Unveiling adaptative mechanisms through experimental evolution: the role of duplicated genes and phenotypic plasticity in yeast, and the genetic variability in coxsackievirus
- Autores: Florian Mattenberger
- Directores de la Tesis: Beatriz Sabater Muñoz (dir. tes.), Ron Geller (codir. tes.)
- Lectura: En la Universitat de València ( España ) en 2021
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Vicente Pallás Benet (presid.), Emilia Matallana Redondo (secret.), Markus Hans Proft (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Biodiversidad y Biología Evolutiva por la Universitat de València (Estudi General)
- Materias:
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- Resumen
Los seres vivos se enfrentan a condiciones ambientales cambiantes y habitualmente estresantes, agravadas por el cambio climático, que ponen a prueba su capacidad de supervivencia. El cambio en la composición genética de las poblaciones reside en las mutaciones, que son la fuente para la evolución y la adaptación a los cambios. La diversidad genética intrapoblacional está regulada por dos grandes fuerzas evolutivas que cambian la composición genética permitiendo así el acceso a nuevos fenotipos: la deriva genética y la selección natural. Por un lado, la deriva genética fija mutaciones en la población de manera aleatoria e independiente del efecto que suponga dicha mutación para la población. Por otro lado, la selección natural si bien favorece la fijación de mutaciones beneficiosas también elimina mutaciones perjudiciales en un determinado ambiente. Por lo tanto, el efecto de las mutaciones está fuertemente ligado al ambiente y, en consecuencia, aquellas poblaciones que exhiben una mayor diversidad genética serán capaces de evolucionar más rápido y adaptarse mejor.
Además de la evolución por selección natural y deriva genética, la duplicación genética también es de especial importancia para la evolución, pues es la principal fuente de nuevo material genético y de innovaciones biológicas. Tanto es así que las grandes transiciones evolutivas, como la radiación de las plantas angiospermas o las grandes innovaciones morfológicas en animales se han relacionado con eventos de duplicación.
Sin embargo, los mecanismos moleculares que permiten mantener los genes duplicados durante largos periodos de tiempo siguen siendo desconocidos. Para intentar ampliar el conocimiento respecto a estos mecanismos, y dado que los efectos de la evolución en la naturaleza tarda mucho tiempo en poder observarse, se necesitan sistemas biológicos que sean capaces de evolucionar rápido. En este contexto, te tiempo adecuado al experimentador, se han llevado a cabo estudios de evolución experimental con virus y microorganismos que han supuesto una herramienta muy valiosa en el estudio de la biología evolutiva. Por un lado, los virus presentan tasas de mutación extremadamente elevadas, especialmente los virus de ARN, lo que les confiere la capacidad de adaptarse de manera muy rápida a un cambio ambiental. Por otro lado, la levadura Saccharomyces cerevisiae, cuyo origen se debe a una duplicación genómica acaecida hace más de 100 millones de años, es un buen modelo para estudiar la duplicación genética y su papel en la adaptación. Además, más allá de ser útil para la evolución experimental y el estudio de la biología evolutiva, la elevada capacidad evolutiva de los virus de ARN supone un desafío importante para la medicina y en la prevención de enfermedades emergentes y, la levadura S.cerevisiae es una de las especies con mayor impacto económico en la industria biotecnológica. Por lo tanto, llevar a cabo un análisis exhaustivo del efecto de las mutaciones en poblaciones virales y estudiar en profundidad como la duplicación genética influye la adaptación y la innovación biológica en la levadura, es fundamental para generar un marco de conocimiento que permitirá maximizar el potencial biomédico y biotecnológico de los virus de ARN y de la levadura.
Esta tesis doctoral trata de abordar dos cuestiones fundamentales en biología evolutiva: ¿Cuáles son los mecanismos moleculares que determinan la estabilidad de los genes duplicados en el genoma durante el tiempo suficiente para que sean capaces de adquirir relevancia evolutiva? Y, ¿Cómo contribuye la variabilidad genética a la evolución y a la adaptación a nuevos ambientes? Para intentar responder a estas preguntas hemos utilizado dos modelos experimentales diferentes: la levadura S.
cerevisiae y el coxsackievirus B3 (CVB3). En la primera parte de esta tesis, con la levadura hemos visto que el nivel de expresión génica de los genes duplicados, así como la divergencia transcripcional y funcional, son fundamentales para la estabilidad de los genes duplicados en el genoma. Además, hemos observado que la plasticidad transcripcional de los genes duplicados juegan un papel clave en la adaptación a nuevos ambientes desfavorables, tales como condiciones de estrés oxidativo o altas concentraciones de etanol, glicerol o ácido láctico. Y en la segunda parte de la tesisi, utilizando el virus CVB3, hemos realizado una aproximación de Deep mutational scanning sobre las proteínas de la cápside viral y hemos generado poblaciones virales con una elevada variabilidad genética. Gracias a ello hemos podido evaluar el efecto de las mutaciones en la cápside caracterizando alrededor del 90% de los cambios de amino ácidos. Además, hemos empleado estas poblaciones virales altamente diversas y hemos estudiado como esta variabilidad genética contribuye a la adaptación contra la inactivación térmica. Nuestros resultados muestran que, incluso en virus de ARN con tasas de mutación extremadamente elevadas, un aumento de la diversidad genética de la población al inicio de la evolución experimental acelera el proceso evolutivo y facilita la adaptación al nuevo ambiente.
