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Evolución molecular de los genes del sistema olfatorio "OS-E" y "OS-F" en diferentes especies de Drosophila

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Universitat de Barcelona. Departament de Genètica

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[spa] Se ha estudiado la evolución molecular de los genes del sistema olfatorio OS-E y OS-F en especies del subgénero Sophophora de Drosophila, concretamente en especies de los grupos melanogaster y obscura. Los genes OS (olfactory-specific) codifican para proteínas de la familia de las OBPs (Odorant Binding Proteins), proteínas de unión a odorantes (i/o feromonas), que debido a su función en el sistema de reconocimiento del medio externo podrían, a priori, haber sufrido cambios de tipo adaptativo. El objetivo ha sido estudiar el posible impacto de la selección natural positiva en la evolución de estos genes en Drosophila. Los resultados se han descrito en cuatro artículos: En el primer artículo se describe el análisis de la variabilidad nucleotídica en una región de unas 7kb que incluye los genes OS-E y OS-F en cuatro especies del subgrupo melanogaster de Drosophila, Drososphila melanogaster, D. simulans, D. mauritiana y D. erecta, así como en una población natural de Drosophila melanogaster. Los resultados indican que los genes OS-E y OS-F están presentes en las cuatro especies investigadas y mantienen su estructura génica. Las estimas de polimorfismo y divergencia nucleotídica soportan la hipótesis de que ambos genes son funcionales, aunque presentan diferencias en su tasa evolutiva y en su constricción funcional. Algunas de las observaciones no son compatibles con el modelo neutro. En el segundo artículo se describe la caracterización, secuenciación y análisis de la variabilidad nucleotídica de la región genómica que incluye los genes del sistema olfativo OS-E y OS-F en una población europea y en otra africana de la especie  D. simulans. Las estimas de variación silenciosa y de la tasa de recombinación son mayores en  D. simulans. que en D. melanogaster. Además, la población europea de  D. simulans. presenta una estructura haplotípica inusual, donde la mitad de las secuencias son prácticamente idénticas (difiriendo en tan sólo una sustitución nucleotídica). Esta estructuración es incompatible con las predicciones de la teoría neutralista para poblaciones en equilibrio estacionario.  En el tercer artículo se investiga la variación nucleotídica de la región que incluye los genes OS-E y OS-F en dos ordenaciones cromosómicas (O[3+4] y O3+4+23), presentes en dos poblaciones naturales de Drosophila subobscura. El análisis de los niveles y patrón del polimorfismo de DNA son consistentes con un origen monofilético de la inversiones. A pesar de que las dos ordenaciones cromosómicas están fuertemente diferenciadas, existen evidencias de que ha habido flujo genético entre las mismas, probablemente provocado por eventos de conversión génica. Los tests basados en la distribución de las frecuencias de las mutaciones indican que las ordenaciones cromosómicas no se encuentran en equilibrio. Bajo una hipótesis de expansión, se ha estimado que la inversión O23 se originó hace unos 0.25 millones de años. En el último artículo se analiza la evolución molecular de las secuencias codificadoras de los genes OS-E y OS-F en 14 especies del subgénero Sophophora de Drosophila. El trabajo se ha realizado combinando análisis por máxima verosimilitud de la variabilidad sinónima y no sinónima (mediante el uso de modelos evolutivos de codones), con la información de la putativa estructura tridimensional de la proteína. Se ha estimado que la duplicación que originó los dos genes pudo ocurrir hace unos 43-94 millones de años. Los resultados indican que a pesar de que ambos genes presentan una gran y similar constricción funcional, el gen OS-E presenta una tasa evolutiva global significativamente más alta. Los resultados de este capítulo, así como del trabajo en general, sugieren que la selección natural positiva actuó sobre posiciones concretas de la zona codificadora de estos dos genes, y pudo tener un papel importante en la preservación de los dos genes duplicados en el genoma.

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[eng] We have studied the molecular evolution (at intraspecific and interspecific levels) of two members of the OBP (Odorant Binding Protein) gene family (the OS-E and OS-F genes) in different Drosophila species. These genes likely originated by an old gene duplication event, still maintaining a high conservation at the gene structure, amino acid, and nucleotide levels. In this study, we detected significant differences in the evolutionary rate and functional constraint between the two genes. The results are unlikely for a neutral evolving region. We also found that levels of silent variation and recombination rates are significantly higher in "Drosophila simulans" than in "D. Melanogaster". Additionally, we detected that the European population of "D. Simulans" is highly structured, with a very unusual haplotype configuration that deviates significantly from the neutral expectations. In "D. Subobscura" this region maps on the O chromosome. In particular, the OS-region is located close to one of the breakpoints of the inversion O23. The analysis of the patterns of nucleotide variation at the OS-E and OS-F genes in "D. Subobscura" in two different chromosomal inversions showed that nucleotide variation is not at the steady-state equilibrium, but reflects the expansion process caused by the increase in frequency of the inversion.  Finally, we analyzed nucleotide variation at the OS-E and OS-F genes in a number of Drosophila species to understand the evolutionary forces underlying their molecular evolution in this genus. We applied random and fixed-effects models, integrating information of DNA polymorphism, amino acid and nucleotide-based divergence, and 3D structure data to determine the selective constraint levels, and the putative role of positive selection in the evolutionary history of these genes, and especially in the maintenance of these duplicated gene copies. The results of these analyses allows concluding that positive selection is likely involved in the evolution of these genes in Drosophila.

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Tesis Doctorals - Departament - Genètica

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Evolución molecular de los genes del sistema olfatorio "OS-E" y "OS-F" en diferentes especies de Drosophila