Expression of the Chemical Defensome and associated mechanisms: The case of Basilichthys microlepidotus under chronic pollutio

Abstract

La contaminación es un componente principal del cambio global y ha afectado la biodiversidad en casi todos los ecosistemas. Los ambientes de agua dulce son de los más impactados debido a su importancia para las actividades humanas. Las poblaciones que habitan estos sistemas tienen pocas opciones, siendo la adaptación una de las más relevantes en términos de resistencia a contaminantes. En este contexto, el defensoma químico, un grupo de genes relacionados con la homeostasis química, se ha señalado como un posible mecanismo por el cual las especies resisten la contaminación. La cuenca del Río Maipo, en Chile central, se ha establecido como modelo para estudiar los ecosistemas de agua dulce y el impacto de la contaminación. En esta cuenca habita el pejerrey endémico Basilichthys microlepidotus, considerado centinela por sus respuestas moleculares frente a la contaminación. Sus poblaciones se encuentran en áreas con diferentes niveles de impacto y muestran respuestas a nivel de expresión génica y genético. Esta tesis evaluó los efectos de la contaminación en B. microlepidotus en tres niveles moleculares: (i) expresión génica en hígado y branquias, (ii) variación estructural genética en variantes de número de copia (CNVs) y (iii) metilación del ADN, con énfasis en los genes del defensoma químico. En la expresión génica, los procesos biológicos enriquecidos en los genes diferencialmente expresados en el hígado se relacionaron con la división celular (MEL e IM) y la respuesta a contaminantes orgánicos (PEL). En las branquias, la expresión diferencial estaba ligada al sistema inmunológico (MEL y PEL). Oxigenasas y transferasas fueron las principales categorías del defensoma químico en todos los sitios y órganos analizados. Al observar los genes citocromo P450, encontramos ix que la mayoría no mostraba expresión diferencial. Sin embargo, aquellos diferencialmente expresados que metabolizaban compuestos exógenos estaban asociadas a las branquias, mientras que los que metabolizaban compuestos endógenos lo estaban al hígado. En la variación estructural genética (CNVs), la estructura poblacional fue débil. La mayoría de las variantes que coincidían con un gen transcrito no formaban parte del defensoma químico, estando más relacionadas con metabolismo de lípidos, respuesta inmunológica y ciclo celular. Un patrón similar se observó en las variantes correlacionadas con variables ambientales. Además, identificamos una variante relevante en el gen de la Vitelogenina A, un biomarcador de alteración endocrina en peces. Finalmente, en la metilación del ADN en la aleta anal, un tejido estable en términos de metilación, la estructura epigenética fue débil y mostró un patrón similar al de la estructura genética. Los genes diferencialmente metilados y asociados con variables ambientales no pertenecían al defensoma químico y se relacionaron con organización del citoesqueleto, metabolismo de carbohidratos y transducción de señales. En general, la mayoría de las rutas moleculares afectadas por contaminación no se vincularon al defensoma químico, sino a procesos como ciclo celular (en expresión génica y CNVs), organización del citoesqueleto (en expresión génica y metilación del ADN) o respuesta inmunológica (en expresión génica, CNVs y metilación). Aunque no descartamos la acción del defensoma químico, en estas poblaciones parece no ser el mecanismo principal. Estos resultados consolidan parte de la investigación en esta especie frente a la contaminación, pero se requieren estudios de genoma completo y un enfoque multi-ómico para confirmar estas respuestas. Abstract

Pollution is a major component of global change and has affected biodiversity in almost every ecosystem on earth. The freshwater environments are one of the most impacted by pollution, regarding its importance for human activities and the populations that inhabit those systems have few possible fates, being adaptation one of the most relevant in terms of resistance to pollutants. In this context, the chemical defensome, a group of genes related to chemical homeostasis, have been pointed out as a possible mechanism by which the species can resist pollutant exposure. The Maipo River basin, located in central Chile, arose as a model system to study the freshwater ecosystem and the impact of pollution. In this basin inhabits the endemic silverside Basilichthys microlepidotus, a species that has been pointed as a sentinel species for the basin, concerning its molecular responses to pollution. Populations of this species inhabit areas with different levels of impact related to pollution and have been observed responses at gene expression and genetic level primarily. The aim of this thesis was to assess the effects of pollution in populations of B. microlepidotus at three molecular levels: (i) gene expression in the liver and gill, (ii) genetic structural variation at copy number variants (CNVs), and (iii) DNA methylation, with special emphasis on chemical defensome genes. At the gene expression level, we found that the main biological processes enriched in the differentially expressed genes in the liver were related to cell division (MEL and IM) and response to organic pollutants (PEL); in the case of the gill, differential gene expression was related to the immune system (MEL and PEL). Oxygenases and transferases were the two main categories of the chemical defensome present in all sites and organs. When we looked closely at the oxygenases, we found that most of them were not differentially expressed, but those that presented differential expression and metabolized exogenous compounds were associated with the gill, and those that metabolized endogenous compounds were associated with the liver. When we assessed the genetic structural variation at CNVs, we found a weak population structure, and most of the statistically different variants that matched with a transcribed gene, were not part of the chemical defensome and were more related to lipid metabolism, immune response and cell cycle. The same was observed with the variants correlated with the environmental variables. Additionally, we found a relevant variant at the Vitellogenin A gene which has been pointed out as a biomarker for endocrine disruption in fish. Finally, at the DNA methylation level in the anal fin, which is a stable tissue in terms of methylations, the epigenetic structure was weak and showed a similar pattern to the genetic structure. Concerning the differentially methylated genes and those associated with environmental variables, they were not part of the chemical defensome, and were related to cytoskeleton organization, carbohydrate metabolism and signal transduction. In general, most of the molecular pathways affected by pollution were not related to the chemical defensome, but related to processes like cell cycle (gene expression and CNVs), cytoskeletal organization, (gene expression and DNA methylation), or immune response (gene expression, CNVs and DNA methylation). We do not discard the participation of the chemical defensome, but apparently, in these populations is not the main mechanism. These results consolidate part of the research done in this species related to pollution, but further research should be done with a multiomics approach to fully characterize and confirm the responses reported in this thesis.