornecem mais informações sobre as características e a organização de satDNAs e transposons e suas respectivas dinâmicas nas espécies estudadas, bem como sua distribuição, incidência e influência ao longo da evolução dos cromossomos sexuais do grupo.

The characterization of the repetitive portion of the generic material can provide information about the composition and genomic structure of a species, as well as the mechanisms involved in the evolution of its genome and the emergence of genetic innovations, such as sexual chromosomes. An intrinsic feature in the evolution of sexual chromosomes is the accumulation of these repetitive DNAs, such as satellite DNAs (satDNAs) and transposable elements (TEs), which are involved in their differentiation and diversification in vertebrates. Sex chromosomes present themselves as dynamic entities within a genome, with unique evolution, morphology, and genetic content. These specific elements have evolved independently within vertebrate lineages, appearing in various systems, especially in fish, amphibians, and reptiles. The present work aimed to describe the repetitive content in related neotropical fish species with different sexual chromosome systems: Megaleporinus elongatus (Z1Z1Z2Z2/Z1W1Z2W2), Megaleporinus macrocephalus (ZZ/ZW), and Leporinus friderici (without heteromorphic sexual chromosomes). Thus, our focus was to investigate interspecific differences in these sequences, evaluating their possible contributions to genomic and sexual chromosome evolution. To achieve this, we employed Next-Generation Sequencing (NGS) platforms along with bioinformatics analyses for a more refined access to the species' genomes, allowing the annotation of these repetitive DNAs, assessment of their dynamics and evolution, as well as the physical distribution of satDNAs on chromosomes. Firstly, we characterized and described the satellitome (the whole set of satDNA families) of Megaleporinus elongatus (CHAPTER 1), comparing the satDNA composition between the sexes. Despite having a highly differentiated and heterochromatic sex chromosome, the female does not exhibit a significantly greater diversity of families than the male – both have equally high diversity of sex-biased satDNAs families. We then observed that the accumulation and expansion of only a few more abundant families in the female led to the extreme differentiation of the sex chromosome, not necessarily the presence of a larger diversity of different satDNAs anchored to this chromosome. The evolutionary history of the two most abundant sequences also dictated how their copies expanded differently between M. elongatus and M. macrocephalus. These data supported the hypothesis of different compositions and species-specific evolution for satDNAs, even among closely related species, and, in this case, with heteromorphic sex chromosomes. Next, we evaluated the composition of transposable elements (TEs) (CHAPTER 2) for the description and comparison of the mobilomes of M. elongatus and M. macrocephalus females, along with a third species, Leporinus friderici, representing three distinct sex chromosome systems. We concluded that despite the relatively similar diversity of TE families among the three genomes, the dynamics of invasion and amplification of these sequences are also species-specific. Expansion events are unique to each studied genome, and the rapid and massive expansion of TEs occurred in a short evolutionary period, especially after the separation of species and the emergence of sexual chromosomes in Megaleporinus. The data obtained in this thesis provide more information about the characteristics and organization of satDNAs and transposons and their respective dynamics in the studied species, as well as their distribution, incidence, and influence throughout the evolution of the sex chromosomes in the group.
Unraveling the genomic structure of Megaleporinus fish: studying repetitive sequences and how they affect the species' sexual systems
Keywords: Citogenômica; Elementos repetitivos; Elementos transponíveis; SatDNAs; Cromossomos sexuais heteromórficos; Cytogenomics; Repetitive elements; Transposable elements; Genome evolution; Heteromorphic sex chromosomes