Genetic base of the response to different environmental stressors and longevity in the model organism Drosophila

La expectativa de vida de una especie puede evolucionar a través de los genes que están involucrados en la reparación del soma, tales como los sistemas de la respuesta al estrés, según lo propone la teoría del soma desechable o genes con mutaciones perjudiciales o deletéreas de efecto tardío. En los ambientes naturales, los organismos frecuentemente soportan condiciones de estrés por falta de alimento y por baja temperatura. Como la energía ocupa un rol central en la vida de los organismos, mejorar la resistencia al estrés involucra cambios fenotípicos a diferentes niveles, desde señalización intracelular hasta caracteres de historia de vida. La resistencia al hambre severo se define como el tiempo de sobrevida a la privación total de alimento y sus valores fenotípicos rondan entre 20 a 200 horas en esa condición. La resistencia al estrés por baja temperatura es un carácter ecológicamente relevante que puede regular el nivel de actividad bajo condiciones de frío en la naturaleza. Este carácter adaptativo puede tener múltiples correlatos a nivel de otros caracteres de historia de vida. En la presente tesis con el objetivo general de elucidar la base genética y molecular que relaciona el proceso de envejecimiento, y los mecanismos de la respuesta al estrés ambiental, se estudiaron caracteres de historia de vida como la longevidad, la resistencia a la falta de alimento y al frío y la relación entre ellos mediante dos metodologías: mapeo de QTL y utilización de isolíneas en los organismos modelo Drosophila melanogaster y D. buzzatii, respectivamente. Se estudió la longevidad a 25°C en condiciones de control como así también luego de un pre-tratamiento de estrés por calor en líneas recombinantes endogámicas (RIL) de D. melanogaster. También se estudió la resistencia a la inanición o al hambre (RH) en adultos y pre-adultos mediante un mapeo por intervalo compuesto sobre líneas RIL de D. melanogaster. Todos estos caracteres resultaron variables en las RIL analizadas. Se identificaron varios QTL que mapean sobre los tres cromosomas mayores de Drosophila melanogaster que explican gran parte de la variabilidad en la longevidad. El tratamiento de calor redujo el número de QTL significativos, encontrando solo dos QTL para la longevidad (rangos 3C1-4F2 y 38E1-42A) en esta condición. Estos QTL, serían QTL generales de la longevidad más bien que QTL específicos de una condición. Con respecto a la resistencia al hambre, encontramos QTL que explican la variabilidad de la RH tanto en adultos como en pre-adultos. Una región de QTL, 16F3-19F6, resultó significativa tanto en machos como en hembras adultas y en el estadio pre-adulto. Se observó una correlación positiva en machos entre la longevidad de moscas tratadas y la RH de adultos, en uno de los paneles de RIL. A su vez, las regiones 16F3-19F6, 42A- 49C y 67A-86E3 corresponden a QTL que colocalización entre el estudio de mapeo de la longevidad y de la RH. Esta colocalización entre caracteres está en concordancia con la teoría del soma desechable. Con un abordaje diferente, la utilización de isolíneas de D. buzzatii se estudió la variabilidad de caracteres de historia de vida y sus posibles correlaciones, se continuó con el estudio de la base genética de la respuesta al estrés y la senescencia. Para ello se midió la longevidad a 25ºC, la resistencia al hambre (RH), la resistencia a la desecación (RD) y dos caracteres de resistencia al frío (RF). Todos los caracteres resultaron variables en las isolíneas de D. buzzatii, con una varianza entre líneas varía desde un 14% hasta un 38 a través de los diferentes caracteres medidos. Se encontró una correlación positiva entre la RH y la RF, sin embargo no comprobamos una correlación entre la RH y la longevidad o la RD. Las isolíneas mostraron una clara correlación positiva entre estos dos caracteres (RH y RF), en contraposición a la hipótesis del tradeoff planteada por Hoffmann et al (2005). También encontramos una correlación positiva entre la longevidad y RD y RF. Las correlaciones positivas entre los diferentes tipos de caracteres estudiados y también con la longevidad están en concordancia con la teoría del soma desechable, que propone justamente que las respuestas a los diversos tipos de estresores y la longevidad pueden evolucionar a través de los mismos genes. De acuerdo a esta teoría, los individuos que soporten mejor el estrés ambiental serán a la vez los más longevos.Life span of different species can evolve through genes that are involved in soma reparation, such as stress response systems as proposed by the disposable soma theory and also through genes with harmful or deleterious late effect mutations. In nature organisms often support r stress condition as lack of food and low temperature. Energy plays a central role in organisms life, increased resistance to stress involves phenotypic changes at different levels, from intracellular signaling to life history characters. Starvation resistance is defined as the survival time in conditions of total food deprivation and its phenotypic values are between 20 to 200 hours in that condition. The resistance to low temperature is an ecologically relevant character that can regulate the insect activity level under cold conditions in nature. Adaptive characters are expected to be correlated to other life history characters. The aim of my thesis is to investigate the genetic basis that links aging with mechanisms of response to environmental stress. For this purpose we studied life history characters such as longevity, starvation and cold resistance and the relationship between characters following two different methodologies: QTL mapping and isofemales lines in the model organisms D. melanogaster and D. buzzatii, respectively. Longevity was measured at 25 °C under controlled conditions and also after a pre-treatment of heat stress on a set recombinant inbred lines (RIL) of D. melanogaster. The starvation resistance (SR) phenotypes of pre-adults and adults were used in a composite interval mapping of RIL lines of D. melanogaster. We identified several QTL that map on the three major chromosomes of Drosophila melanogaster that explain part of the variance in longevity. The heat treatment reduced the number of significant QTL, finding only two QTL for longevity (3C1-4F2 and 38E1-42A ranges) for this condition. These QTL, would be general longevity-QTL rather than specific of a condition. We found QTL that explain the variance of RH both in pre-adults and adults individuals. The QTL region, 16F3-19F6, was significant in both adult (males and females) and in the pre-adult stage of the life cycle. There was a positive correlation between longevity in treated male flies and adults-SR, in a RIL panels. In turn, 16F3- 19F6, 42A-49C and 67A-86E3 regions correspond to QTL that colocalized between both characters mapped, longevity and SR. This colocalization between characters is consistent with the disposable soma theory. With a different approach, using isofemales lines of D. buzzatii, we continued studying the genetic basis of stress response and senescence. In this way, we analyzed the variability of life history characters and their putative correlations, measuring longevity at 25 °C, starvation resistance (SR), desiccation resistance (DR) and two coldresistance traits (RF). All characters were variable in the isofemales lines of D. buzzatii, with a variance component between lines from 14% to 38 through the different characters measured. We found a positive correlation between SR and RF, but we found no correlation between SR and longevity or DR. The isofemales lines show a clear positive correlation between these two characters, as opposed to the trade-off hypothesis proposed by Hoffmann et al 2005.We also found a positive correlation between longevity and RD and also between longevity and RF. The positive correlations between the different characters studied and longevity are also consistent with the disposable soma theory, which proposes that the response to different kind of stressors and longevity could evolve through the same genes. According to this theory, individuals with enhanced environmental stress-resistance will be also the longer-lived.Fil:Defays, Raquel. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina