Η συμβολή του μιτοχονδριακού mtDNA στην εξέλιξη: παραδείγματα από άγρια και οικόσιτα ζώα

Abstract

Mitochondrio is a semi-autonomous organelle of the cell, which produces the majority ofthe cellular energy through the Oxidative Phosphorylation system (OXPHOS). OXPHOS ismediated by 5 multisubunit enzymatic complexes. The subunits of the complexes are encoded by genes mapped in both the cellular genomes, the nuclear and the mitochondrial. The mitochondrial genome possesses some unique features, mentioning the maternal inheritance, the absence of repairing mechanisms, its autonomous replication system, resulting in faster evolutionary rhythms compared to the nuclear genome. So, in order to keep the functionality of the OXPHOS machinery, the nuclear genome has to keep the pace in the evolutionary rhythms of the genes that are cooperating with the mitochondrial genome, by co-adapting the respective nuclear genes. Until the last decade, the mtDNA was considered neutral in terms of natural selection andit was believed that is didn’t participate in adaptive mechanisms. However, in nowadays, mtDNA is not considered neutral and natural selection acts on mutations that affect the organisms’ fitness. Due to its maternal in heritance, the selection acts solely in the females rather than the males, so mutations that are neutral or beneficial to the females are favored. Though, these beneficial or neutral mutations for the females may have anegative impact in males’ fitness, leading to the phenomenon of the “mother’s curse”. Allopatric populations of the species differentiate genetically through natural selection and the random genetic drift and this divergence can lead to reproductive isolation. The interpopulation hybrids tend to show lower fitness and reproductive ability compared to the parental populations, and these effects are mainly caused by the mitochondrial dysfunction of the hybrids. This model of incompatibility is well-known as the Dobzhansky-Muller model of incompatibility (DMI) and includes many genetic loci. Nowadays, there are numerous studies that detect the cause of the hybrid failure in the mitochondrial dysfuncntion of the hybrids. In this thesis, we studied the selective pressures that act upon the mitochondrial genome in the species of the European brown hare (Lepus europaeus) as well as in closely relative species of the genus and how these pressures are shaping the levels of genetic variability. Also, by using data of transcriptomic analyses, we studied the effect of coadaptation in the genetic differentiation of both genomes, the nuclear and the mitochondrial, by assessing the relative rhythms of the genes encoding for the major energy producing mechanisms of the cells, namely the glycolysis, the Krebs cycle and the OXPHOS. The results, both in interpopulation and interspecies level, are in accordance with the coadaptation patterns of cooperating genes that are mapped in different genomes. Lastly,by studying both nuclear and mitochondrial markers in a hybrid population of the species of the European brown hare, we defined the major factors that affect the lack of gene flow and the introgression between the two lineages of the species.

Το μιτοχόνδριο είναι ένα ημιαυτόνομο οργανίδιο του οποίου η κύρια λειτουργία είναι η παραγωγή ATP μέσω της οξειδωτικής φωσφορυλίωσης (OXPHOS), χρησιμοποιώντας την ηλεκτροχημική βαθμίδωση των πρωτονίων στις δυο πλευρές της μεμβράνης. Η οξειδωτική φωσφορυλίωση πραγματοποιείται από πέντε ενζυμικά σύμπλοκα: οξειδοαναγωγάση του NADH, αναγωγάση του ηλεκτρικού, οξειδοαναγωγάση του κυτοχρώματος c, οξειδάση του κυτοχρώματος c και ATP συνθάση. Όλα τα ενζυμικά σύμπλοκα αποτελούνται από υπομονάδες που κωδικοποιούνται τόσο από το μιτοχονδριακό όσο και από το πυρηνικό DNA, εκτός από το σύμπλοκο ΙΙ το οποίο αποτελείται εξ ολοκλήρου από πρωτεΐνες που κωδικοποιούνται από πυρηνικά γονίδια. Η καλή συνεργασία των πρωτεϊνών που προέρχονται από τα δυο αυτά διαφορετικά γονιδιώματα είναι ζωτικής σημασίας για την παραγωγή ενέργειας και την επιβίωση του κυττάρου. Η συνεργασια,λοιπόν, των δύο ξεχωριστών γονιδιωμάτων φαίνεται να είναι ζωτικής σημασίας για το κύτταρο. Το μιτοχονδριακό DNA κατέχει μερικά μοναδικά χαρακτηριστικά τα οποία το κάνουν να διαφέρει από το πυρηνικό γονιδίωμα. Παρουσιάζει αποκλειστικά μητρική κληρονόμηση, απουσιάζουν οι επιδιορθωτικοί μηχανισμοί όπως και ο ομόλογος ανασυνδυασμός, αντιγράφεται αυτόνομα και είναι εκτεθιμένο σε ένα ιδιαίτερα μεταλλαξιγόνο περιβάλλον, το οποίο περιέχει ελεύθερες ρίζες οξυγόνου (ROS). Όλα αυτά τα χαρακτηριστικά συμβάλλουν στο να εμφανίζει ταχύτερη εξέλιξη σε σχέση με το πυρηνικό γονιδίωμα, από 10 έως χιλιάδες φορές σε μερικούς οργανισμούς.Η εμφάνιση, λοιπόν, ολοένα και αυξανόμενων μεταλλάξεων στο mtDNA αυξάνουν και την εμφάνιση μη συνώνυμων μεταλλάξεων στις πρωτεΐνες που κωδικοποιεί, οι οποίες ενδέχεται να επηρεάζουν την τρισδιάστατη διαμόρφωση τους αλλά και την συνεργασία τους με τις υπόλοιπες πρωτεΐνες των συμπλόκων, ιδιαίτερα αν συμβαίνουν στα σημεία αλληλεπίδρασης μεταξύ των πρωτεϊνών. Για την αντιμετώπιση τέτοιων φαινομένων «ασυμβατότητας» στην αλληλεπίδραση των πρωτεϊνών έχει προταθεί το μοντέλο της συμπροσαρμογής. Σύμφωνα με αυτό το μοντέλο, οι πρωτεΐνες που συνεργάζονται και κωδικοποιούνται από τα δυο αυτά διαφορετικά γονιδιώματα φαίνεται να έχουν παρόμοιους εξελικτικούς ρυθμούς. Μέχρι τα τέλη της προηγούμενης δεκαετίας, το μιτοχονδριακό DNA θεωρούνταν επιλεκτικά ουδέτερο, δηλαδή ότι η φυσική επιλογή δε δρα στους πολυμορφισμούς τουmtDNA και επομένως δεν επηρεάζεται η αρμοστικότητα (fitness) του οργανισμού από τις μεταλλάξεις αυτές. Το μιτοχονδριακό DNA δε θεωρείται πλέον επιλεκτικά ουδέτερο, και θεωρείται ότι η επιλογή δρα στις μεταλλάξεις που επηρεάζουν την βιωσιμότητα του οργανισμού. Λόγω της μητρικής κληρονόμησης του, έχει παρατηρηθεί ότι η επιλογή δρα στα θηλυκά άτομα παρά στα αρσενικά, τα οποία δε μεταβιβάζουν το μιτοχονδριακό τους γονιδίωμα στους απογόνους. Έτσι, επιβλαβείς μεταλλάξεις που εμφανίζονται στα αρσενικά άτομα δεν επιλέγονται αρνητικά και επηρεάζουν τόσο τη βιωσιμότητα των αρσενικών ατόμων, όσο και τη γονιμότητα τους, ενώ μεταλλάξεις που επηρεάζουν την παραγωγή ATP στα μιτοχόνδρια φαίνεται να έχουν μεγαλύτερο αντίκτυπο στα σπερματοζωάρια που έχουν σαφώς μεγαλύτερες ενεργειακές ανάγκες από το ωάριο. Η κληρονόμηση και διατήρηση τέτοιων επιβλαβών μεταλλάξεων στα αρσενικά άτομα αναφέρεται στη βιβλιογραφία και ως « το φαινόμενο της κατάρας της μητέρας» (mother’s curse effect). Μέσω της διαδικασίας της φυσικής επιλογής και της γενετικής παρέκλισης, οι αλλοπάτριοι πληθυσμοί φαίνεται να αποκλίνουν γενετικά και να φτάνουν μέχρι την αναπαραγωγική ασυμβατότητα. Λόγω της ταχύτερης εξέλιξης του μιτοχονδριακού γονιδιώματος σε σχέση με το πυρηνικό, ο διαπληθυσμιακός υβριδισμός φαίνεται να αποτυγχάνει λόγω της μιτοχονδριακής δυσλειτουργίας των υβριδίων. Το μοντέλο που έχει προταθεί για να περιγράψει αυτή την μειωμένη βιωσιμότητα των υβριδίων είναι γνωστό και ως το μοντέλο της ασυμβατότητας των Dobzhansky και Muller και περιλαμβάνει πολλαπλούς γενετικούς τόπους. Μέχρι σήμερα, υπάρχουν αρκετές μελέτες που εντοπίζουν στο μιτοχονδριακό γονιδίωμα την ασυμβατότητα μεταξύ απομακρυσμένων πληθυσμών που έχει ως αποτέλεσμα την χαμηλή βιωσιμότητα των υβριδίων. Στην παρούσα διατριβή, μελετήθηκαν οι επιλεκτικές πιέσεις που ασκούνται στο επίπεδο του μιτοχονδριακού DNA στο είδος του Ευρωπαϊκού λαγού (Lepus europaeus)καθώς και σε συγγενικά είδη λαγομόρφων καθώς και τα πρότυπα διαφοροποίησης των μιτοχονδριακών γονιδιωμάτων ανάμεσα στις δυο γενεαλογίες του είδους, της Ευρωπαϊκής και της Ανατολικής. Στη συνέχεια, με τη χρήση δεδομένων από ανάλυση μεταγραφώματος, προσδιορίστηκε η επίδραση της συμπροσαρμογής στη γενετική διαφοροποίηση και των δυο γονιδιωμάτων, του μιτοχονδριακού και του πυρηνικού και ιδιαίτερα στα γονίδια που κωδικοποιούν για τις τρεις βασικές διεργασίες παραγωγής ενέργειας του κυττάρου, την γλυκόλυση, τον κύκλο του Krebs και την οξειδωτική φωσφορυλίωση. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν, τόσο σε διαπληθυσμιακό όσο και σε διαειδικό επίπεδο, συμφωνούν με τα πρότυπα συμπροσαρμογής των αλληλεπιδρόντων γονιδίων που χαρτογραφούνται σε διαφορετικά γονιδιώματα, καθώς τα γονίδια του πυρήνα που κωδικοποιούν για τα σύμπλοκα της οξειδωτικής φωσφορυλίωσης φαίνεται να εμφανίζουν ιδιαίτερα αυξημένους εξελικτικούς ρυθμούς, οι οποίοι προσεγγίζουν τους αντίστοιχους ρυθμούς των μιτοχονδριακών γονιδίων. Τέλος, χρησιμοποιήθηκαν πυρηνικοί και μιτοχονδριακοί δείκτες για την εκτίμηση της πληθυσμιακής δομής του πληθυσμού της υβριδιακής ζώνης του είδους του Ευρωπαικού λαγού που εντοπίζεται στη Βόρειοανατολική Ελλάδα και τη Βουλγαρία και να προσδιοριστούν οι παράγοντες που επηρεάζουν τα πρότυπα γονιδιακής ροής που εμφανίζονται ανάμεσα στις δύο γενεαλογίες.