Genómica evolutiva de la regulación transcripcional en las principales familias multigénicas del sistema quimiosensorial de Drosophila

Abstract

[spa] El sistema quimiosensorial (SQ) participa en la detección de nutrientes, depredadores y pareja, siendo -por tanto- fundamental en la supervivencia de los organismos y de las especies. En insectos, las primeras etapas de la quimiopercepción están mediadas por familias multigénicas que codifican: (i) proteínas extracelulares, como las Odorant-Binding Proteins (OBPs) y las Chemosensory Proteins (CSPs); (ii) proteínas quimiorreceptoras, como los Odorant (ORs), Gustatory (GRs) e Ionotropic Receptors (IRs). Dado que la eficacia biológica de los individuos depende de su correcta expresión, estas familias multigénicas constituyen un excelente modelo para estudiar procesos adaptativos a nivel molecular. La creciente disponibilidad de datos moleculares nos ha conferido la oportunidad de comprender el papel de la selección natural en la evolución transcripcional de los genes del SQ. No obstante, la naturaleza masiva e innovadora de estos datos ha hecho indispensable el desarrollo e implementación de nuevos métodos de genética de poblaciones y evolución molecular en las potentes herramientas bioinformáticas DnaSPv5, BadiRate y popDrowser. Utilizando éstas y otras herramientas, hemos determinado que los genes que codifican OBPs no están distribuidos aleatoriamente en el genoma de Drosophila, sino agrupados formando clústeres de genes. La conservación de estos clústeres está relacionada con la amplitud y el ruido transcripcional de sus integrantes, así como también con su estado de la cromatina (’transcription elongation’ y con la unión de la proteína JIL-1). Entre otras funciones, la JIL-1 libera la ARN polimerasa pausada en la región promotora, lo que produce una ráfaga de elongación de la transcripción génica que incrementa el ruido transcripcional. Debido a que las fluctuaciones de OBPs pueden alterar el comportamiento de los individuos, este ruido transcripcional puede generar una plasticidad fenotípica beneficiosa, especialmente en ambientes externos cambiantes. La arquitectura de la región promotora puede jugar un papel fundamental en pausar la actividad de la ARN polimerasa. En este sentido, hemos inferido que las regiones upstream de los aIRs y las CSPs están sometidas a una importante constricción funcional, mientras que las de los ORs y los GRs han experimentado un mayor impacto de la selección darwiniana. Aunque aún faltan más evidencias al respecto, la evolución de las regiones upstream de las OBPs podría estar vinculada con el impacto diferencial de la cromatina en su regulación transcripcional. De cualquier modo, no cabe duda que la selección natural (negativa y positiva) ha contribuido significativamente a la evolución transcripcional de las principales familias multigénicas del SQ, mediante los mecanismos que implican elementos cis-reguladores y estados de la cromatina.

[eng] The chemosensory system is involved in the detection of food, predators and mates, being thus essential for the species survival. In insects, the first steps of chemoperception are mediated by multigene families encoding: (i) extracellular proteins, such as Odorant-Binding Proteins (OBPs) and Chemosensory Proteins (CSPs), as well as (ii) chemoreceptors, such as Odorant (ORs), Gustatory (GRs) and Ionotropic Receptors (IRs). Since the fitness of individuals depends on their correct expression, these multigene families are an excellent model to study adaptive processes at the molecular level. The increasing availability of molecular data gives us the opportunity to understand the role of natural selection in the transcriptional regulation of the chemosensory genes. However, the massive and innovative nature of these data makes crucial the development and implementation of new methods for population genetics and molecular evolution in powerful bioinformatics tools, such as DnaSPv5, popDrowser and BadiRate. Using these and other tools, we determined that genes encoding OBPs are clustered along the Drosophila genome. The conservation of these clusters is related to the transcriptional amplitude and noise of their members, as well as to its chromatin state ('transcription elongation' and binding of JIL-1 protein). Among other functions, the JIL-1 releases the RNA polymerase paused at the promoter region, inducing a transcriptional elongation burst that increases expression noise. Because OBPs fluctuations can alter the behavior of individuals, this noise can generate a beneficial phenotypic plasticity, especially in changing external environments. The architecture of the promoter region can play a key role in the RNA polymerase pausing. In this regard, we have inferred that the upstream regions of aIRS and CSPs are under strong functional constraints, whereas Darwinian selection is more pervasive at the ORs and GRs upstream regions. Although further studies are needed, the evolution of the OBP upstream regions may be linked to the differential impact of the high-order chromatin regulatory mechanisms in the OBP transcription. Anyway, it is certain that natural selection (negative and positive) has significantly contributed to the transcriptional evolution of the major chemosensory multigene families, through mechanisms involving cis- regulatory elements and high-order chromatin states.