A remodelação da cromatina 3D na linhagem germinativa modula a plasticidade evolutiva do genoma

Nature Communications volume 13, número do artigo: 2608 (2022) Citar este artigo

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O dobramento cromossômico tem impactos profundos na regulação genética, cujas consequências evolutivas estão longe de ser compreendidas. Aqui exploramos a relação entre a remodelação da cromatina 3D em células germinativas de camundongos e mudanças evolutivas na estrutura do genoma. Usando uma análise computacional integrativa abrangente, nós (i) reconstruímos sete genomas ancestrais de roedores analisando sequências do genoma completo de 14 espécies representantes dos principais filogrupos, (ii) detectamos rearranjos cromossômicos específicos de linhagens e (iii) identificamos a dinâmica da estrutura e propriedades epigenéticas de regiões de ponto de interrupção evolutivo (EBRs) ao longo da espermatogênese de camundongos. Nossos resultados mostram que os EBRs são desprovidos de quebras programadas de fita dupla de DNA meiótico (DSBs) e coesinas meióticas em espermatócitos primários, mas estão associados em células pós-meióticas a locais de dano ao DNA e regiões funcionais de interação de longo alcance que recapitulam configurações cromossômicas ancestrais . No geral, propomos um modelo que integra a remodelação evolutiva do genoma com mecanismos de resposta a danos no DNA e a organização dinâmica do genoma espacial das células germinativas.

Desvendar a base genómica da especiação é uma das principais prioridades de investigação em biologia, alimentada pela disponibilidade de um grande número sem precedentes de recursos genómicos. A genómica comparativa de espécies de mamíferos estreitamente e remotamente relacionadas revelou que as regiões genómicas implicadas em mudanças evolutivas estruturais estão agrupadas em regiões mais propensas a quebrar e reorganizar-se1,2,3,4. Neste contexto, as regiões de ponto de interrupção evolutivo (EBRs) são consideradas regiões genômicas implicadas em mudanças evolutivas estruturais que perturbam as regiões sintênicas genômicas . Na busca pela origem e implicações funcionais desses rearranjos evolutivos, a pesquisa apontou elementos repetitivos como possíveis impulsionadores1,5,6, enquanto mudanças na expressão gênica causadas pela reorganização do genoma podem fornecer uma vantagem seletiva através do desenvolvimento de novos caracteres adaptativos específicos para linhagens de mamíferos3,4,7,8,9. Dada a diversidade de fatores associados aos EBRs, é muito improvável que a composição sequencial dos genomas seja a única responsável pela instabilidade genômica durante a evolução, e que a regulação do dobramento do genoma 3D também seja um fator crítico .

Os genomas dos mamíferos são empacotados em uma estrutura de cromatina, cuja regulação depende de várias camadas de organização sobrepostas, incluindo territórios cromossômicos dentro dos quais a cromatina é organizada em compartimentos (abertos/fechados), que por sua vez consistem em domínios topologicamente associados (TADs) e DNA. alças10,13,14. A caracterização de como a conformação da cromatina e as interações DNA-proteína evoluíram durante a diversificação dos mamíferos está fornecendo uma nova hipótese interpretativa sobre o(s) mecanismo(s) responsável(eis) pela origem da arquitetura e plasticidade do genoma . Loci distantes dentro do genoma interagem de maneira regulatória durante o ciclo celular, afetando sua função final, fornecendo assim bases para explorar a dinâmica da composição do genoma, as relações evolutivas entre espécies e, a longo prazo, a especiação. Esta visão foi unificada pelo 'Modelo de Quebra Integrativa', uma hipótese evolutiva interpretativa que postula que a permissividade das regiões genômicas para se reorganizarem pode ser determinada pela estrutura da cromatina de ordem superior .

Como acontece com qualquer mudança de estado evolutivo, as reorganizações cromossômicas que se originam na linhagem germinativa antes da meiose (proliferação de células germinativas primordiais, espermatogônias e oogônias), durante a divisão meiótica (espermatócitos e oócitos) ou em estágios pós-meióticos (isto é, espermátides redondas) podem ser transmitido às gerações subsequentes. Nesses casos, as reorganizações cromossômicas podem reduzir o fluxo gênico e potencialmente contribuir para a especiação pela supressão da recombinação nas regiões reorganizadas entre populações cromossomicamente diferentes, mas contíguas16,17,18,19. Baixos níveis de recombinação podem levar a uma elevada divergência e fixação de novas mutações nestas regiões20 que, combinadas com a presença de genes relacionados com pressões evolutivas específicas da espécie, podem reforçar o valor adaptativo dos EBRs na linha germinativa8. Trabalhos teóricos sugeriram que rearranjos hereditários ocorreriam em regiões genômicas acessíveis em células germinativas e/ou estágios iniciais de desenvolvimento totipotentes, destacando a existência de um papel restritivo dos EBRs na linhagem germinativa que precisa de mais investigação.

98% of the genome with at least 0.1% each. The trivalent state with all three histone marks (E6-E6-E6) was also included, representing a coverage of 0.029% of the mouse genome and making a total of 35 combinations studied (Fig. 2C, Supplementary Fig 6 and Supplementary Table 5)./p> 0.01, p < 0.05) with active or poised chromatin (Fig. 3A and Supplementary Fig 7). This association was stronger with states that transition to E6 and E8 in spermatids (normalised z-score > 0.05, p < 0.05), particularly with those EBRs that occurred in the mouse lineage, suggesting that EBRs occur in chromatin environments prone to rapid change during spermatogenesis./p> 0.01, p < 0.05) (Fig. 3A and Supplementary Fig 7). In particular, EBRs are associated with the ‘closed’ B compartment in pre-meiotic spermatogonia, but with the ‘open’ A compartment in meiotic spermatocytes and post-meiotic spermatids (Fig. 3B and Supplementary Fig 7). Consistent with this, EBRs are associated with ‘closed’ chromatin environments (E0, E4, E5) in spermatogonia and ‘open’ chromatin environments (E2, E6, E8) in both primary spermatocytes and round spermatids. At a finer structural level, too, EBRs are associated with regions that undergo structural remodelling, being associated with TAD boundaries in spermatogonia and spermatocytes, but located within TADs in round spermatids (Fig. 3B and Supplementary Fig 7). Although EBRs were associated with TSS, these regions do not present high levels of expression in spermatogonia but are expressed more highly in round spermatids (Mann–Whitney test, p < 2.2e−16) (Supplementary Fig 8). Overall, our results suggest that EBRs localise preferentially in genomic regions that become accessible as spermatogenesis progresses. Furthermore, evolutionary rearrangements should not disrupt TAD structures in spermatogonia or spermatocytes but may do so in round spermatids./p> 1.3 are shown, ES is based on a FDR adjusted P value (Fisher’s exact test, two-sided). Abbreviations – EBRs evolutionary breakpoint regions, LRIs long-ranged interactions, GO gene ontology, FPKM fragments per kilobase of transcript per million fragments mapped./p> 1.3, see Methods) for genes related with sensory perception (ES = 13.6), lipid biosynthesis and gluconeogenesis (ES = 6.27), oxido-reduction processes (ES = 6.97), response to cytokines (ES = 1.94) and phagocytosis (ES = 1.74) (Supplementary Data 1). Additionally, 33% of these genes were members of relevant superfamilies, such as serpines, zinc finger proteins, olfactory receptors and vomeronasal receptors. Considering differentially expressed genes (DEG) in spermatids when compared to spermatogonia, primary spermatocytes and sperm, GO terms in intra-LRIs were narrowed down to signal transduction, ubiquitinization and chemotaxis, all important biological processes related to spermatogenesis (Fig. 4)./p>3, see Methods) of intra-LRIs with genomic regions located in other chromosomes (genome-wide approach). As such, we detected the presence of 119 spermatid specific inter-LRIs involving different mouse chromosomes (i.e., multiple interactions) (Fig. 4 and Supplementary Data 2). Out of the total 864 genes contained in inter-LRIs, 71% were protein-coding genes, 12% pseudogenes, 9% ncRNAs and 7% long non-coding RNAs. As for GO terms, we detected enrichment (p-value < 0.05 and ES > 1.3, see Methods) for genes associated with negative regulation of peptidase activity (ES = 2.8), G-protein coupled receptor signalling pathway (ES = 2.4), phagocytosis (ES = 2.04), response to cytokines (ES = 1.81), complement activation (ES = 1.68) and arachidonic acid metabolic process (ES = 1.5) (Supplementary Data 3). In contrast to intra-LRI, where 11% (n = 77) of the containing genes were DEG, the percentage of DEGs within inter- LRIs increased up to 48.5% (n = 419), being genes mainly related with cell surface receptor signalling pathway (ES = 1.66) and translation (ES = 1.39) (Fig. 4)./p> 1.3) for genes associated with response to pheromone (ES = 8.06), epoxygenase P450 pathway (ES = 7.12) and sensory perception of smell (ES = 2.75), including vomeronasal and olfactory receptors. Additionally, exocrine-gland-secreting peptide family genes (5%)38 and Pramel genes39 were only present in evolutionary LRIs when compared to LRIs not involved in ancestral chromosomal configurations./p> 3 Mbp (Supplementary Table 1), and two mammalian outgroup species (human and rabbit) were used to generate pairwise alignments with the mouse genome (mm10) using LASTZ with default parameters. LASTZ alignments were converted into chain and net files using Kent toolbox utilities using the parameters -minScore = 1000, -linearGap = medium, C = 0, E = 30, K = 3000, L = 3000, O = 400. The Y chromosome was omitted due to the difficulty in assembling it to a sufficient degree of quality, enrichment of repeats and palindromes in the chromosome50. The coverage of nets of each species was calculated against mm10 to minimise the potential fragmentation introduced into the reconstruction of the ancestral karyotypes./p>98% of the mm10 genome./p>

3./p> 1.3 as default parameter67./p>