Evolução da c-heterocromatina baseada no estudo de sequências de DNA repetitivo em abelhas do gênero Melipona e Trigona (Apidae: Meliponini)

Abstract

A heterocromatina constitutiva (c-heterocromatina) está relacionada à estabilidade dos cromossomos, formação de centrômeros e telômeros. Sua composição é basicamente de sequência de DNA repetitivo, como DNA satélite (DNAsat) e elementos transponíveis (TE). Essas sequências estão sujeitas a rápidas modificações, as quais podem influenciar na evolução da c-heterocromatina e do genoma das espécies. Em Meliponini, abelhas sem ferrão, normalmente as espécies apresentam um dos braços cromossômicos com grandes blocos de c-heterocromatina, como ocorre no gênero Trigona. Entretanto, o gênero Melipona é uma exceção a esse padrão, com espécies em que a c-heterocromatina ocupa quase toda a extensão dos cromossomos (alto conteúdo de c-heterocromatina) e espécies com pouca quantidade de c-heterocromatina (baixo conteúdo de c-heterocromatina), sendo nesse caso restrita à região centromérica e pericentromérica dos cromossomos. Devido a essas características cromossômicas, as espécies dos gêneros Melipona e Trigona são um modelo pertinente para estudar a evolução da c-heterocromatina, a partir da abordagem de sua composição molecular. Desse modo, no capítulo I, caracterizamos as sequências de DNA repetitivo dos cromossomos de duas espécies de Melipona, Melipona (Michmelia) scutellaris, com alto conteúdo de c- heterocromatina e Melipona (Melipona) quadrifasciata, baixo conteúdo de c- heterocromatina, por meio do sequenciamento genômico, métodos de bioinformática e citogenética. Nossos dados revelaram que a composição da c-heterocromatina é diferente entre as duas espécies analisadas e à amplificação dessa região nos cromossomos de M. scutellaris é decorrente da intensa amplificação de famílias especificas de DNA repetitivo. No capítulo II estendemos as análises anteriores para representantes de diferentes subgêneros de Melipona: Melipona (Michmelia) mondury, Melipona (Melikerria) interrupta, Melipona (Melikerria) fasciculata, Melipona (Eomelipona) bicolor, com alto e baixo conteúdo de c- heterocromatina. A composição da c-heterocromatina mostrou diferente entre os quatro subgêneros e isso foi decorrente de mudanças quantitativas na biblioteca de DNAsat das espécies. Os subgêneros com baixa proporção de c-heterocromatina (Eomelipona e Melipona) apresentaram baixa abundância de DNAsat, enquanto o oposto é observado em espécies com alto conteúdo (Michmelia e Melikerria). Notamos, que a amplificação da c-heterocromatina ocorreu de forma independente em Michmelia e Melikerria, e esse processo foi decorrente de duas famílias de DNAsat que forma amplificadas de forma diferente em cada subgênero. No capítulo III usamos diferentes técnicas, enzimas de restrição, sequenciamento de genoma, análises de bioinformática e hibridização fluorescente in situ, com intuito de identificar as sequências que estão contribuindo para evolução da c-heterocromatina em Trigona. Identificamos uma família de DNAsat altamente abundante do genoma de Trigona hyalinata como um dos principais constituintes da c-heterocromatina dessa espécie, bem como de espécies pertencentes ao clado B. Essa família não foi observada em nenhuma espécie analisada do clado A. Desse modo, a c-heterocromatina em Trigona está evoluindo de forma diferente entre clado A e B, e isso é decorrente da modificação da biblioteca de DNAsat ao longo do tempo. Palavras-Chave: Genoma. DNA repetitivo. RepeatExplorer. Citogenética.

Constitutive heterochromatin (c-heterochromatin) is related to chromosome stability, centromeres and telomeres formation. Its composition is basically a repetitive DNA sequence, such as satellite DNA (DNAsat) and transposable elements (TE). These sequences are subject to rapid modifications, which can influence the evolution of c-heterochromatin and the genome of the species. In Meliponini, stingless bees, the species normally have one of the chromosome arms with large blocks of c-heterochromatin, as in the genus Trigona. However, the genus Melipona represents an exception to this pattern, with species in which c- heterochromatin occupies almost the entire length of the chromosomes (high content of c- heterochromatin) and species with little amount of c-heterochromatin (low content of c- heterochromatin). Due to these chromosomal characteristics, the species of the genera Melipona and Trigona are relevant model to study the evolution of c-heterochromatin based on its molecular composition. Thus, in chapter I, we characterized the repetitive DNA sequences of the chromosomes of two species of Melipona, Melipona (Michmelia) scutellaris, with high c-heterochromatin content and Melipona (Melipona) quadrifasciata, low c- heterochromatin content, through of genomic sequencing, bioinformatics and cytogenetics methods. Our data revealed that the composition of c-heterochromatin is different between the two analyzed species and the amplification of this region in the chromosomes of M. scutellaris is due to the intense amplification of specific families of repetitive DNA. In chapter II we extend the previous analyzes to representatives of different subgenera of Melipona: Melipona (Michmelia) mondury, Melipona (Melikerria) interrupta, Melipona (Melikerria) fasciculata, Melipona (Eomelipona) bicolor, with high and low c-heterochromatin content. The composition of c-heterochromatin showed differences between the four subgenera and this was due to quantitative changes in the satDNA library of the species. The subgenera with a low proportion of c-heterochromatin (Eomelipona and Melipona) showed a low abundance of satDNA, while the opposite is observed in species with a high content (Michmelia and Melikerria). We noticed that the amplification of c-heterochromatin occurred independently in Michmelia and Melikerria, and this process was due to two families of satDNA that were amplified differently in each subgenus. In chapter III we used different techniques, restriction enzymes, genome sequencing, bioinformatics analysis and fluorescent in situ hybridization, in order to identify the sequences that are contributing to the evolution of c-heterochromatin in Trigona. We identified a family of highly abundant satDNAs from the genome of Trigona hyalinata as one of the main constituents of c-heterochromatin of this species, as well as of species belonging to the clade B. This family was not observed in any analyzed species from clade A. Thus, c-heterochromatin in Trigona is evolving differently between clade A and B, and this is due to the modification of the satDNA library over time. Keywords: Genome. Repetitive DNA. RepeatExplorer. Cytogenetics.