Cambios transcripcionales y fenotípicos en Saccharomyces cerevisiae Y06240 sometida a evolución adaptativa bajo estrés oxidativo

Abstract

[ES] La duplicación génica se ha considerado como la principal fuente de generación de nuevas funciones a lo largo de la evolución. Miles de organismos, desde microorganismos hasta especies vegetales, han sufrido duplicaciones a nivel de genoma que les han permitido adquirir nuevas funciones, evitando su extinción. No obstante, aún hoy en día, no se conoce de forma precisa cual es el mecanismo responsable del mantenimiento de la fracción génica duplicada, pudiendo intervenir en ella la dosis génica, nivel de expresión génica o la posición en el genoma. Hace 100 Millones de años, dos especies de levadura hibridaron y sus descendientes sufrieron un evento de duplicación de todo el genoma, dando lugar a la actual Saccharomyces cerevisiae, que hoy en día mantiene un total de unos 550 pares de ohnólogos (WGDs, genes duplicados procedentes de este evento de Whole Genome Duplication) involucrados en multitud de funciones dentro de la célula. Además, el microorganismo ha ido sufriendo duplicaciones de copia única, dando como resultado un total de unos 560 pares parálogos (SSDs, Small Scale Duplicates), con también, funciones muy diversas. En este Trabajo Final de Grado (TFG) se han estudiado los cambios producidos a nivel fenotípico y transcripcional en Saccharomyces cerevisiae Y06240 tras someterla a un proceso de evolución experimental con 200 pases. La evolución experimental estaba dividida en dos fases: fase de diversificación con cuellos de botella del 1% (t0 a t100), y fase de adaptación con cuellos de botella del 10% (t100 a t200). En la fase de adaptación, la población a1 se dividió en tres subpoblaciones y se adaptaron a distintos estreses, manteniendo también líneas control en medio YPD. En este TFG se ha estudiado el estrés oxidativo (YPOxD) en distintos puntos temporales (t0, t100, t110 y t200), y se ha evaluado la respuesta fenotípica mediante curvas de crecimiento, así como la respuesta transcriptómica mediante el análisis de datos de RNASeq. En los análisis fenotípicos se ha obtenido la curva de crecimiento de la levadura con el Bioscreen c, determinando los parámetros de velocidad máxima de crecimiento (r, ¿máxima) y capacidad de carga (k, OD600 máxima) usando el script Growthcurver. La comparación de estos parámetros entre las líneas adaptadas y líneas control, en los puntos temporales indicados, nos permitirá determinar cómo las levaduras se adaptan al estrés oxidativo. En la respuesta transcriptómica, con RobiNA se han mapeado los reads obtenidos a los transcritos del genoma de referencia, y con edgeR se ha determinado la cantidad de genes con expresión diferencial. A partir de estos datos de logFC, se ha determinado también la proporción de WGDs, SSDs y genes de copia única (Singletons) que se encontraban alterados en cada comparación, así como si su expresión estaba regulada positiva o negativamente. Para finalizar, las búsquedas de enriquecimiento de términos GO, mostraron las funciones en los que los genes alterados se encontraban involucrados. Los resultados muestran que la levadura es capaz de adaptarse al estrés oxidativo reduciendo su r y aumentando la k. Estos cambios fenotípicos están apoyados por una alteración transcripcional de los genes implicados en la eliminación de especies reactivas del oxígeno y la protección frente a estrés oxidativo en vías metabólicas como la de las pentosas fosfato. Estos genes más involucrados en la adaptación al estrés oxidativo, son duplicados, provienen de una WGD o SSD.

[EN] Gene duplication has been considered the main source of generation of new functions throughout evolution. Thousands of organisms, from microorganisms to plant species, have undergone duplications at the genome level that have allowed them to acquire new functions, preventing their extinction. However, even today, the mechanism responsible for the maintenance of the duplicated gene fraction is not precisely known, and the gene dose, level of gene expression or position in the genome may intervene in it. 100 Million years ago, two yeast species hybridized and their descendants underwent a genome-wide duplication event, giving rise to the current Saccharomyces cerevisiae, which today maintains a total of about 550 pairs of ohnologs (WGDs, duplicate genes coming from this Whole Genome Guplication event) involved in a multitude of functions within the cell. In addition, the yeast has been undergoing single copy duplications, resulting in a total of about 560 paralogue pairs (SSDs, Small Scale Duplicates), with also very diverse functions. In this Bachelor Thesis, the changes produced at the phenotypic and transcriptional level in Saccharomyces cerevisiae Y06240 have been studied after subjecting it to an experimental evolution process with 200 passages. The experimental evolution was divided into two phases: diversification phase with 1% bottlenecks (t0 to t100), and adaptation phase with 10% bottlenecks (t100 to t200). In the adaptation phase, the a1 population was divided into three subpopulations and adapted to different stresses, also maintaining control lines in the YPD medium. In this Bachelor Thesis, oxidative stress (YPOxD) has been studied at different time points (t0, t100, t110 and t200), and the phenotypic response has been evaluated through growth curves, as well as the transcriptomic response through the analysis of RNASeq data. In the phenotypic analysis, the yeast growth curve was obtained with the Bioscreen c, determining the parameters of maximum growth speed (r, ¿max) and carry capacity (k, maximum OD600) using the Growthcurver script. The comparison of these parameters between the adapted lines and the control lines, at the indicated time points, have allowed us to determine how the yeasts adapt to oxidative stress. In the transcriptomic response, the reads obtained have been mapped with RobiNA to the transcripts of the reference genome, and with edgeR the number of genes with differential expression has been determined. From these logFC data, the proportion of WGDs, SSDs and single copy genes (Singletons) that were altered in each comparison was also determined, as well as whether their expression was positively or negatively regulated. Finally, the enrichment searches for GO terms showed the functions in which the altered genes were involved. The results show that yeast can adapt to oxidative stress by reducing its r and increasing its k. These phenotypic changes are supported by a transcriptional alteration of the genes involved in the elimination of reactive oxygen species and protection against oxidative stress in metabolic pathways such as pentose phosphate. These genes most involved in adaptation to oxidative stress are duplicates that come from a WGD or SSD.