Os genes Hox padronizam o corpo dos vertebrados durante o desenvolvimento embrionário, e a compreensão de sua evolução pode elucidar mecanismos genéticos subjacentes à evolução morfológica. A evolução molecular dos genes Hox imprime assinaturas em regiões regulatórias, as quais potencialmente afetam sua expressão gênica, como os elementos cis-regulatórios (CREs) que ladeiam o cluster D de Hox e seus RNAs não-codificantes (ncRNAs). Essa Tese de Doutorado enfoca a evolução regulatória de genes HoxD envolvidos no estabelecimento dos eixos corpóreos axial ântero-posterior (AP) e apendiculares em linhagens de aminiotas que exibem características morfológicas homoplásticas peculiares: os squamatas serpentiformes (Capítulos I e II) e os marsupiais Diprotodontia (Capítulo III). No Capítulo I investigou-se, em serpentes e anfisbênias, se assinaturas regulatórias envolvidas no estabelecimento das morfologias serpentiformes foram impressas na Sequência Conservada B (Conserved Sequence B, CsB), um CRE centromérico de Hoxd10-13. Usando lagartos e outros tetrápodes como referência para a morfologia serpentiforme, regiões conservadas de CsB foram sequenciadas em 38 espécies de Squamata, cujos TFBS foram preditos e comparados. Ambas linhagens serpentiformes exibem assinaturas regulatórias divergentes e convergentes ausentes em lagartos; a convergência localizou-se em um segmento de CsB que concentra perda nas linhagens serpentiformes de diversos TFBS com funções no desenvolvimento de membros e a aquisição de um sítio de ligação para PBX1. Essa assinatura convergente impressa durante evoluções independentes da morfologia serpentiforme pode estar relacionada à elongação corpórea e à perda dos membros, evidenciando um papel do CsB no desenvolvimento do eixo AP. No Capítulo II, foi investigado se um CRE telomérico (CNS65) e um centromérico (Island I) de Hoxd, os quais regulam respectivamente regiões proximais e distais dos membros tetrápodes em desenvolvimento, retêm suas capacidades regulatórias em Serpentes. Expressões de gene repórter desses CREs de serpentes foram realizadas em camundongo transgênico, revelando deficiência de suas atividades regulatórias nos brotos de membro. A comparação dos TFBS preditos nesses elementos entre serpentes e outros tetrápodes revelou que TFBS relacionados ao desenvolvimento dos membros foram perdidos nas sequências das serpentes. Ainda, essa comparação indicou um elemento em CNS65 potencialmente envolvido especificamente na regulação da formação de estilopódio/zeugopódio, e três elementos na Island I exclusivamente reguladores do desenvolvimento autopodial. A perda de membros em x serpentes aparentemente imprimiu assinaturas nesses CREs de Hoxd que possivelmente contribuíram para sua degeneração funcional, putativamente indicando módulos específicos de regulação nos membros. No Capítulo III, ncRNAs do cluster D de Hox foram estudados no contexto da evolução morfológica do autopódio posterior e heterocronia entre o desenvolvimento de membros anteriores e posteriores em Macropus eugenii. Os ncRNAs mapeados sobre o cluster D de Hox foram selecionados a partir de transcritoma de membros de embriões de M. eugenii nos dias 23 (d23) e 25 (d25) de gravidez, e sua conservação, perfis transcricionais e padrões de expressão foram explorados. A comparação com sequências ortólogas de outros mamíferos revelou cinco ncRNAs conservados em mamíferos, e três aparentemente exclusivos dos marsupiais. Os perfis transcricionais de genes HOXD10-13 e dos ncRNAs do cluster D de Hox foram predominantemente equivalentes. Os padrões de expressão de XLOC46 foi similar aos dos genes HOXD terminais de camundongo e M. eugenii, enquanto que XLOC52 e XLOC53 apresentaram expressão idêntica à desses genes em M. eugenii, exceto pela baixa expressão de XLOC53 no d25. Os ncRNAs intergênicos/intrônicos aos genes HOXD9-12 possivelmente regulam a expressão de genes HOXD terminais em mamíferos, enquanto que XLOC52 e XLOC53 constituem bons candidatos para investigação relacionada à evolução dos membros de marsupiais. Esta Tese demonstra como estudos de assinaturas regulatórias na evolução de genes do desenvolvimento contribuem para o entendimento das histórias evolutivas de divergência entre linhagens e d / Hox genes pattern the vertebrate body during embryonic development, and understanding their evolution may unravel genetic mechanisms subjacent to morphological evolution. Molecular evolution of Hox genes entails signatures in regulatory regions that potentially affect gene expression, such as the cis-regulatory elements (CREs) that surround the HoxD cluster and its noncoding RNAs (ncRNAs). In this PhD Thesis, I have explored regulatory evolution of HoxD genes engaged in the development of appendicular and anterior-posterior body (AP) axes in amniotic lineages that exhibit homoplastic morphological peculiarities: snakelike squamates (Chapters I and II) and diprotodontid marsupials (Chapter III). In Chapter I, I investigated in snakes and amphisbaenians, whether equivalent regulatory signatures were registered in the Conserved Sequence B (CsB), a centromeric Hoxd10-13 CRE, during evolution of snakelike morphologies. Using lizards and other tetrapods to represent the lacertiform morphology, conserved regions within CsB were sequenced from 38 squamate species, and transcription factor binding sites (TFBS) were predicted and compared among groups. Both snakelike lineages carry divergent and convergent regulatory signatures not identified in lizards; the convergence located in one CsB segment comprised loss of limb-related TFBS and gain of a binding site for PBX1. This convergent regulatory signature registered along two independent processes of snakelike evolution may relate to body elongation and limb loss, and evidences a role of CsB for AP axis development. In Chapter II, I investigated whether a telomeric (CNS65) and a centromeric (Island I) Hoxd enhancer that regulate gene expression respectively at proximal and distal regions of developing limbs retain their regulatory capacities in Serpentes. Gene reporter expression of these CREs from snakes were performed in transgenic mice and revealed that their regulatory activities were abrogated in limb buds. Comparison of predicted TFBS in these elements between snakes and limbed tetrapods revealed limb-related TFBS apparently lost in snakes, and pointed to one potential stilopodium/zeugopodium-specific element in CNS65 and three likely autopodium-specific elements in Island I. Limb loss in snakes registered signatures in Hoxd CREs that possibly contributed for their functional impairment, putatively indicating limb-specific modules. Finally, in the chapter III, I studied ncRNAs from HoxD cluster in the context of hindlimb morphological evolution and heterochrony between fore and hindlimb development in the tammar wallaby Macropus eugenii. The ncRNAs mapped to HoxD cluster were selected from transcriptome performed using tammar embryo limbs at days 23 (d23) and 25 (d25) of viii pregnancy, and their conservation, transcriptional profiles and expression patterns were explored. Comparison with orthologous sequences in other mammals revealed five ncRNAs conserved among mammals, and three transcripts apparently exclusive to marsupials. Transcriptional profiles of HOXD10-13 and HoxD ncRNAs were mostly equivalent. XLOC46 expression patterns resembled those of mouse and tammar terminal HOXD genes, whereas XLOC52 and XLOC53 showed identical expression patterns to those genes of tammar, except for XLOC53 low expression at d25. The ncRNAs intergenic/intronic to HOXD9-12 may regulate expression of terminal HOXD genes in mammals, and XLOC52 and XLOC53 are suitable for investigation regarding limb evolution in marsupial. This PhD Thesis demonstrates how studies of evolutionary footprints in regulatory elements of developmental genes contribute for elucidating specific processes during lineages divergence as well as functional aspects of these genes during development.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:usp.br/oai:teses.usp.br:tde-03052016-155103 |
| Date | 02 December 2015 |
| Creators | Milograna, Sarah Ribeiro |
| Contributors | Kohlsdorf, Tiana |
| Publisher | Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP |
| Source Sets | Universidade de São Paulo |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | Tese de Doutorado |
| Format | application/pdf |
| Rights | Reter o conteúdo por motivos de patente, publicação e/ou direitos autoriais. |
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