Transposable elements in basidiomycete fungi: dynamics and impact on genome architecture and transcriptional profiles

• Autores: Raúl Castanera Andrés
• Directores de la Tesis: Lucía Ramírez Nasto (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Pública de Navarra ( España ) en 2017
• Idioma: inglés
• Tribunal Calificador de la Tesis: Luis María Corrochano Peláez (presid.), José Antonio Oguiza (secret.), Annegret Kohler (voc.)
• Programa de doctorado: Programa Oficial de Doctorado en Biotecnología
• Materias:
  • Ciencias de la vida
    • Microbiología
      • Hongos
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Academica-e
• Resumen

  • Los elementos transponibles (ETs), también conocidos como elementos móviles o transposones, son unidades genéticas que han desempeñado un importante papel en la evolución de los organismos eucariotas. Su impacto en la arquitectura genómica y en los rasgos fenotípicos observados resultantes de la expresión de dichos genomas se ha estudiado con profundidad en plantas y animales desde su descubrimiento en 1950 por Barbara McClintock. Su capacidad para movilizarse de un locus a otro los convierte en herramientas naturales para generar diversidad, ya que conduce a la producción de alteraciones genómicas con efectos deletéreos, neutros o beneficiosos sobre los huéspedes. Por lo tanto, su supervivencia en el genoma depende del equilibrio entre su actividad y la "permisividad" de su huésped. A pesar de que los ETs vegetales y animales han recibido mucha atención, se sabe muy poco sobre su ocurrencia e impacto en el reino de los hongos. De hecho, el primer transposón identificado en un hongo se describió en Neurospora crassa en 1989, casi 40 años después del descubrimiento del primer transposón en plantas. Hoy en día, los avances en las tecnologías de secuenciación de ADN han abierto la posibilidad de estudiar el genoma completo de multitud de especies. El número de genomas de hongos secuenciados aumenta a un ritmo sin precedentes, y la mayoría de los esfuerzos se concentran en los basidiomicetos, un grupo de hongos de gran interés debido a su papel en los ecosistemas naturales y a su utilidad en múltiples aplicaciones industriales. En este sentido, la cantidad de información genómica liberada ofrece una oportunidad única para comenzar a descifrar el efecto que los elementos móviles tienen en los genomas de los hongos.

    A fecha de inicio de esta tesis de doctorado (Enero de 2013), existía muy poca información sobre transposones en basidiomicetos, ya que la mayoría de las investigaciones se habían concentrado en la caracterización funcional de los genes. A la luz de estos precedentes, el presente trabajo trata sobre la distribución, características e impacto de los transposones en genomas de hongos, con especial énfasis en los basidiomicetos. Se ha utilizado Pleurotus ostreatus como modelo de trabajo y se han desarrollado herramientas bioinformáticas para detectar la presencia de transposones a partir de extensos datos genómicos. Este enfoque ha permitido la cuantificación y caracterización del contenido de ETs en numerosos genomas. Además, se ha podido describir el efecto que las inserciones de ETs producen a nivel genómico y transcriptómico.

    Esta tesis doctoral se organiza como sigue: En el capítulo I se presenta una introducción que incluye la secuenciación de ADN, el estado actual de la investigación en genómica de hongos y la biología de los elementos transponibles. El capítulo II describe las principales características de los helitrones en basidiomicetos. Los helitrones son un grupo de transposones de ADN que se caracterizan por su mecanismo de transposición de círculo rodante, así como por su capacidad para capturar y amplificar fragmentos de genes en el genoma del huésped. Sus características y distribución en hongos eran completamente desconocidas al comienzo de este trabajo. El análisis comparativo realizado en dos genomas de P. ostreatus mostró la presencia de dos familias de helitrones que interrumpen la colinealidad y originan falta de sintenia. Se identificaron helitrones potencialmente autónomos y con capacidad de transcribirse. Además, algunos elementos contenían genes expresados de origen y funciones desconocidas, así como dominios eucarióticos, bacterianos y virales. La reconstrucción filogenética de los dominios conservados de helitrones eucarióticos reveló su origen polifilético, que podría ser explicado por eventos antiguos de transferencia horizontal. Estos hallazgos fueron el punto de partida para el análisis del contenido de transposones en un amplio rango de especies de hongos, con un enfoque especial en los basidiomicetos y utilizando P. ostreatus como modelo.

    El capítulo III describe la anotación exhaustiva de ETs realizada en 18 genomas, incluyendo cepas de la misma especie y especies del mismo género. Los resultados indican un escenario de excepcional variabilidad, ya que se encontraron especies cuyo genoma estaba ocupado entre el 0,02 y el 29,8% por elementos transponibles. Un análisis detallado realizado sobre dos cepas de Pleurotus ostreatus descubrió un genoma ocupado principalmente por elementos de ARN, especialmente retrotransposones que han mostrado ser activos durante los últimos dos millones de años. La acumulación preferencial de estos retrotransposones ha conducido a la aparición de regiones genómicas que carecen de conservación tanto a nivel intra como inter-específico. Además, se estudió el efecto de las inserciones de transposones en la expresión de los genes cercanos. Los resultados demuestran que la expresión de un número importante de dichos genes está silenciada, observándose una represión más fuerte cuando los genes se localizaron dentro de las regiones enriquecidas en transposones. El análisis transcripcional realizado en cuatro especies de hongos reveló que este silenciamiento mediado por ETs estaba presente sólo en especies con maquinaria activa de metilación de citosinas, lo que sugiere que este fenómeno podría estar relacionado con mecanismos de defensa epigenética dirigidos a evitar la proliferación de los elementos móviles. Todos los análisis descritos anteriormente fueron posibles debido a la disponibilidad pública de secuencias genómicas y anotaciones realizadas por consorcios internacionales. En este sentido, el grupo de investigación de Genética y Microbiología (GENMIC) ha contribuido liderando la secuenciación y anotación de Coniophora olivacea, un basidiomiceto de podredumbre parda del orden Boletales. En el capítulo IV describe el resultado de la secuenciación y anotación del genoma, así como el análisis comparativo con otras especies de su mismo orden. Dichos análisis revelaron la presencia de expansiones genómicas diferenciales en el orden Boletales, causadas por ráfagas de amplificación de retrotransposones en el curso de la evolución. Finalmente, en el capítulo V se discuten los resultados de esta tesis doctoral en el contexto de la literatura más reciente, contribuyendo a una mejor comprensión del impacto de ETs en los basidiomicetos de acuerdo a su filogenia y estilo de vida. Se discute la fuerte influencia de los ETs sobre el tamaño del genoma, así como su papel diferencial en la evolución de los patógenos, simbiontes y hongos ligninolíticos. Por último, se proporcionan ejemplos de las formas en que la información publicada en esta tesis puede aplicarse a la investigación en hongos y a la biotecnología industrial.