| Fecha: |
2025 |
| Resumen: |
Les reorganitzacions cromosòmiques poden donar lloc a l'aparició de noves espècies, atès que alteren l'estructura tridimensional del genoma i afavoreixen l'aïllament reproductiu entre poblacions divergents. No obstant això, els mecanismes moleculars subjacents encara no han estat completament elucidats. En aquest context, les poblacions naturals que presenten fusions Robertsonianes (Rb) constitueixen un model excepcional per a l'estudi d'aquests processos evolutius. Aquest és el cas particular del sistema Rb de Barcelona (BRbS), caracteritzat per ratolins amb un nombre diploide variable, comprès entre 28 i 40 cromosomes, degut a la presència de fusions Rb en estat polimòrfic (és a dir, en homozigosi i/o heterozigosi). En el marc d'aquesta tesi, s'ha analitzat l'espermatogènesi de ratolins del BRbS, amb un èmfasi especial en la recombinació meiótica. Els objectius principals han estat: (i) examinar les alteracions de la fertilitat derivades de les fusions Rb i (ii) caracteritzar les modificacions en la recombinació associades a aquestes mateixes fusions. Per assolir aquests objectius, s'ha emprat una aproximació metodològica integradora, que inclou estudis citogenètics, anàlisi de l'estructura poblacional, seqüenciació genòmica i valoració morfològica d'espermatozoides. La seqüenciació genòmica ha englobat tant l'anàlisi transcriptòmic de l'expressió gènica com la seqüenciació d'ADN monocatenari per a la identificació dels llocs d'inici de la recombinació meiótica (Double Strand Breaks, DSBs). Pel que fa al primer objectiu, els resultats obtinguts posen de manifest una interacció complexa entre les reorganitzacions cromosòmiques i la meiosi. Malgrat que les fusions Rb retarden lleugerament la profase I, no n'impedeixen la progressió, la qual cosa evidencia una certa tolerància reproductiva davant la variació cromosòmica. S'ha observat un increment de les interaccions inter-cromosòmiques en ratolins Rb en comparació amb ratolins salvatges, incloent-hi la participació recurrent dels cromosomes sexuals en aquestes associacions. Paral·lelament, les dades d'expressió gènica han posat de manifest que les fusions Rb indueixen canvis transversals en tot el conjunt cromosòmic, i no exclusivament en els cromosomes implicats en la fusió. A més, el teixit testicular presenta un estat proinflamatori, caracteritzat per activació de gens ribosòmics i una reducció en l'expressió de gens relacionats amb l'adhesió cel·lular. Així mateix, l'anàlisi morfològica d'espermatozoides ha permès identificar alteracions a la morfologia nuclear, en particular un escurçament del ganxo espermàtic. Quant al segon objectiu, s'han detectat canvis rellevants en la dinàmica de la recombinació meiótica. Les anàlisis poblacionals apunten a una major diferenciació genètica en ratolins Rb en relació amb els controls, fet que suggereix que les fusions limiten l'intercanvi genètic entre poblacions. Aquesta diferenciació s'ha vist reforçada per l'elevada diversitat d'al·lels de Prdm9 detectada en aquest estudi. A més, l'anàlisi d'alta resolució (kb) dels DSBs ha permès delimitar regions d'alta recombinació independents de Prdm9 en ratolins Rb, la qual cosa suggereix l'existència de mecanismes adaptatius alternatius per a l'inici de la recombinació. Paral·lelament, el nombre d'entrecreuaments cromosòmics (crossovers, COs) observats en ratolins Rb és inferior al dels controls, amb una distribució més telomèrica, atribuïble a un efecte centromèric accentuat i a una major interferència entre COs. Finalment, s'ha comprovat una reducció en la càrrega de la proteïna centromèrica CENP-A en ratolins Rb, especialment en els casos en què els cromosomes fusionats no arriben a sinapsar completament. Malgrat les alteracions descrites, els ratolins Rb conserven la fertilitat. Aquests resultats posen en relleu mecanismes moleculars que permeten a determinades poblacions naturals tolerar reorganitzacions genòmiques de gran magnitud, garantint alhora la preservació de funcions essencials. En síntesi, les evidències presentades en aquesta tesi mostren com les reorganitzacions cromosòmiques poden constituir un motor en l'origen de noves espècies. |
| Resumen: |
Las reorganizaciones cromosómicas pueden originar nuevas especies, pues alteran la estructura tridimensional del genoma y facilitan el aislamiento reproductivo entre poblaciones divergentes. Sin embargo, los mecanismos moleculares subyacentes aún no se comprenden completamente. En este contexto, poblaciones naturales que presentan fusiones Robertsonianas (Rb) son un modelo único que nos permite estudiar estos procesos evolutivos. Este es el caso particular del sistema Rb de Barcelona (BRbS), caracterizado por tener ratones con un número diploide variable de entre 28 y 40 cromosomas, debido a la presencia de fusiones Rb en estado polimórfico (esto es, en homocigosis y/o heterocigosis). En esta tesis, hemos estudiado la espermatogénesis de ratones del BRbS, con un interés particular en la recombinación meiótica. Concretamente hemos abordamos dos objetivos: (i) estudiar los problemas de fertilidad derivados de las fusiones Rb y (ii) analizar las alteraciones en la recombinación asociadas con estas mismas. Para ello hemos empleado una metodología integradora que combina el estudio citogenético, el análisis de la estructura poblacional, la secuenciación genómica y la evaluación morfológica de espermatozoides. La secuenciación genómica incluye el análisis transcriptómico para evaluar la expresión de genes, así como la secuenciación de ADN de cadena simple para detectar los sitios de iniciación de la recombinación meiótica (Double Strand Breaks, DSBs). Con respecto al primer objetivo, nuestros resultados revelaron una compleja interacción entre las reorganizaciones cromosómicas y la meiosis. Aunque las fusiones Rb retrasan levemente la profase I, no impiden su progresión indicando tolerancia reproductiva a la variación cromosómica. Específicamente, hemos detectado un aumento en las interacciones entre cromosomas en ratones Rb en comparación con ratones salvajes sin fusiones. Esta reorganización incluye a los cromosomas sexuales, pues se asocian de forma recurrente con los autosómicos. Además, los datos de expresión genética indicaron que las fusiones Rb provocan cambios generalizados en todos los cromosomas, y no exclusivamente en los fusionados. Además, el testículo presenta un estado proinflamatorio, con activación de genes ribosomales y baja expresión de genes involucrados en la adhesión celular. Además, hemos detectado cambios morfológicos en la cabeza del espermatozoide, destacando un gancho más corto. En cuanto al segundo objetivo, hemos detectado importantes cambios en la recombinación meiótica. Los análisis a nivel poblacional revelaron mayor diferenciación genética en ratones Rb que en los controles, sugiriendo que las fusiones restringen el intercambio genético entre poblaciones. A esta diferenciación genética también contribuye la gran diversidad de alelos de Prdm9 detectados en este estudio. Además, el análisis de alta resolución (kb) de DSBs nos ha permitido identificar regiones con alta recombinación independientes de Prdm9 en ratones Rb, indicando mecanismos adaptativos para iniciar la recombinación. Por otra parte, el número de entrecruzamientos cromosómicos (crossovers, COs) es menor en ratones Rb y su localización más telomérica, debido a un mayor efecto centromérico y de interferencia entre COs. Finalmente, hemos detectado menor carga de la proteína centromérica CENP-A en ratones Rb, particularmente cuando los cromosomas fusionados no están completamente sinapsados. A pesar de las alteraciones observadas, estos ratones Rb son fértiles. Por ello, estos resultados destacan mecanismos moleculares que permiten a poblaciones naturales tolerar grandes reorganizaciones genómicas y preservar a la vez sus funciones celulares. En resumen, los cambios aquí descritos muestran cómo las reorganizaciones cromosómicas pueden desencadenar la formación de nuevas especies. |
| Resumen: |
Chromosomal rearrangements can drive speciation by reshaping the genome architecture and facilitating reproductive isolation between divergent populations. Yet, the molecular mechanisms behind this pattern are not fully understood. In this context, natural populations of house mice carrying Robertsonian (Rb) fusions serve as a valuable natural model for examining these evolutionary processes. In particular, the Barcelona Rb system (BRbS) features polymorphic Rb fusions, in both homozygous and heterozygous states, resulting in mice with diploid numbers ranging from 28 to 40 chromosomes. In this thesis, we investigated the spermatogenesis in mice from the BRbS, paying special attention to meiotic recombination. Specifically, we addressed two interconnected objectives: (i) to evaluate fertility costs and meiotic functional constraints imposed by Rb fusions; and (ii) to analyze changes in the recombination landscape associated with Rb fusions. To archive these objectives, we employed an integrative methodological framework by combining cytogenetics, population structure analysis, highthroughput sequencing and morphological evaluation of sperm. High-throughput sequencing approaches included transcriptomic profiling to assess gene expression changes and single-strand DNA sequencing to map genome-wide double-strand break initiation sites. Regarding to the first objective, our findings revealed a complex interplay between conserved meiotic mechanisms and chromosomal reorganizations. While Rb fusions induced mild delays during prophase I, they did not prevent successful meiotic completion, highlighting the resilience to large-scale structural variation. Specifically, Rb mice exhibit an increased frequency of heterologous chromosomal interactions relative to wild mice without Rb fusions. This reorganization also extends to the sex chromosomes which exhibited frequent associations with autosomes. Moreover, genome-wide transcriptomic data indicated that Rb fusions can lead to widespread gene expression changes, not limited to fused chromosomes. In testicular tissue, we detected a pro-inflammatory profile, up-regulation of ribosomal genes, and down-regulation of genes involved in cell-to-cell adhesion. Additionally, these molecular alterations were accompanied by sperm head morphological changes, including shorter hook and thinner head. As for the second objective, we detected key signatures of meiotic recombination dynamics associated with Rb fusions. Population-level analyses revealed significant genetic differentiation patterns of Rb fusions, suggesting an incipient role in limiting genetic exchange between populations. The diversity of Prdm9 alleles further modulated these effects, as distinct variants generate population-specific recombination signatures. Fine-scale mapping of DSB formation uncovered an increased use of PRDM9-independent recombination hotspots in Rb carriers, indicating adaptive recombination initiation mechanisms. Additionally, crossover (CO) formation was systematically reduced in Rb mice and redistributed toward telomeric regions, likely due to a high centromeric effect and increased CO interference. Lastly, we detected that the assembly of the centromeric protein CENP-A was reduced in Rb mice, particularly in alternative configurations of Rb fusions. Despite the observed alterations, overall fertility remained preserved in Rb mice. These results highlighted the balancing mechanisms that enable natural populations to accommodate large-scale genome reorganizations while preserving essential cellular functions. Overall, the observed chromatin remodeling, transcriptomic responses, and recombination landscape shifts provided critical insights into the mechanisms by which chromosomal rearrangements can drive speciation. |
| Nota: |
Universitat Autònoma de Barcelona. Programa de Doctorat en Biologia Cel·lular |
| Derechos: |
Aquest document està subjecte a una llicència d'ús Creative Commons. Es permet la reproducció total o parcial, la distribució, la comunicació pública de l'obra i la creació d'obres derivades, fins i tot amb finalitats comercials, sempre i quan es reconegui l'autoria de l'obra original.  |
| Lengua: |
Anglès |
| Colección: |
Programa de Doctorat en Biologia Cel·lular |
| Documento: |
Tesi doctoral ; Text ; Versió publicada |
| Materia: |
Fusions Robertsonianes ;
Robertsonian fusions ;
Fusiones Robertsonianas ;
Recombinació meiòtica ;
Meiotic recombination ;
Recombinación meiótica ;
Ratolí ;
Germline ;
Ratones ;
Ciències Experimentals |
visitante ::
identificación
dir.
