Characterization of the control region of the mitochondrial genome in species of family Calliphoridae (Insecta: Diptera) and phylogenetic perspectives

Orientador: Ana Maria Lima de Azeredo-EspinDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de BiologiaResumo: As espécies da família Calliproridae, conhecidas como moscas varejeiras, apresentam ampla distribuição geográfica no Velho e Novo Mundo. Por serem causadores de miíases e vetores de doenças, muitas espécies possuem hábito sinantrópico, importância econômica, médico-sanitária e forense. Enquanto algumas espécies são pragas da pecuária e acarretam grande prejuízo econômico devido às infestações, outras são importantes para a entomologia forense, auxiliando na investigação de crimes e questões médico-legais. Neste contexto, os marcadores moleculares têm sido de grande valia para estudos genéticos relacionados à família Calliphoridae, sendo utilizados em estudos populacionais, evolutivos e biogeográficos, complementando análises ecológicas e sistemáticas. Dentre os marcadores moleculares, o DNA mitocondrial (DNAmt) tem mostrado potencial para estudos evolutivos relacionados à família Calliphoridae, devido a várias características, tais como: possuir uma estrutura genética simples, geralmente não apresentando íntrons, DNA repetitivo, elementos transponíveis e pseudogenes; exibir uma forma de transmissão predominantemente linear (herança materna); grande número de cópias e, finalmente, por apresentar maior taxa de substituição nucleotídica, quando comparada ao DNA nuclear. Na maioria das espécies animais, o DNAmt possui cerca de 16-20kb e apresenta 37 genes, dos quais 13 são codificadores de proteínas, 2 de subunidades ribossomais (rRNAs) e 22 de tRNAs. Neste genoma, a maior porção não codificadora é chamada região controle (RC), ou A+T em insetos, por ser rica nesses dois nucleotídeos. Bridências experimentais com insetos, crustáceos e vertebrados sugerem que essa região esteja relacionada à replicação e transcrição do genoma mitocondrial. Eventos de rearranjos gênicos envolvendo a região controle e os tRNAs adjacentes são relativamente freqüentes em insetos. Recentemente uma duplicação do gene para tRNA de isoleucina (tRNAIle) foi descrita em três espécies do gênero Chrysomya, não sendo encontrada nas demais espécies de Calliphoridae estudadas até então, sugerindo que a duplicação poderia ter se originado num evento evolutivo anterior à diversificação desse gênero e que seria um marcador molecular eficiente para sua identificação. Dessa forma, com o intuito de caracterizar a região controle do DNAmt m família Calliphoridae bem como a duplicação do tRNAIle, 15 espécies pertencentes a sete gêneros desta família foram analisadas. Nos califorídeos estudados, a região controle apresentou-se dividida em dois domínios com característica distintas: um conservado, devido à presença de blocos de seqüê ncia conservados além de estruturas conservadas em vários grupos de insetos, que podem estar relacionadas à replicação e transcrição do DNAmt; e um domínio variável, tanto em tamanho quanto em seqüência. Enquanto o domínio conservado apresentou potencial para estudos filogenéticos, o domínio variável apresentou características interessantes para estudos com estrutura de populações. A caracterização da RC de califorídeos também permitiu a identificação da duplicação do tRNAIle em outras duas espécies de Chrysomya, além de uma espécie do gênero Calliphora. Um segundo tipo de duplicação, envolvendo os tRNAIle e tRNAGln, foi identificada na espécie do gênero Phormia. Os dados sugerem que o domínio variável da região controle possa atuar como um "hot spot" para eventos de rearranjo. Para a avaliação do potencial para estudos filogenéticos do domínio conservado, foram analisadas as seqüências desse domínio da região controle de 26 indivíduos pertencentes a 18 espécies de califorídeos. Os resultados dão suporte à monofilia dás três subfamílias estudadas (Chrysomyinae, Luciliinae e Calliphorinae) corroborando estudos morfológicos e moleculares realizados previamente em Calliphoridae. Além disso, o domínio conservado da região controle mostrou-se um marcador eficiente para a identificação de espécies de califorídeos, mesmo quando espécies semelhantes morfologicamente foram comparadas. Os resultados obtidos indicam um potencial dessa região do genoma mitocondrial tanto para estudo com taxa com divergência recente como para o diagnóstico de espéciés de importância forenseAbstract: The species of family Calliphoridae, known as blowflies, present wide geographic distribution throughout Old and New World and many have synantropic habit, being of economic, medical, sanitary and forensic importance for causing myiasis and for being vectors of diseases. While some species are parasites of livestock and causes great economic prejudices, others are important for forensic entomology, helping in legal investigations. Molecular markers are providing valuable results on genetic-evolutive studies related to the family Calliphoridae, been used in population structure, evolutive and biogeographic studies, complementing ecological md systematic analyses. Among the molecular markers, the mitochondrial DNA have shown a great potential for evolutive studies related to family Calliphoridae, being many the features that make it a rich source of genotypic characters: simple genetic structure, which usually lacks introns, transposable elements and pseudogenes; its predominant1y maternal inheritance; high copy number and its higher rate of nucleotide substitution compared to nuclear DNA. In most animal species, mtDNA is a circular, double-stranded 16-20 kb molecule that generally contains 37 genes, being 13 protein-coding genes, two genes for subunits of ribosomal RNA (rRNA) and 22 transfer RNA (tRNA) genes. Within this genome, the major non-coding region is known as control region, or A+T region in insects for being rich in these nucleotides. Experimental evidences with insects, crustaceans and vertebrates suggest that this region is related to the replication and transcription of the mitochondrial genome. Rearrangements events involving the control region and its flanking tRNAs may be frequent in insects. In recent works, an isoleucine tRNA gene (tRNAIle) duplication was reported for three Chrysomya species, not been identified in the other calliphorids species studied so far, suggesting that the duplication may have occurred before the diversification of this genus and that it would be an efficient marker for its identification. Therefore, intending to characterize the control region of mitochondrial DNA in family Calliphoridae just as the tRNAIle duplication, 15 species belonging to seven genera of this family were analyzed. In the studied calliphorids, two domains were recognized in the control region: a conserved domain with conserved sequence blocks and conserved structures also identified in other insect groups, which relates the control region to the replication and transcription of mitochondrial DNA; and a variable domain that varies markedly in sequence and length Whereas the conserved domain has shown a potential for phylogenetic stud ies, the variable domain has interesting features for population studies. The characterization of the control region in various calliphorids species also showed the presence of the duplication of the tRNAIle in two other species of Chrysomya and in a species of genus Calliphora. A different duplication, involving the tRNAIle and tRNAGln, was identified in the species of genus Phormia. The present data suggests that the variable domain of the contraI region may act as a hot spot for rearrangement events. For evaluating the potential of the conserved domain for . phylogenetic studies, sequences of this domain were analyzed for 26 specimens belonging to 18 calliphorid species. The results supports the monophyly of the three subfamilies studied (Chrysomyinae, Luciliinae and Calliphorinae), corroborating previous morphologic and molecular studies. Moreover, the cohserved domain of control region showed to be I useful for calliphorids species identification, even when morphologic similar species were compared. The data reveals a potential of this region of the mitochondrial genome for studies with recent diverged taxa and also for the diagnosis of species with forensic importanceMestradoGenetica Animal e EvoluçãoMestre em Genética e Biologia Molecula