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Efectos del aislamiento geográfico y la divergencia adaptativa en la diversificación de
roedores de la Patagonia
Laboratorio de Evolución
Responsables: Enrique P. Lessa Gallinal y Daniel Ernesto Naya Monteverde.
Servicio: Facultad de Ciencias.
Resumen publicable académico final, mayo de 2015
La región Patagónico-fueguina ha estado sometida a ciclos climáticos en el Plio-Pleistoceno, cuyas
fases glaciares han sido más moderadas que las glaciaciones del hemisferio norte. Durante la última
década, nuestro grupo ha llevado adelante estudios de campo, análisis filogenéticos y genéticopoblacionales que han contribuido a la comprensión de las respuestas de la fauna de pequeños
mamíferos de la región a los ciclos climáticos. En el desarrollo de este Proyecto de Grupo de
Investigación y Desarrollo, financiado por la CSIC-Universidad de la República, han convergido a)
trabajos biogeográficos, en base a métodos filogenéticos y genético-poblacionales, que representan
la continuación de dichos esfuerzos con métodos tradicionales (secuenciación de uno o unos pocos
genes); b) la incorporación de abordajes ecofisiológicos, orientados a la comprensión de cambios
fenotípicos en los sistemas digestivo y renal en respuesta a la marcada variación ambiental (desde el
bosque lluvioso a la estepa patagónica) hoy presente en la región; y c) la incorporación de abordajes
transcriptómicos (mediante el uso de métodos de secuenciación masiva) para caracterizar la
expresión diferencial de genes en el riñón en respuesta a la variación ambiental. Este último aspecto
ha servido también como orientador de una transición de nuestro trabajo genético hacia una escala
genómica (ampliamente entendida).
a) biogeografía de la región Patagónico-Fueguina
El grupo ha continuado su trabajo en este tema general durante la ejecución del proyecto. Las tesis
de Abud, Riverón y Da Silva aportan estudios detallados de especies de la región. El trabajo de
Cañón et al (2014) contribuyó una perspectiva filogenética sobre la historia de uno de los grupos
(tribu Abrotrichini) claves en la historia de los mamíferos patagónico-fueguinos. Finalmente, el
capítulo de Lessa et al (2012) realiza una síntesis de la historia regional como contribución al
principal libro publicado en estos años sobre la historia biogeográfica de los mamíferos de
Sudamérica. El panorama general emergente implica, en primer lugar, una historia biogeográfica en
torno a dos grandes biomas. Los grupos filogenéticos vinculados al bosque austral (en particular
entre los abrotriquinos) han experimentado una historia de fragmentación más marcada dentro de la
región, resultando en la generación endémica de especies. Dicho esto, algunas de las especies de
estos grupos están también ampliamente distribuidas en la estepa patagónica. Por otra parte, los
grupos más ligados a ambientes abiertos tienen una histora signada por ciclos de retracción y
expansión en escalas espaciales más amplias, ligadas a regiones áridas del centro y norte de
Argentina. Típicamente estos grupos tienen menor estructura local y han sido menos proclives a la
formación endémica de especies.
b) variación fenotípica
El proyecto se centró en dos especies del género Abrothrix que se encuentran ampliamente
distribuidas en la región Patagónico-fueguina. De ellas, A. olivacea está ampliamente representada
en la estepa, pero es también frecuente en el bosque lluvioso; más en general, es una de las especies
más ubicuas de la región. En cambio, A. hirta (anteriormente incluida en A. longipilis, una especie
relacionada que ocupa regiones a latitudes más bajas) habita principalmente el bosque lluvioso,
aunque tiene una presencia relativamente más restringida en la estepa. Ambas especies fueron
muestreadas en dos puntos de bosque (uno en la región de Los Ríos, y otro en la región de Aysén) y
dos puntos a latitudes equivalentes de estepa (uno en el centro de Chubut, y otro en el centro-oeste
de Santa Cruz), en los cuales se concentraron tanto los estudios fenotípicos como los
transcriptómicos.
Los resultados encontrados para el sistema digestivo pueden resumirse de la siguiente manera: tanto
para A. hirta como para A. olivacea los individuos provenientes de los bosques templados poseen
intestinos delgado y grueso de mayor tamaño (en relación al tamaño corporal) que los individuos
provenientes de la estepa patagónica. Estos resultados son coincidentes con diferencias en la
composición dietaria de ambas especies entre hábitat (i.e., mayor consumo de material vegetal en
los bosques templados), estando en concordancia con lo predicho por la teoría de digestión óptima.
En cuanto al sistema renal, los resultados obtenidos pueden resumirme de la siguiente forma: (1)
para A. hirta se encontró una mayor capacidad de concentración de la orina –medida a través del
cociente U/P, es decir, la concentración de solutos en la orina sobre la concentración de solutos en el
plasma– en los individuos provenientes de la estepa que en los individuos provenientes del bosque;
(2) para A. olivacea se observó la misma tendencia general entre ambientes, pero en este caso las
diferencias no fueron estadísticamente significativas; (3) Se encontró una relación negativa entre el
cociente U/P y la precipitación media anual en los sitios de colecta, la cual fue significativa para A.
hirta y marginalmente significativa para A. olivacea.
Los resultados obtenidos en esta parte del proyecto permiten extraer dos grandes conclusiones.
Primero, se encontraron patrones de diferenciación poblacional coherentes con las diferencias
existentes en ciertos factores ecológicos entre ambientes, como ser la dieta consumida (afectando el
sistema digestivo) y la disponibilidad de agua libre (afectando el sistema renal). Segundo, si bien lo
anterior se observó en las dos especies estudiadas, tanto a nivel digestivo como a nivel renal, la
variación fenotípica entre poblaciones fue mayor en A. hirta que en A. olivacea. Este último
resultado sugiere a su vez, en concordancia con los patrones de distribución geográfica de ambas
especies, que A. olivacea es una especie menos impactada por potenciales factores de estrés bióticos
y abióticos que A. Longipilis.
c) transcriptómica y expresión diferencial de genes en el riñón
La expresión diferencial de genes es un mecanismo de respuesta a los desafíos ambientales, que
pueden cambiar tanto en un mismo ambiente en función de variaciones de clima, dieta, estado
reproductivo, etc., como entre ambientes, en función de los contrastes asociados a los diferentes
biomas. Nuestro proyecto estuvo orientado principalmente al segundo aspecto, y buscó detectar la
expresión diferencial de genes relacionada a las diferentes presiones para economizar agua entre
bosque lluvioso austral y estepa patagónica. Más en general, las especies de la región austral de
Sudamérica encuentran condiciones muy diversas de precipitación, así como de disponibilidad
diversos tipos de alimentos, y el riñón es un órgano clave en el procesamiento de residuos (en
particular urea, asociada al metabolismo de proteínas) y en la reabsorción de agua. Nuestro trabajo
ha estado orientado a utilizar métodos de secuenciación masiva para obtener transcriptomas
(RNAseq) de riñón de A. olivacea y A. hirta en bosque lluvioso austral y estepa patagónica en dos
latitudes diferentes.
Como resultado de los protocolos de extracción y secuenciado se obtuvieron al menos 24 millones
de lecturas (reads) crudas pareadas de 101 pares de bases (bp) por ejemplar. La tecnología utilizada
fue la de Illumina-HiSeq2000 para 39 ejemplares de A. olivacea y 29 de A. hirta. Luego de la
edición de las secuencias crudas, la cual consiste en el recorte de las bases de baja calidad y con
desbalance en el contenido GC en los extremos, se realizó el ensamblado individual asi como una
aproximación descripta en Giorello et al. (2014), que involucra la unión de un conjunto de
individuos.
Para la especie A. olivacea se ensamblaron y anotaron 17.398 genes, los cuales fueron descriptos
funcionalmente y utilizados posteriormente para la comparación entre ambientes. Dicho análisis fue
realizado comparando los individuos de estepa contra los de bosque, en el norte de las localidades
muestreadas y repetido para los ambientes del sur. El análisis consiste en el estudio de los genes
expresados diferencialmente, para esto los datos individuales de los mapeos de reads contra la
referencia fueron procesados con el programa EdgeR. De esto, se obtuvieron 1700 genes
expresados diferencialmente (ED) entre ambientes del norte y 1200 entre los ambientes del sur. De
estos dos grupos, hay 402 genes en común y son los que representarían la expresión diferencial
entre estepa y bosque. A su vez, de estos 402 genes, hay 211 y 191 que estan siendo sobrexpresados
y subexpresados, respectivamente, en el ambiente de estepa.
Los 402 genes ED entre ambientes fueron anotados y descriptos funcionalmente en tres categorías,
Procesos biológicos, Función molecular y Componente celular. En la categoría de Procesos
biológicos los términos más significativos fueron “oxidación-reducción”, “procesos del
metabolismo de esteroides” y “procesos de la biosíntesis de lípidos”. Dentro de categoría
Componente celular, “unión celular”, “fracción celular” y “parte de la membrana plasmática”
fueron los términos más significativos. Finalmente dentro de la categoría Función molecular
sobresalen dos términos asociados a la actividad deshidrogenasa en esteroides y “unión de
nucleósidos”. En concordancia con los resultados de las categorías, las cascadas más representadas
en nuestros genes expresados diferencialmente son las relacionadas a la biosíntesis de hormona
esteroidea y al metabolismo de andrógenos y estrógenos.
Analizando gen a gen, encontramos varios transportadores de solutos y genes vinculados a cascadas
de eliminación de toxinas y absorción de agua. En particular, destacan los genes: i) Slc4a1 y Slc4a2,
dos transportadores de urea, que cumplen funciones en la concentración de la orina; ii) el gen
Dync1li1, que participa en la absorción de agua regulada por la vasopresina; y iii) los genes Gsta2,
Sult2a1, Ugt1a7c, entre otros que participan en el metabolismo de xenobióticos. Utilizando
publicaciones previas en el tema, se encontró que Gsta2, Sult2a1, Slc25a39 y Slc22a6 habían sido
reportados previamente asociados a la función renal (Gsta2 y Sult2a1, en Marra et al. 2012) y a la
diferencia entre ambientes (Slc25a39 y Slc22a6, en Marra et al. 2014).
Al mismo tiempo, pudimos comparar los 402 genes que obtuvimos con los 1890 genes listados en
Marra et al. (2014) con ED entre especies adaptadas a distintas condiciones de aridez y encontramos
39 genes en común. De estos, además de los dos transportadores de solutos previamente
mencionados (Slc25a39 y Slc22a6) destacan por ejemplo el gen Apoo, encargado del flujo celular
de colesterol y el gen Nup88, que codifica para un componente del complejo del poro nuclear.
Actualmente, y para completar los objetivos planteados nos encontramos comenzando con el
análisis de los datos generados para A. hirta con el fin de cruzar los genes obtenidos para el mismo
diseño experimental, adquiriendo así, el enfoque multiespecífico del problema planteado.
Cuando se elaboró el proyecto, no existía información de nivel transcriptómico sobre la expresión
diferencial en el riñón que fuese potencialmente relevante en la adaptación a ambientes diferentes.
Desde entonces se publicaron trabajos que identifican algunos genes de interés comparando la
expresión en riñón con la de otros órganos en una única especie de desierto (Marra et al., 2012), o
que identifican genes que expresan diferencialmente en riñón al comparar una especie de desierto
con otra (bastante divergente) de un área húmeda tropical (Marra et al., 2014). Nuestros trabajos
proveen información directamente relevante al problema al comparar pares de muestras replicados a
dos latitudes diferentes entre estepa y bosque lluvioso en una misma especie (A. olivacea), y de una
segunda especie muestreada en los mismos puntos, cuyo análisis está menos avanzado (A. hirta).
Entendemos que este enfoque enriquecerá de manera sustantiva la comprensión del problema. Al
mismo tiempo, la información sobre la variación fenotípica presentada más arriba provee evidencias
de respuestas al ambiente, tanto en riñón como en el sistema digestivo, que también enfrenta
variación ambiental significativa.
d) transición hacia enfoques de escala genómica
El interés de nuestro grupo de subir la escala de nuestros estudios del nivel génico al genómico
encuentra antecedentes en algunos trabajos recientes en los que hemos generado y estudiado
genomas mitocondriales completos (Tomasco y Lessa, 2011, 2014). El uso de un abordaje
transcriptómico ha estado motivado por la capacidad de generar resultados relevantes sobre la
adaptación a desafíos ambientales (en nuestro caso entre biomas diferenciados, entre otras cosas,
por diferencias en la disponibilidad de agua) mediada por la expresión diferencial de genes. La
ventaja de este enfoque sobre el del estudio de "genes candidatos" identificados a priori está
claramente ilustrada por nuestros resultados: los genes candidatos más evidentes en la literatura son
las acuaporinas, que hasta el momento no han mostrado expresión diferencial en nuestras especies
(ni, tampoco, en los trabajos de Marra y colaboradores); al mismo tiempo, numerosos genes de
interés, incluyendo transportadores de solutos y otros ligados al procesamiento de la urea, han sido
evidenciados a nivel transcriptómico. Más en general, el proyecto nos ha permitido desarrollar
abordajes transcriptómicos y genómicos en varias líneas de trabajo del laboratorio, y presentar una
propuesta de desarrollo regional, con herramientas genómicas, en los estudios de diversidad de
roedores de América del Sur (Lessa et al., 2014).
Principales publicaciones del proyecto
Naya DE, Feijoo M, Lessa EP, Pardiñas UFJ, Teta P, Tomasco IH, Valdez L, D'Elía G. 2014.
Digestive morphology of two species of Abrothrix (Rodentia, Cricetidae): comparison of
populations from contrasting environments. Journal of Mammalogy 95(6), 1222-1229.
Giorello FM, Feijoo M, D'Elía G, Valdez L, Opazo JC, Varas V, Naya DE, Lessa EP. 2014.
Characterization of the kidney transcriptome of the South American olive mouse Abrothrix
olivacea. BMC Genomics 15(1), 446, 10.1186/1471-2164-15-446
Valdez L, Giorello F, Feijoo M, Opazo JC, Lessa EP, Naya DE, D’Elía G. 2015.
Characterization of the Kidney Transcriptome of the Long-Haired Mouse Abrothrix hirta
(Rodentia,Sigmodontinae) and Comparison with That of the Olive Mouse A. olivacea. PloS one,
10(4).DOI:10.1371/journal.pone.0121148
Lessa EP, Cook JA, D'Elía G, Opazo JC. 2014. Rodent diversity in South America: transitioning
into the genomics era. Frontiers in Ecology and Evolution 10.3389/fevo.2014.00039. Ubuntu
Referencias
Gianoli, E., Valladares, F. 2012. Studying phenotypic plasticity: the advantages of a broad approach.
Biological Journal of the Linnean Society 105: 1–7.
Marra, N. J., Eo, S. H., Hale, M. C., Waser, P. M., DeWoody, J. A. 2012. A priori and a posteriori
approaches for finding genes of evolutionary interest in non-model species: osmoregulatory genes
in the kidney transcriptome of the desert rodent Dipodomysspectabilis (banner-tailed kangaroo rat).
Comparative Biochemistry and Physiology Part D: Genomics and Proteomics, 7:328-339.
Marra, N. J., Romero, A., &DeWoody, J. A. 2014. Natural selection and the genetic basis of
osmoregulation in heteromyid rodents as revealed by RNA‐seq. Molecular Ecology, 23:2699-2711.
Tomasco IH, Lessa EP. 2011. The evolution of mitochondrial genomes in subterranean caviomorph
rodents: adaptation against a background of purifying selection. Molecular Phylogenetics and
Evolution 61: 64-70.
Tomasco IH, Lessa EP, 2014. Two mitochondrial genes under episodic positive selection in
subterranean octodontoid rodents. Gene 534:371-378.