Genómica De La Adaptación En Artrópodos: Estudio Del Sistema Quimiosensorial Y De La Radiación Del Género Dysdera (Araneae) En Canarias
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Genómica de la adaptación en artrópodos: estudio del sistema quimiosensorial y de la radiación del género Dysdera (Araneae) en Canarias Joel Vizueta Moraga Aquesta tesi doctoral està subjecta a la llicència Reconeixement- NoComercial – CompartirIgual 4.0. Espanya de Creative Commons. Esta tesis doctoral está sujeta a la licencia Reconocimiento - NoComercial – CompartirIgual 4.0. España de Creative Commons. This doctoral thesis is licensed under the Creative Commons Attribution-NonCommercial- ShareAlike 4.0. Spain License. Genómica de la adaptación en artrópodos: estudio del sistema quimiosensorial y de la radiación del género Dysdera (Araneae) en Canarias Joel Vizueta Moraga Tesis doctoral 2019 Genómica de la adaptación en artrópodos: estudio del sistema quimiosensorial y de la radiación del género Dysdera (Araneae) en Canarias Memoria presentada por Joel Vizueta Moraga para optar al Grado de Doctor por la Universidad de Barcelona. Departamento de Genética, Microbiología y Estadística El autor de la tesis Joel Vizueta Moraga El tutor y codirector de la tesis El codirector de la tesis Dr. Julio Rozas Liras Dr. Alejandro Sánchez Gracia Catedrático de Genética Profesor asociado de Genética Departamento de Genética, Departamento de Genética, Microbiología y Estadística Microbiología y Estadística Facultad de Biología Facultad de Biología Universidad de Barcelona Universidad de Barcelona Barcelona, Septiembre de 2019 “Tener una idea es lo más fácil del mundo. Todo el mundo tiene ideas. Pero tienes que tomar esa idea y convertirla en algo a lo que la gente responderá, eso es difícil” Stanley Martin Lieber Gracias a todos los que habéis hecho posible esta tesis, compañeros, amigos, familia... Y en especial a Paula, Skye, a mis padres y mi hermano Álvaro Abstract During their evolutionary history, arthropods have diversified adapting to different habitats, including several independent colonizations of land, and sometimes implicating rapid radiations coupled with dietary specializations. Although the chemosensory system likely played a critical role in many of these adaptations, the origin and evolution of the gene families that mediate chemoperception in arthropods is still discussed in some important aspects. The main objective of this thesis is to gain insights into the molecular evolution of chelicerate diversification and, specifically, to determine the role of natural selection in this process. On one hand, we studied the evolution of the chemosensory gene families in chelicerates using comparative transcriptome and genome analyses. We first developed a bioinformatic pipeline (BITACORA) for the identification and annotation of gene families in genome assemblies. Using this tool, we identified members of two of the major arthropod chemoreceptor gene families (GRs and IRs) in chelicerates, being some of them expressed in the chemosensory appendages of the spider Dysdera silvatica, which supports its role in chemoperception. These families evolved under a dynamic gene birth and death model influenced by episodic bursts of gene duplication yielding lineage-specific expansions. Noticeably, we characterized in chelicerates a gene family distantly related to insect OBPs, suggesting a more ancient origin of these soluble carriers than previously thought, and a new gene family encoding small globular secreted proteins, which is a good chemosensory gene family candidate. In addition, we discuss the absence of the CSP family in chelicerates, and the putative role of NPC2 members in chemoperception. On the other hand, we studied the radiation of the spider genus Dysdera in the Canary Islands, where species diversification occurs concomitant with repeated events of trophic specialization. We identified a number of genetic changes likely associated with this convergent adaptation, including some related to heavy metal detoxification and homeostasis, metabolism of important nutrients and venom toxins. We uncovered the specific molecular substrates of these changes at different hierarchical levels, including same genes, gene functions or amino acid positions, some of them promoted by positive selection. Globally, our results increase the knowledge about the molecular basis of adaptation and provide new insights into the predictability of evolution. Índice Introducción 1 1 Genómica evolutiva 3 1.1 Evolución molecular 3 1.2 Selección natural a nivel molecular 4 1.3 Radiaciones adaptativas 6 1.4 Convergencia y predictibilidad en la evolución 7 2 El sistema quimiosensorial 9 2.1 El sistema quimiosensorial y su papel en la adaptación 9 2.2 El sistema quimiosensorial periférico en artrópodos 11 2.3 El sistema quimiosensorial en artrópodos: familias multigénicas 13 2.3.1 Quimiorreceptores 13 2.3.2 Proteínas de unión a ligando 17 2.4 Origen y evolución de las familias multigénicas 19 3 Organismos de estudio: Quelicerados 21 3.1 El género Dysdera 22 Objetivos 27 Informe de los directores 31 Capítulos 35 1 BITACORA: A comprehensive tool for the identification and annotation of gene 37 families in genome assemblies 2 Evolution of chemosensory gene families in arthropods: Insight from the first 73 inclusive comparative transcriptome analysis across spider appendages 3 Comparative genomics reveals thousands of novel chemosensory genes and 111 massive changes in chemoreceptor repertories across chelicerates 4 Chance and predictability in evolution: the genomic basis of convergent dietary 143 specializations in an adaptive radiation Discusión 185 1 Desarrollo e implementación de nuevos métodos para el estudio de familias 188 multigénicas en ensamblajes genómicos 2 Origen y evolución de las familias multigénicas del sistema quimiosensorial en 190 artrópodos 2.1 Quimiorreceptores en artrópodos 190 2.2 Proteínas solubles secretadas 194 3 Determinantes genómicos de la especialización trófica convergente en Dysdera 196 Conclusiones 201 Bibliografía 209 Anexo 223 A Comparative analysis of tissue-specific transcriptomes in the funnel-web spider 225 Macrothele calpeiana (Araneae, Hexathelidae) B Financiación 251 Introducción Introducción 1 Genómica evolutiva 1.1 Evolución molecular El concepto actual de evolución biológica establece que todas las especies existentes han derivado a partir de un ancestro común por la acumulación de cambios graduales de forma independiente en los distintos linajes ocasionando su diferenciación. En “El origen de las especies”, Charles Darwin1 introdujo el concepto de evolución por selección natural donde formula que la evolución se produce por la aparición al azar de variantes que pueden conferir ventajas adaptativas a los individuos de la población, incrementando su probabilidad de supervivencia y reproducción, en respuesta a circunstancias ambientales cambiantes. Actualmente, la base de la genética evolutiva postula que los principales mecanismos que explican los patrones de variación genética entre poblaciones y especies son: la mutación, la deriva genética, la migración, la recombinación y la selección natural. Estas fuerzas pueden actuar de forma paralela, viéndose influenciadas por factores demográficos, y son las que explican los patrones evolutivos observados en las poblaciones y especies2. El modelo más aceptado actualmente que explica de forma global los patrones de variación molecular, y único en alcanzar el nivel de teoría, es la teoría neutralista de evolución molecular. Esta teoría fue propuesta independientemente por Motoo Kimura3 y Jack King y Thomas Jukes4, y sostiene que, a nivel molecular, la gran mayoría de la variación genética no está moldeada por la selección natural positiva (o selección darwiniana), sino por la segregación y/o fijación al azar de sustituciones neutras o casi-neutras (Figura 1)5,6. No obstante, habrá una pequeña fracción de las variantes que estarán afectadas por la selección natural debido a su impacto en la eficacia biológica o aptitud de los organismos (conocido como fitness). Las mutaciones deletéreas, es decir, aquellas que afecten negativamente a la eficacia biológica de un organismo, estarán influenciadas por la selección negativa o purificadora, provocando que los individuos portadores tengan una menor probabilidad de reproducirse y, por tanto, de pasar dicha variante a su descendencia, reduciendo así la frecuencia de estas mutaciones en la población pudiendo llegar a 3 Genómica evolutiva 1.0 0.5 Frecuencia de la nueva mutación Frecuencia de la 0.0 Número de generaciones Figura 1. Aparición, pérdida y eventual fijación de nuevas mutaciones en una población de pequeño tamaño poblacional. La teoría neutralista establece que la mayoría de mutaciones son neutras y evolucionan por deriva genética y, por tanto, su destino depende del azar. La figura muestra el origen de 10 mutaciones, 9 de las cuales se perdieron tras aumentar ligeramente de frecuencia (en color rojo), y una llegó a fijarse en la población (de color marrón). Adaptado de Crow y Kimura7. ser eliminadas. Sin embargo, las mutaciones beneficiosas, las cuales incrementan la eficacia biológica del individuo, evolucionarán por selección positiva darwiniana, resultando en una mayor probabilidad de supervivencia y reproducción del organismo, y el consecuente aumento de su frecuencia en la población, pudiendo llegar a fijarse8. En consecuencia, esta pequeña fracción de variantes que estarán afectadas por la selección natural tendrá una alta probabilidad de perderse o fijarse y, por tanto, tendríamos poca probabilidad de verlas segregando en las poblaciones. De esta forma, la selección natural es la fuerza predominante que explica