How does chromosomal instability affect the tempo and mode of adaptation
Year: 2015
Type: dissertation
Abstract: A instabilidade genómica ao nível da estrutura cromossómica (instabilidade cromossómica) tem um papel importante na progressão do cancro. Vários estudos sugerem também que a instabilidade cromossómica pode proporcionar saltos gigantescos na paisagem adaptativa durante a adaptação a um novo ambiente. Isto porque o número de passos mutacionais necessários para que daí possam resultar mudanças significativas no fenótipo é menor do que em mutadores ao nível de substituições nucleotídicas simples. A instabilidade cromossómica gera alterações estruturais nos cromossomas (rearranjos cromossómicos) que podem afetar não só as sequências nucleotídicas de genes específicos como também interferir com a ordem de elementos regulatórios no genoma e, consequentemente, alterar padrões de expressão génica. Contudo, há uma considerável escassez na literatura de estudos sobre as dinâmicas evolutivas de mutadores da estrutura cromossómica (organismos com elevada instabilidade cromossómica), que em última análise são necessários para uma melhor compreensão do quanto e em que circunstâncias a elevada evolvabilidade, que é intrínseca destes mutadores, poderá ser benéfica ou deletéria a curto e a longo prazo. Há hipóteses que sugerem que em ambientes constantes, não stressantes, a instabilidade cromossómica paga um custo devido à acumulação de mutações deletérias. No entanto, durante a adaptação a novos ambientes ou em ambientes alternados, estes mutadores da estrutura cromossómica podem contribuir com a variabilidade genética necessária para a adaptação da população. Os efeitos positivos que alguns rearranjos cromossómicos representam para o fitness podem exceder os efeitos pejorativos dos restantes rearranjos resultantes deste tipo de instabilidade. O objetivo deste trabalho é o estudo dos “trade-offs” evolutivos que condicionam a evolução da instabilidade cromossómica. Através de evolução experimental estudámos a adaptação a curto prazo de estirpes instáveis de Schizosaccharomyces pombe em duas condições ambientais: um ambiente constante, não stressante, e um ambiente alternado. Nomeadamente, queríamos determinar se as estirpes instáveis têm uma vantagem adaptativa num contexto de ambiente alternado, em que há mais espaço para adaptação, e se, por outro lado, o balanço entre as mutações deletérias e as mutações benéficas que possam surgir pode constituir um custo para estas estirpes num ambiente constante, em que há menos espaço para adaptação. O fenótipo de instabilidade característico das estirpes que usámos é consequência de um conjunto de mutações construídas no laboratório que afetam o encapsulamento dos telómeros bem como mecanismos de reparação de DNA e que, em conjunto, originam padrões de rearranjos cromossómicos brutos como translocações, inversões, deleções, amplificações e aneuploidia. Para responder às questões a que nos propusémos, realizámos ensaios de competição entre as estirpes instáveis e um clone de referência das estirpes controlo, bem como entre as estirpes controlo e um clone referência das estirpes instáveis. As estirpes controlo foram evoluídas em conjunto com as instáveis durante a evolução experimental e estão marcadas com mCherry, uma proteína flourescente, o que permite que as suas frequências sejam seguidas por um equipamento especializado ao longo de alguns ciclos de crescimento e diferenciadas das frequências das estirpes instáveis, que não têm fluorescência. Estes ensaios permitiram-nos determinar o fitness relativo das duas estirpes como função da alteração das suas frequências relativas ao longo das competições. Desta forma, estimámos o fitness das estirpes no início da evolução experimental e depois da adaptação a curto prazo nas duas condições ambientais (ambiente constante e alternado). Também realizámos experiências para testar se o tamanho populacional das duas estirpes sofreu alterações ao longo da evolução experimental, já que alterações neste parâmetro podem afetar grandemente a eficiência da seleção natural em oposição à ação da deriva genética. O efeito fundador também pode afetar a ação da seleção natural. No início da evolução experimental usámos diferentes clones de cada estirpe para fundar os replicados populacionais e testámos se haviam diferenças no fitness inicial. Procurámos também perceber se mutações que possam ter surgido nos diferentes clones das estirpes instáveis imediatamente após a criação do seu fenótipo de instabilidade condicionaram a sua evolução. Para isso testámos o efeito do clone no fitness final de cada estirpe para as duas condições ambientais. Fizémos também uma estimativa do papel relativo da seleção, história e deriva na distribuição dos valores finais de fitness de cada estirpe. Os dados de fitness permitiram-nos responder a várias perguntas específicas: 1) as estirpes adaptaram-se às condições ambientais a que foram expostas (há diferenças entre o fitness inicial e o fitness após a evolução experimental?); 2) qual foi a dinâmica evolutiva das estirpes (houve convergência para os mesmos valores de fitness ou divergência entre os replicados populacionais de cada estirpe?); 3) há diferenças entre as dinâmicas evolutivas das duas estirpes?; 4) há diferenças entre as dinâmicas evolutivas de cada estirpe na adaptação aos dois tipos de ambiente?. Concluímos que, após a adaptação a curto prazo em ambiente constante, o fitness das estirpes instáveis aumentou e a adaptação foi caracterizada por uma divergência fenotípica reveladora de uma paisagem adaptativa complexa, composta por vários picos locais. Estas observações suportam a hipótese de que a instabilidade cromossómica pode permitir uma exploração mais abrangente da paisagem adaptativa, aumentando as probabilidades de se atingirem picos mais elevados. As estirpes controlo, no entanto, sofreram um decréscimo do fitness durante a adaptação em ambiente constante. Não detectámos nenhum padrão de divergência ou convergência entre os replicados populacionais destas estirpes o que, aliado à observação de que o clone teve um efeito significativo nas suas trajectórias evolutivas, constitui evidência para a incapacidade de grandes populações com taxas moderadas de mutação explorarem paisagens adaptativas muito complexas. Assim, os genótipos fundadores dos replicados populacionais destas estirpes terão determinado a paisagem adaptativa passível de ser explorada no início da experiência de evolução tendo em conta as suas limitações em termos de taxa de mutação. O efeito do clone nos valores de fitness das estirpes controlo foi evidente mesmo no fim da experiência de adaptação. Embora a história não tenha tido um efeito considerável nas distribuições de fitness das estirpes evoluídas em comparação com o efeito da seleção natural, há evidências de que a variabilidade genotípica entre as populações no início da experiência de evolução terá limitado as diferentes populações a vales distintos na paisagem adaptativa. A adaptação de ambas as estirpes em ambiente alternado foi caracterizada por um “trade-off” na capacidade de exploração de fontes de carbono alternativas. Em suma, os nossos resultados indicam que as dinâmicas evolutivas que condicionam a adaptação a curto prazo de mutadores da estrutura cromossómica são altamente complexas e dependentes das condições ambientais.
Author: Ana Catarina Silvestre Morais
Language: English
Subfield: Genetics
Domain: Life Sciences
Open Access status: green
OpenAlex ID: W2264171082