Consequences of chromosome structure polymorphism in sexual populations

Tese de mestrado. Biologia (Biologia Molecular e Genética). Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2014It has been postulated that speciation can occur without geographical isolation. Chromosome rearrangements, such as inversions and translocations, have been proposed as drivers for speciation without isolation (sympatry). In sexual populations, meiosis between structurally different genomes would have high lethality. Recombination between non-linear genomes may produce progeny with imbalanced DNA content. Therefore, only meiotic products which maintain the breakpoints are viable. This causes linkage between the breakpoints, and with alleles of nearby genes. The latest models propose that rearrangements can entrap mutations which accumulate over time near the breakpoints. If recombination leads to epistasis between mutations in linkage with the breakpoints and others which are not, then selection for suppression of recombination can appear. Suppression of recombination will cause further divergence between karyotypes, and ultimately speciation. An experimental evolution setup was designed to test the chromosome speciation model, using Schizosaccharomyces pombe. Cells containing an inversion in one chromosome were mixed with wild type (WT) cells to create sympatric circumstances. Long periods of mitotic adaptive evolution were intercalated with controlled cycles of meiosis, for a total of 500 generations. We observed that the evolution of sterility was a recurrent phenotype under direct selection caused by sympatric sexual reproduction, appearing in half of the populations. In some populations sterility was fixed. In the remaining, it was maintained as a polymorphism with mating-proficient cells. In this is case, polymorphism for structure and mating type was present, unlike in the former. In one of the polymorphic populations, we also observed an increase in the frequency of healthy asci (a proxy for meiotic success) produced by heterozygous crosses. Interestingly, this was uncoupled from spore viability, which suffered no changes relatively to the ancestral crosses. Additionally, we did not observe any change in recombination rates. Our results suggest that the most common solution to meiotic incompatibility in microbial sexual populations in sympatry is sterility. This phenomenon abolishes meiotic fitness depression by completely eliminating sex, leaving karyotypes’ fates under exclusive control of adaptive forces. We thus found a new mechanism that may lead to genetic divergence between different karyotypes in facultative sexual populations.Os genomas eucariotas estão organizados em unidades individuais de ADN compactado, os cromossomas. A conformação e ordem de genes em cada cromossoma são características de cada espécie. Não obstante, é possível encontrar variabilidade na configuração cromossómica de indivíduo para indivíduo dentro de uma espécie. Uma alteração na configuração cromossómica é denominada rearranjo cromossómico. Rearranjos cromossómicos incluem duplicações ou delecções de secções do cromossoma, inversões de segmentos genómicos, ou translocações de segmentos entre cromossomas diferentes. Os rearranjos cromossómicos podem ter consequências drásticas. Em humanos, rearranjos cromossómicos estão normalmente associados a patologias, como cancro. Por exemplo, a leucemia mielóide crónica é causada por uma translocação entre os cromossomas 9 e 22 que resulta numa fusão de genes. Esta fusão leva a uma desregulação da expressão génica normal, e, consequentemente, a uma sobreproliferação celular. No entanto, noutras espécies, como Drosophila pseudobscura, os rearranjos cromossómicos estão presentes dentro de populações naturais em estado polimórfico. Sabe-se que, nestas populações, rearranjos cromossómicos estão associados a processos adaptativos, isto é, determinadas estruturas cromossómicas são vantajosas em determinados ambientes. Consequentemente, as frequências de dado rearranjo cromossómico nas populações estão dependentes do ambiente envolvente. Também em leveduras se observou que a estrutura cromossómica influencia a adaptação ao meio, podendo certos rearranjos ser benéficos. Apesar de poderem ser benéficos na adaptação, os rearranjos cromossómicos apresentam-se sempre como uma desvantagem durante o processo de reprodução sexuada. Durante a meiose I, os cromossomas homólogos emparelham e recombinam. Quando um dos cromossomas homólogos contém um rearranjo, por exemplo uma inversão, o emparelhamento está dependente da formação de uma estrutura em laço. Após a recombinação, dois dos produtos meióticos formados serão letais, pelo facto de conterem duplicações de genes, delecções, e/ou um número errado de centrómeros. Dada a letalidade ou abaixamento de fitness resultante do processo, a isto se denomina depressão meiótica. Devido à inviabilidade dos produtos meióticos recombinados, os dois pontos de quebra (breakpoints) de um rearranjo estarão sempre em linkage entre si, pois não podem ser segregados independentemente sem depressão meiótica. Dadas estas observações, concluiu-se que os rearranjos cromossómicos podem ser mantidos numa população através de pleiotropia antagonista. Adicionalmente, estas observações levaram a questionar se, a longo prazo, os rearranjos cromossómicos podem ter influência na divergência de populações. O modelo mais aceite de especiação, ou separação de duas populações em duas espécies distintas, diz que a separação ocorre na presença de isolamento geográfico entre as duas populações. A este fenómeno chama-se especiação alopátrica. No entanto, muitos defendem que a especiação pode ocorrer na ausência de isolamento físico entre populações – especiação simpátrica – e que os rearranjos cromossómicos podem ser catalisadores do processo. O modelo de especiação cromossómica mais recente postula que mutações podem ser acumuladas ao longo do tempo junto dos breakpoints de um rearranjo, devido ao linkage entre si e consequentemente com os loci adjacentes. Estes alelos não serão partilhados com indivíduos que não possuam o rearranjo por causa da depressão meiótica. Este abaixamento no flow génico pode levar a uma divergência entre cariótipos. Se, após uma meiose, ocorrer epistasia entre alelos em linkage com os breakpoints e outros que não estejam, pode criar-se uma pressão selectiva para supressão de recombinação. A supressão de recombinação iria acelerar a divergência e, eventualmente, formar-se-iam barreiras à reprodução, levando à especiação. Utilizando Schizosaccharomyces pombe, levedura de fissão, desenhámos uma experiência para testar o modelo de especiação cromossómica por supressão de recombinação. Durante 500 gerações, duas populações com configurações cromossómicas diferentes (uma com uma inversão e outra sem a inversão) evoluíram em simpatria através de ciclos de meiose (no total 5) intercalados com períodos longos de mitose (100 gerações). Após cada meiose, todas as células vegetativas foram eliminadas com recurso a snail juice, uma mistura de enzimas digestivas de caracol, e apenas os esporos resultantes da meiose foram seleccionados para o período seguinte de mitose. Com isto pretendíamos submeter a população total a uma forte selecção para reprodução sexuada, especialmente entre genomas incompatíveis, isto é, rearranjo com não-rearranjo. Após as 500 gerações de evolução, encontrámos que a solução mais comum para escapar ao cenário de forte incompatibilidade foi o aparecimento de esterilidade. Em pelo menos metade das populações réplica que foram submetidas a este regime de evolução este fenótipo apareceu: em metade destas, a esterilidade fixou-se, sendo que a totalidade dos indivíduos perdeu totalmente a capacidade de se reproduzir sexuadamente, e na outra metade indivíduos estéreis coexistem com os restantes. Ao comparar as populações sexuadas em simpatria com populações de controlo que evoluíram através do mesmo regime mas apenas com indivíduos com a mesma estrutura cromossómica (ou seja, em alopatria), observámos que a esterilidade foi consequência directa da incompatibilidade genómica, pois esta não apareceu em alopatria. Também verificámos que a esterilidade não apareceu noutras populações mistas assexuadas, o que reforça a conclusão de selecção directa. Verificou-se uma perda de variabilidade em alopatria e simpatria, embora esta tenha sido mais acentuada em alopatria; isto porque a pleiotropia antagonista associada à meiose é capaz de manter a variabilidade cromossómica em simpatria durante mais tempo. No entanto, nas populações onde a esterilidade evoluiu, a estrutura cromossómica fixou-se: o desaparecimento da meiose levou ao desaparecimento da pleiotropia antagonista, e o destino do rearranjo passou a estar dependente apenas do seu fitness em mitose. Através de sequenciação do genoma dos clones estéreis, encontrámos mutações pontuais candidatas à causa do fenótipo. A esterilidade, numa das populações estudadas, foi detectada após o segundo ciclo de meiose, o que sugere que a selecção foi bastante forte. De forma a escaparem à meiose, os estéreis ganharam resistência ao snail juice utilizado na experiência. A evolução de resistência à selecção por snail juice conferiu uma vantagem adicional aos estéreis: ao sobreviver à selecção estas células encontram o nicho vazio e dividem-se mais depressa do que os esporos germinam. Em S. pombe, a meiose dá origem a quatro esporos envolvidos num asco. Esta estrutura denomina-se tétrada. Devido ao facto de o tamanho dos esporos reflectir o seu conteúdo genético (isto é, a quantidade de ADN que herdaram), este tamanho, bem como a sua forma e número, constituem uma proxy para o sucesso da meiose. Quando a meiose se dá entre genomas incompatíveis, como quando um dos indivíduos contém um rearranjo, as tétradas produzidas têm morfologias anormais. Numa das populações simpátricas sexuadas analisadas, observámos que, após 500 gerações, os cruzamentos entre indivíduos com rearranjo e sem rearranjo passaram a produzir uma proporção maior de tétradas de 4 esporos, ou tétradas saudáveis. Esta proporção (cerca de 90%) é comparável à proporção encontrada para cruzamentos homozigóticos, e significativamente maior que a proporção em cruzamentos heterozigóticos no início da experiência (cerca de 70%). Isto sugere que durante a experiência teria aparecido um mecanismo que tivesse compensado a depressão meiótica, como, por exemplo, supressão de recombinação. No entanto, encontrámos que a viabilidade meiótica dos esporos na geração 500 se manteve igual à viabilidade no tempo 0. Também não detectámos qualquer evolução nas taxas de recombinação em cruzamentos heterozigóticos. Apesar de tudo isto, o facto de não termos detectado este fenótipo em alopatria ou em populações assexuadas sugere que poderá ter aparecido em consequência da pressão para o cruzamento entre genomas incompatíveis. Permanece, no entanto, por perceber que vantagem este fenótipo confere. Em conclusão, o modelo de especiação cromossómica permanece por testar, uma vez que as nossas populações escaparam à pressão selectiva ao evoluir a incapacidade de se reproduzir sexuadamente. Isto eliminou a depressão meiótica e a possibilidade de epistasia negativa entre mutações surgidas em diferentes estruturas, sendo portanto benéfica para ambos os cariótipos. Encontrámos pois um novo mecanismo que poderá levar a divergência entre cariótipos em populações microbianas facultativamente sexuadas