Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul Programa de Pós-Graduação em Zoologia Análises genômicas da onça-pintada (Panthera onca): caracterização do genoma completo e investigação de regiões sob seleção através de comparações interespecíficas e populacionais Henrique Vieira Figueiró Tese de Doutorado Porto Alegre -2016- PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RIO GRANDE DO SUL FACULDADE DE BIOCIÊNCIAS PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ZOOLOGIA Análises genômicas da onça-pintada (Panthera onca): caracterização do genoma completo e investigação de regiões sob seleção através de comparações interespecíficas e populacionais Henrique Vieira Figueiró Orientador: Dr. Eduardo Eizirik TESE DE DOUTORADO PORTO ALEGRE – RS – BRASIL 2016 SUMÁRIO Agradecimentos...............................................................................................................................................................III Resumo................................................................................................................................................................................V Abstract.............................................................................................................................................................................VII Apresentação....................................................................................................................................................................IX Capítulo 1 – Introdução Geral.....................................................................................................................................1 Capítulo II – Jaguar genome sheds light on the complex evolution of the big cats…………….…..…20 Capítulo III – Exome sequencing reveals signatures of local adaptation in natural jaguar populations....................................................................................................................................................................124 Capítulo IV – Discussão Geral.................................................................................................................................171 Perspectivas...................................................................................................................................................................178 Referências.....................................................................................................................................................................179 I “You, me or nobody is gonna hit as hard as life. But it ain’t about how hard you hit. It’s about how hard you can get hit and keep moving forward.” Rocky Balboa II AGRADECIMENTOS O doutorado mais que um título, é a soma de todas as influências que recebemos em nossa vida, não apenas como profissionais, mas também como pessoas. É impossível agradecer todos que me influenciaram e tornaram esse caminho possível. Desde sempre contei com o apoio de professores, colegas, amigos e especialmente minha família para as minhas decisões. Antes de tudo, à minha família, que sempre me apoiou em tudo que foi necessário. Meu pai, que me ensinou a sonhar e especialmente minha mãe, que sempre lutou muito e é meu exemplo de vida. Aos meus amigos que sempre estiveram lá, algumas vezes longe, mas mesmo assim presentes. Muito obrigado Karen, Luísa, Gustavo, Mari e Guilherme, vocês são demais. À Helenita, por ser essa pessoa tão especial que tanto me apoiou nesse último ano. Ao meu orientador, Eduardo Eizirik, pela orientação, por ser um exemplo de pesquisador e ter me ensinado tanto ao longo dos anos, indo além do meio acadêmico. Muito obrigado. Às minhas duas padawans! Fernanda e Sarah, muito obrigado. Vocês foram essenciais e aprendi muito com as duas, mais do que vocês podem imaginar. Vocês vão longe e tenho muito orgulho de ter acompanhado a formação de vocês. À Cris, que começou me co-orientando na bancada quando entrei no laboratório e foi uma das pessoas mais importantes para a execução do meu doutorado. Muito obrigado pela parceria e amizade durante esse tempo. À Maíra, que sem dúvida chegou na hora certa! Muito obrigado por todo o apoio, sugestões e auxílio nesse momento tão conturbado que é o final de um doutorado. Talita, Manoel, Fernanda Pedone, Ricardo, Flávia, Laura, o nome de vocês não poderia faltar aqui. Muito obrigado pela amizade, conselhos, risadas e momentos do café no Genoma. III Aos genômicos! Todas as gerações que passaram pelo laboratório. Aprendi muito com todos vocês. À todas as técnicas que passaram pelo laboratório, muito obrigado, sem vocês o Genoma não seria nem de perto o que é hoje. Meu agradecimento especial à Cladi, que mais me acompanhou durante meus momentos de bancada, e até hoje ainda lembro dos ensinamentos dela. Aos mestres que eu tive durante essa jornada. Guto e Eros, que foram exemplos de professores e uma das maiores influências para eu ter escolhido a biologia. Os professores da Biociências, em especial o Bicca, o Gervásio, o Sandro. E a professora Eliane Santarém, que provavelmente mudou meu rumo como pesquisador, mostrando como biologia molecular é interessante. Ao professor Rasmus Nielsen, por ter me aceitado no grupo de pesquisa dele. Com certeza, foi um dos momentos mais importantes da minha formação como pesquisador. Ao pessoal do Nielsen lab. Foi muito legal poder conhecer um pouco do resto do mundo através de vocês. Um agradecimento especial ao Tyler, Ke e a Lydia. À Barbara e ao Andy e seus gatos Bear e Mia. Com certeza, vocês tornaram essa experiência de estar longe de casa muito melhor. Foi uma experiência incrível ter compartilhado esse ano com vocês. Muito obrigado por me receberem na casa de vocês. Aos colaboradores dos projetos desenvolvidos durante o doutorado. Todos aqueles que contribuíram com amostras ou participaram de alguma etapa do projeto. Em especial, o professo William Murphy no Texas A&M University, o grupo do laboratório de Biotecnologia Animal da ESALQ-USP e os pesquisadores do Centro de Pesquisa René Rachou na FIOCRUZ-MG, além de todos coautores dos trabalhos que compõem a tese. Ao CNPq e a CAPES pela bolsa de doutorado e doutorado-sanduíche, respectivamente. E todas as agências financiadoras devidamente lembradas nos artigos que compõem essa tese. À PUCRS pela infraestrutura, e todos seus funcionários por tornarem esse ambiente tão agradável IV RESUMO Nos últimos 10 anos, o sequenciamento genômico de alto desempenho revolucionou a biologia evolutiva. Com os avanços gerados pelo sequenciamento do genoma completo de espécies- modelo, agora é possível aplicar essas técnicas em animais com praticamente nenhum recurso genético disponível. O sequenciamento completo de genomas, bem como o uso de técnicas de representação reduzida, permitem explorar questões evolutivas complexas como, por exemplo, detecção de hibridação e assinaturas de seleção natural em uma escala genômica. Dentre os grupos taxonômicos que podem se beneficiar de tais técnicas está o gênero Panthera. O grupo é composto por cinco espécies atuais (P. onca, P. tigris, P. leo, P. pardus e P. uncia), todas elas apresentando grande porte e atuando como predadores de topo nos ambientes que ocupam. Devido às baixas densidades, alarmante perda de habitat e constantes conflitos com humanos, o nível de ameaça em que essas espécies se encontram é preocupante. Dentre as espécies do grupo, está a onça-pintada (P. onca), única integrante do gênero na região Neotropical e o principal foco deste trabalho. Nesse sentido, o presente estudo busca caracterizar pela primeira vez o genoma da onça-pintada, incluindo análises comparativas com as outras quatro espécies do gênero. Além disso, o trabalho tem como objetivo avaliar as populações de onça no Brasil e buscar assinaturas de seleção divergente nos biomas que ela ocupa. Para o sequenciamento do genoma da espécie, foram utilizadas quatro bibliotecas genômicas, com uma cobertura estimada de 84x. A sequência do genoma completo permitiu a anotação de 25.441 genes e a descrição de outros componentes do genoma (p.ex. ncRNA, microssatélites, numts). Adicionalmente, foi sequenciado o genoma de um leopardo (P. pardus) com cobertura estimada de 25x. Com esses dois novos genomas, completou-se um conjunto abrangendo todas as cinco espécies do gênero, permitindo a realização de análises de discordância filogenética para o grupo e detecção de seleção positiva utilizando um conjunto de 13.143 genes ortólogos. Foi possível demonstrar eventos de hibridação durante o processo de especiação das espécies do gênero, bem como sinais de seleção positiva em genes envolvidos em características que se destacam nos grandes felídeos. Entre eles, fenótipos potencialmente afetados por genes sob seleção incluem o crânio e membros robustos da onça-pintada, o comportamento social no leão, adaptação ao frio no leopardo das neves e a presença de listras no tigre. Com o uso de captura de exoma, que tem como objetivo o sequenciamento do conjunto de exons da espécie, foi possível realizar uma nova avaliação das características genéticas de populações de onça-pintada, bem como a detecção de assinaturas de adaptação local. Entre os resultados obtidos está a presença de genes sob seleção relacionados com metabolismo energético em populações da Amazônia, adaptações relacionadas com V desenvolvimento corporal no Pantanal e imunidade na Mata Atlântica. Adicionalmente, foram observados diversos genes de pigmentação com assinaturas de seleção em diferentes biomas. Esses genes, além de afetarem a coloração dos animais, possuem efeitos pleiotrópicos