Desregulação de genes e elementos de transposição e incompatibilidade híbrida entre subespécies de Drosophila mojavensis e D. arizonae
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Data
2020-05-13
Autores
Banho, Cecilia Artico
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Editor
Universidade Estadual Paulista (Unesp)
Resumo
Hibridização interespecifica é uma condição de estresse que pode levar à esterilidade ou à inviabilidade devido à desregulação de genes e elementos de transposição (TEs), particularmente em espécies do gênero Drosophila com grande tempo de divergência. Contudo, a extensão dessas anormalidades em híbridos de espécies com tempo de divergência recente ainda não é bem compreendida. Drosophila mojavensis e D. arizonae são um bom sistema biológico para investigar essa questão uma vez que a divergência entre elas foi relativamente recente (~1,5 milhões de anos atrás), apresentam diferentes graus de isolamento reprodutivo, e são capazes de produzir híbridos em laboratório. A fim de verificar a ocorrência e o grau da incompatibilidade híbrida, neste estudo, foram realizadas análises fenotípicas para estimar parâmetros da história de vida de descendentes de cruzamentos intra e interespecíficos, bem como análises de expressão diferencial de genes e TEs que possam estar envolvidos no isolamento reprodutivo, por meio de análises de RNA-Seq, de parentais e híbridos. Todos os híbridos apresentaram menor viabilidade em comparação aos descendentes de cruzamentos intraespecíficos, como também todos os híbridos machos dos cruzamentos entre fêmeas D. mojavensis vs machos D. arizonae apresentaram espermatozoides móveis, enquanto que nos cruzamentos recíprocos, 75% dos híbridos apresentaram espermatozoides imóveis. As análises fenotípicas mostraram ausência de disgenesia gonadal em machos e fêmeas, bem como fertilidade em 100% das fêmeas híbridas. Contudo, apenas 50% dos híbridos com motilidade espermática foram férteis. As análises do transcriptoma evidenciaram expressão conservativa para a maioria dos genes e famílias de TEs em ovários de híbridos em relação às espécies parentais. Em testículos, por outro lado, menor número de genes e TEs tiveram expressão conservada, sendo observada uma tendência à superexpressão de TEs e subexpressão de genes. Além disso, foi verificado que híbridos sem motilidade espermática, provenientes de cruzamentos entre fêmeas D. arizonae vs machos D. mojavensis apresentaram maior número de genes desregulados que aqueles com espermatozóides móveis, e que a maioria desses genes estavam subexpressos e apresentaram funções relacionadas à espermatogênese, de acordo com análises de ontologia. O sistema de regulação pós-transcricional parece falhar no controle da expressão de TEs superexpressos em ovários e testículos, mesmo quando piRNAs estão presentes na linhagem materna. Isso evidencia que outros mecanismos podem estar relacionados à desregulação dos TEs nos tecidos reprodutivos de híbridos entre D. arizonae e D. mojavensis. Dentre esses mecanismos pode-se sugerir a desregulação de alguns genes envolvidos na via de piRNAs, e de modifição de cromatina, como observado em testículos. Contudo, o mesmo não pode ser sugerido para ovários, uma vez que nessa gônada a expressão desses genes não estava desregulada. Em síntese, este estudo mostra que testículos de híbridos entre D. arizonae e D. mojavensis apresentam maior expressão diferencial de genes e de TEs em relação aos parentais do que em ovários e que, embora piRNAs estejam presentes para muitos dos TEs desregulados, eles não são capazes de controlar sua expressão, o que pode estar ligado ao fenótipo de esterilidade demostrado pelos parâmetros de história de vida analisados nestes híbridos.
Interspecific hybridization is a stress condition that can lead to sterility and/or inviability, by misregulation of genes and transposable elements (TEs) in Drosophila species with high divergence time. However, the extent of these anomalies in hybrids of recently diverged species is not clear. Drosophila mojavensis and D. arizonae are a useful biological system for such investigation, once they diverged recently (~1.5 m.y.a), have variable degrees of reproductive isolation and can produce hybrids in laboratory. In order to verify the occurrence and degree of hybrid incompatibility, in this study, the life history parameters of offspring of intra and interspecific crosses were estimated, as well as the differential expression of genes and TEs that may be involved in reproductive isolation, through RNA-Seq analyses of parental and hybrids. All hybrids had a decrease in viability compared to intraspecific offspring as well as all hybrid males from crosses between D. mojavensis females and D. arizonae males presented motile sperm, while in the reciprocal crosses 75% of the hybrids had immotile sperm. Phenotypic analyses showed no gonad dysgenesis and fertility in 100% of hybrid females, however, only 50% of males with mobile sperm were fertile. The analyses of the transcriptome showed that most of the genes and TE families had conservative expression related to the parental lines in hybrid ovaries. In testes, on the other hand, a less conservative gene and TE expression was found, since a bias for TE overexpression and gene underexpression was observed. Moreover, it was verified that hybrids presenting immotile sperm, from crosses between D. arizonae females and D. mojavensis males, have more misexpressed genes than those with motile sperm, and most of the deregulated genes were underexpressed, having spermatogenesis-related functions, according to GO enrichment. The post-transcriptional regulation system seems to fail to control the expression of overexpressed TEs in ovaries and testes, even when piRNAs are present in the maternal lines and hybrids, which suggests that other factors could be underlying TE up- regulation in reproductive tissues of hybrids between D. arizonae and D mojavensis. Among these mechanisms, divergent expression of genes involved in the piRNA pathway, as well as, chromatin modification genes, in the hybrid testes, should be highlighted. However, the same cannot be suggested for ovaries, since in this gonad the expression of these genes was not deregulated. In summary, this study shows that testes of hybrids between D. arizonae and D. mojavensis have greater differential expression of genes and TEs in relation to parental species than in ovaries. In addition, it shows that although piRNAs are present for many of the unregulated TEs, they are not able to control their expression, which may be linked to the sterility phenotype shown by the life history parameters estimated in these hybrids.
L'hybridation interspécifique est une condition de stress qui peut conduire à des hybrides stériles ou non viables, en raison de la dérégulation des gènes et des éléments transposables (ET), en particulier chez les hybrides entre espèces du genre Drosophila ayant un long temps de divergence. Cependant, l’ampleur de ces anomalies chez les hybrides d'espèces ayant un temps de divergence récent n'est pas encore bien comprise. Drosophila mojavensis et D. arizonae constituent un bon système biologique pour étudier cette question car le temps de divergence est relativement récent (~1,5 m. a.). En plus, ces espèces présentent différents degrés d'isolement reproducteur et sont capables de produire des hybrides en laboratoire. Afin de vérifier l'occurrence et le degré d'incompatibilité des hybrides, nous avons mesuré les traits d’histoire de vie des descendants de croisements intra et interspécifiques, ainsi que l'expression différentielle des gènes et des ET qui peuvent être impliqués dans l'isolement reproducteur. Les analyses phénotypiques ont montré que tous les hybrides présentaient une viabilité inférieure aux descendants des croisements intraspécifiques. Les analyses de la motilité des spermatique ont montré que tous les hybrides mâles issus de croisement entre femelle D. mojavensis et mâle D. arizonae croisés avaient des spermatozoïdes mobiles, alors que dans le croisement réciproque, 75% des hybrides avaient des spermatozoïdes immobiles. Les analyses de fertilité des hybrides n'ont montré aucune dysgénésie gonadique chez les mâles et les femelles et une fertilité de 100% chez les hybrides femelles. Cependant, seulement 50% des hybrides males ayant la motilité des spermatozoïdes étaient fertiles. Les analyses RNASeq ont montré que la plupart des gènes et des familles d'ET présentaient une expression conservée par rapport aux espèces parentales dans les ovaires des hybrides. Dans les testicules, en revanche, moins de gènes et de ET ont une expression de type conservé et on observe une tendance à la surexpression des ET et à la sous- expression des gènes. En outre, il a été observé que les hybrides sans motilité des spermatozoïdes (issus de croisements entre les femelles D. arizonae et les mâles D. mojavensis) présentaient un nombre plus élevé de gènes dérégulés que ceux avec des spermatozoïdes mobiles, et que la majorité de ces gènes étaient sous-exprimés et présentaient des fonctions liées à la spermatogenèse. Le système de régulation post-transcriptionnel semble ne pas être efficace dans le contrôle de l'expression des ET qui sont surexprimées dans les ovaires et les testicules, même quand des piRNA sont présents dans la lignée maternelle. Cela montre que d'autres mécanismes peuvent être liés à la dérégulation des ET dans les tissus reproducteurs des hybrides entre D. arizonae et D. mojavensis. Parmi ces mécanismes, on peut suggérer la dérégulation de certains gènes impliqués dans la voie des RNAi, et la modification de la chromatine, telle qu'observée dans les testicules. Cependant, on ne peut pas en dire autant des ovaires, car dans ce tissu, l'expression de ces gènes n'a pas été dérégulée. En résumé, cette étude montre que les testicules des hybrides entre D. arizonae et D. mojavensis présentent une expression différentielle des gènes et des ET plus importante par rapport à celle des parents que les ovaires et que, bien que des piARN soient présents pour un grand nombre des ET dérégulés, ils ne semblent pas être capables de contrôler leur expression. Ceci qui peut être associé au phénotype de stérilité observé pour les traits d'histoire de vie analysés chez les hybrides.
Interspecific hybridization is a stress condition that can lead to sterility and/or inviability, by misregulation of genes and transposable elements (TEs) in Drosophila species with high divergence time. However, the extent of these anomalies in hybrids of recently diverged species is not clear. Drosophila mojavensis and D. arizonae are a useful biological system for such investigation, once they diverged recently (~1.5 m.y.a), have variable degrees of reproductive isolation and can produce hybrids in laboratory. In order to verify the occurrence and degree of hybrid incompatibility, in this study, the life history parameters of offspring of intra and interspecific crosses were estimated, as well as the differential expression of genes and TEs that may be involved in reproductive isolation, through RNA-Seq analyses of parental and hybrids. All hybrids had a decrease in viability compared to intraspecific offspring as well as all hybrid males from crosses between D. mojavensis females and D. arizonae males presented motile sperm, while in the reciprocal crosses 75% of the hybrids had immotile sperm. Phenotypic analyses showed no gonad dysgenesis and fertility in 100% of hybrid females, however, only 50% of males with mobile sperm were fertile. The analyses of the transcriptome showed that most of the genes and TE families had conservative expression related to the parental lines in hybrid ovaries. In testes, on the other hand, a less conservative gene and TE expression was found, since a bias for TE overexpression and gene underexpression was observed. Moreover, it was verified that hybrids presenting immotile sperm, from crosses between D. arizonae females and D. mojavensis males, have more misexpressed genes than those with motile sperm, and most of the deregulated genes were underexpressed, having spermatogenesis-related functions, according to GO enrichment. The post-transcriptional regulation system seems to fail to control the expression of overexpressed TEs in ovaries and testes, even when piRNAs are present in the maternal lines and hybrids, which suggests that other factors could be underlying TE up- regulation in reproductive tissues of hybrids between D. arizonae and D mojavensis. Among these mechanisms, divergent expression of genes involved in the piRNA pathway, as well as, chromatin modification genes, in the hybrid testes, should be highlighted. However, the same cannot be suggested for ovaries, since in this gonad the expression of these genes was not deregulated. In summary, this study shows that testes of hybrids between D. arizonae and D. mojavensis have greater differential expression of genes and TEs in relation to parental species than in ovaries. In addition, it shows that although piRNAs are present for many of the unregulated TEs, they are not able to control their expression, which may be linked to the sterility phenotype shown by the life history parameters estimated in these hybrids.
L'hybridation interspécifique est une condition de stress qui peut conduire à des hybrides stériles ou non viables, en raison de la dérégulation des gènes et des éléments transposables (ET), en particulier chez les hybrides entre espèces du genre Drosophila ayant un long temps de divergence. Cependant, l’ampleur de ces anomalies chez les hybrides d'espèces ayant un temps de divergence récent n'est pas encore bien comprise. Drosophila mojavensis et D. arizonae constituent un bon système biologique pour étudier cette question car le temps de divergence est relativement récent (~1,5 m. a.). En plus, ces espèces présentent différents degrés d'isolement reproducteur et sont capables de produire des hybrides en laboratoire. Afin de vérifier l'occurrence et le degré d'incompatibilité des hybrides, nous avons mesuré les traits d’histoire de vie des descendants de croisements intra et interspécifiques, ainsi que l'expression différentielle des gènes et des ET qui peuvent être impliqués dans l'isolement reproducteur. Les analyses phénotypiques ont montré que tous les hybrides présentaient une viabilité inférieure aux descendants des croisements intraspécifiques. Les analyses de la motilité des spermatique ont montré que tous les hybrides mâles issus de croisement entre femelle D. mojavensis et mâle D. arizonae croisés avaient des spermatozoïdes mobiles, alors que dans le croisement réciproque, 75% des hybrides avaient des spermatozoïdes immobiles. Les analyses de fertilité des hybrides n'ont montré aucune dysgénésie gonadique chez les mâles et les femelles et une fertilité de 100% chez les hybrides femelles. Cependant, seulement 50% des hybrides males ayant la motilité des spermatozoïdes étaient fertiles. Les analyses RNASeq ont montré que la plupart des gènes et des familles d'ET présentaient une expression conservée par rapport aux espèces parentales dans les ovaires des hybrides. Dans les testicules, en revanche, moins de gènes et de ET ont une expression de type conservé et on observe une tendance à la surexpression des ET et à la sous- expression des gènes. En outre, il a été observé que les hybrides sans motilité des spermatozoïdes (issus de croisements entre les femelles D. arizonae et les mâles D. mojavensis) présentaient un nombre plus élevé de gènes dérégulés que ceux avec des spermatozoïdes mobiles, et que la majorité de ces gènes étaient sous-exprimés et présentaient des fonctions liées à la spermatogenèse. Le système de régulation post-transcriptionnel semble ne pas être efficace dans le contrôle de l'expression des ET qui sont surexprimées dans les ovaires et les testicules, même quand des piRNA sont présents dans la lignée maternelle. Cela montre que d'autres mécanismes peuvent être liés à la dérégulation des ET dans les tissus reproducteurs des hybrides entre D. arizonae et D. mojavensis. Parmi ces mécanismes, on peut suggérer la dérégulation de certains gènes impliqués dans la voie des RNAi, et la modification de la chromatine, telle qu'observée dans les testicules. Cependant, on ne peut pas en dire autant des ovaires, car dans ce tissu, l'expression de ces gènes n'a pas été dérégulée. En résumé, cette étude montre que les testicules des hybrides entre D. arizonae et D. mojavensis présentent une expression différentielle des gènes et des ET plus importante par rapport à celle des parents que les ovaires et que, bien que des piARN soient présents pour un grand nombre des ET dérégulés, ils ne semblent pas être capables de contrôler leur expression. Ceci qui peut être associé au phénotype de stérilité observé pour les traits d'histoire de vie analysés chez les hybrides.
Descrição
Palavras-chave
Híbridos, Isolamento pós-zigótico, Fenótipo, Expressão diferencial, Grupo repleta, Hybrids, Postzygotic isolation, Phenotype, Differential expression, Repleta group, Hybrides, Isolement postzygotique, Phénotype, Expression différentielle, Groupe repleta