Orientadores: Michel Georges Albert Vincentz, Renato Vicentini dos Santos

Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Biologia

Resumo: O sequenciamento de um número crescente de genomas completos tem transformado a biologia. Mais especificamente, no campo da biologia evolutiva, tem se tornado possível endereçar perguntas centrais sobre o funcionamento ultimato dos mecanismos de transformação genética, com potencial impacto...

Resumo: O sequenciamento de um número crescente de genomas completos tem transformado a biologia. Mais especificamente, no campo da biologia evolutiva, tem se tornado possível endereçar perguntas centrais sobre o funcionamento ultimato dos mecanismos de transformação genética, com potencial impacto em todos os campos da biologia, assim como na filosofia. Esta tese está dividida em dois aspectos importantes da evolução de genomas: o processo de duplicação e fixação de genes duplicados, que é a base do surgimento de famílias multigênicas, e a evolução de redes de regulação, que determinam as relações de causalidade nos processos celulares. Os dois aspectos se relacionam à evolução da complexidade, tanto no que tange o conteúdo gênico dos seres vivos quanto nas interações mecanistica entre os genes via seus produtos (RNAs e proteínas basicamente). No primeiro aspecto abordamos a evolução de dois mecanismos biológicos que depende da ação integrada entre proteínas de famílias distintas: o mecanismo de síntese e degradação do polissacarídeo de parede celular xiloglucano, e o ciclo das chaperonas calreticulina/calnexina envolvidas no controle de qualidade de proteínas sintetizadas no retículo endoplasmático. Nossos trabalhos mostraram que uma forma primordial de xiloglucano, mais simples, surgiu antes da conquista do meio terrestre pela linhagem das plantas, ao contrário do que se imaginava, e que o ciclo calreticulina/calnexina é produto da subfuncionalização em eucariotos basais de uma chaperona ancestral, além do surgimento de funções específicas na família da calreticulina em plantas terrestres. O interesse em evolução de famílias multigênicas nos levou a desenvolver um método (Phylexpress) para análise de ortologia em larga escala, bem como permitir a integração de dados de expressão na tentativa de entender a dinâmica evolutiva da expressão gênica em famílias multigênicas. Utilizamos nosso método para revisitar o conteúdo gênico dos ESTs públicos de cana-de-açúcar, como prova de conceito, numa análise comparativa com o proteoma predito de sorgo. Nossos resultados mostram uma cobertura em termos de ortólogos para apenas ~58% do proteoma predito de sorgo em contrates com estimativas anteriores, com métodos mais simples, que chegaram a 90% do proteoma hipotético de cana. Para abordar a dinâmica evolutiva de redes de regulação, realizamos medições, em escala genômica, das alterações nos níveis de mRNAs de plântulas de sorgo e arroz em resposta a tratamentos de curta duração (2hrs) com sinais exógenos de ABA (hormônio vegetal) e dos açúcares glicose e sacarose. Utilizamos dados públicos e experimentalmente comparáveis de Arabidopsis thaliana em resposta aos mesmos sinais para realizar comparações que revelassem respostas conservadas ou divergentes entre ortólogos. Além disso, buscamos entender a dinâmica evolutiva das respostas transcricionais num contexto de duplicação gênica em famílias multigênicas, onde há diversos genes potencialmente redundantes do ponto de vista bioquímico/estrutural. Nossa abordagem sugere que redes de regulação gênica em eucariotos complexos evoluem majoritariamente de forma neutra, pois parecem apresentar uma taxa de divergência constante, que independe da rede (disparada por cada um dos diferentes sinais) e das espécies envolvidas. Nossos dados são complementares e potencialmente confirmadores de modelos recentes de evolução não-adaptativa em redes de regulação gênica. Concluímos que a evolução da complexidade em sistemas biológicos está parcialmente ligada à diminuição da eficiência da seleção, causada majoritariamente por números populacionais efetivos restritivos presentes nas linhagens de eucariotos complexos (vertebrados e plantas terrestres)

Abstract: The availability of complete sequences of a growing number of genomes is transforming biology. More specifically, in the field of evolutionary biology, it became possible to address central questions on the ultimate mechanisms underlying genetic changes. It has a broad impact on biology...

Abstract: The availability of complete sequences of a growing number of genomes is transforming biology. More specifically, in the field of evolutionary biology, it became possible to address central questions on the ultimate mechanisms underlying genetic changes. It has a broad impact on biology and philosophy as well. This thesis deals with two important aspects of genome evolution: the process of gene duplication and fixation of duplicated genes, which is the basis of the origins of multigenic families, and the evolution of genetic regulatory networks that determines the causality of the cellular processes. Both aspects are related to the evolution of complexity regarding the gene content of living forms and the mechanistic interaction between the gene products (mainly RNAs and proteins). In the first aspect we studied the evolution of two biological mechanisms depending on the integrated function of proteins from distinct families. The mechanism of synthesis and remobilization of xyloglucan, a plant cell wall polysaccharide, and the calreticulin/calnexin cycle of protein folding that takes place in the endoplasmic reticulum. Our work showed that a primordial form of xyloglucan already existed before the land conquest by plants. We propose that the calreticulin/calnexin cycle is the product of subfuncionalization of an ancestral eukaryotic chaperone, and plants evolved specific calreticulin functions due to gene duplication. Our interest in the evolution of multigenic families impelled the development of Phylexpress, a method dedicated to large-scale orthology analyses. It can integrate expression data in the context of multigenic families with the goal of understand the evolutionary dynamics of gene expression. We used Phylexpress to revisit the gene content of the publicly available sugarcane ESTs as a proof of concept. Our results showed that the ESTs sampled orthologs for just ~58% of the predict sorghum proteome, in contrast with previous estimations acconting for 90% of the hypotethical sugarcane proteome. In order to approach the evolutionary dynamics of regulatory networks, we measured global changes in gene expression of sorghum and rice plantlets in response to short-term treatments (2hrs) with exogenous ABA (plant hormone) and the sugars glucose and sucrose. We took public data from comparable experiments using Arabidopsis thaliana in order to unravel conserved and divergent responses across orthologs. Furthermore, we analyzed the evolutionary change in transcriptional responses in a context of gene duplications in multigenic families, leading to a set of potentially redundant genes in terms of biochemical/structural properties. Our approach suggests that gene regulatory networks in complex eukaryotes evolve mainly neutrally, in a constant rate that is independent of the analyzed network (triggered by each one of the signals) and the species. Our data is complementary and potentially confirmatory of recent models of nonadaptive evolution in regulatory networks. We concluded that the evolution of the complexity in biological systems is partially connected to the attenuation of the efficiency, mainly due to low effective population sizes present in the lineages that gave rise to complex eukaryotes (vertebrates and land plants)