Genome diversity in torulaspora microellipsoides and its contribution to the evolution of the saccharomyces genus

Resumen

La presencia de nuevos genes no encontrados antes en S. cerevisiae se puso de manifiesto en el trabajo de Novo et al. en 2009 en el que se secuenció la cepa EC1118. En esta cepa se encontraron 3 regiones de genes (región A, B y C) compuestas por genes relacionados con el metabolismo del Nitrógeno y del Carbono para las cuales se hipotetizaba que podían haberse adquirido por transferencia génica horizontal desde alguna cepa de algún género de levadura. En una de estas 3 regiones, la región C, se encontraba un gen cuya función ancestral era la de un transportador activo de fructosa, el gen FSY1. La expresión de este gen, por tanto, llevaría a cabo el transporte de fructosa desde el exterior hacia el interior celular mediante el consumo de H+ (co-transporte). El hallazgo de este transportador por primera vez en una cepa de S. cerevisiae, suponía que determinadas cepas podrían tener un carácter denominado “frucotofílico”, es decir, que mejoran el consumo de fructosa que normalmente queda como residual al final de las fermentaciones. Este rasgo es muy importante a nivel biotecnológico, ya que los vinos que presenten una concentración inadecuada de fructosa son excesivamente dulces y son propensos a contaminación bacteriana. Por todo ello, centramos nuestro interés en el estudio de este gen en nuestro grupo y nos propusimos como objetivo averiguar que especie de levadura podría ser la responsable de esta transferencia. Mediante estudios filogenéticos de las secuencias encontradas para este gen en numerosas cepas de especies pertenecientes a géneros de la familia Saccharomycetaceae se propuso a la especie Torulaspora microellispsoides como la posible donadora de este gen y probablemente el resto de la región C. Posteriormente y en colaboración con un grupo francés (Marsit et al. 2015), se llevó a cabo la secuenciación de la cepa tipo de T. microellipsoides, CLIB 830T, con lo que se confirmó la presencia no solo de este gen, si no de la región C por completo con algunas características particulares: el primer gen de esta región, ARB1, presentaba un tamaño mayor que el observador para S. cerevisiae y entre este último gen y el siguiente de la región C PUT3, encontramos una inserción de genes de unos 80kb. En este mismo trabajo, se llevó a cabo la búsqueda de esta región en otras cepas de S. cerevisiae cuyo genoma había sido secuenciado y se observó que en dos de las cepas, esta región presentaba algunas características similares a la región descubierta en T. microellipsoides. Por otro lado, de todas las cepas de S. cerevisiae que testamos en búsqueda de esta región, solo un pequeño porcentaje de estas la presentaban y aquellas cepas eran de origen vínico. Por ello, nos planteamos si realmente la transferencia de esta región pudo producirse desde T. microellipsoides hacía S. cerevisiae o al contrario. Para poner más luz sobre esta cuestión nos planteamos llevar a cabo la secuenciación del genoma de las cepas de T. microellipsoides disponibles en las bases de datos, de forma que si todas ellas presentaban esta región o trazas de ellas, nos podríamos aproximar a decir que esta era probablemente la especie responsable de la transferencia de esos genes.Una vez llevada a cabo la secuenciación de los genomas, observamos que dicha región de genes la presentaban cuatro de las 5 cepas existentes, de forma que además de en la cepa tipo, CLIB 830T, la encontramos en las cepas CBS 6641, NRRL Y-17058 y CBS 6143. La última cepa, CBS 6762, no presentaba la región pero poseía alguno de los genes en una posición subtelomérica. Durante la búsqueda que llevamos a cabo del gen FSY1 en los géneros de Saccharomycetaceae, observamos que la cepa tipo de la especie T. microellispoides presentaba una segunda copia del gen FSY1 a la que llamamos FSY1B, mientras que aquella que se parecía mas a la encontrada en la región C la llamamos FSY1A. Tras una reconstrucción filogenética, observamos que esta segunda copia, FSY1B, agrupa con aquellas homólogos encontrados en las cepas de S. eubayanus y sus híbridos asociados. Por todo ellos hipotetizamos que probablemente esta especie era la responsable de la transferencia d estos dos genes, uno FSY1A lo habría transferido en un evento reciente ya que la similitud de las secuencias era muy alta (99%) mientras que la otra secuencia, FSY1B, la habría transferido en un evento más antiguo al ancestro común que daría lugar a la especie S. eubayanus, ya que presentaban un grado de divergencia de un 30% aproximadamente. Una vez realizada la secuenciación de los restantes genomas de la especie T. microellispoides, pudimos completar la filogenia del gen FSY1 con todas las secuencias encontradas de este gen. De todas estas secuencias, encontramos una secuencia paráloga al gen FSY1B, por lo que las llamamos FSY1B1 y FSY1B2. Este nuevo parálogo se encontraba en dos cepas: NRRL Y-17058 y CBS 6143. Paralelamente, encontramos una secuencia homóloga a la de ATO3, un gen encontrado en la región C de estas cepas de T. microellipsoides y en aquellas de S. cerevisiae, en todas las especies del género Saccharomyces. La reconstrucción filogenética mostraba como las copias de Saccharomyces y las de T. microellipsoides quedaban agrupadas. Nuevamente, las cepas NRRL Y-17058 y CBS 6143 presentaban parálogos adicionales para el gen ATO3 en sus genomas. De estos resultados concluimos dos cosas importantes. Primero, otro gen procedente de la región C, ATO3, había sido transferido a especies del género Saccharomyces al igual que pasaba con FSY1. Segundo, del número de copias y la localización vista para las cepas NRRL Y-17058 y CBS 6143, dedujimos que estas dos especies podrían ser dos especies híbridas cuyas especies parentales conseguimos deducir de las mismas reconstrucciones filogenéticas y que serían: CBS 6641 y CBS 6762. Con el objetivo de confirmar estos nuevos hallazgos, llevamos a cabo nuevos análisis. Primero, mapeamos las lecturas extraídas de la secuenciación de aquellas cepas para las que inferimos que eran especies híbridas contra los genomas anotados (con la herramienta de YGAP) de las especies propuestas como parentales: CBS 6641 y CBS 6762. Tras el mapeo observamos como las lecturas se repartían homogéneamente entre la mayoría de los ensamblajes de las especies parentales en ambas cepas NRRL Y-17058 y CBS 6143. Sin embargo, observamos que estas cepas divergían en ciertos fragmentos genómicos, presentan deleciones o duplicaciones extra con respecto a alguno de los dos parentales de forma diferencial. Con ello concluimos que ambos híbridos tendrían un origen idéntico pero que habían divergido entre ellas por las evidentes diferencias en el mapeo de sus lecturas. Paralelamente, llevamos a cabo una reconstrucción filogenética con más de 1000 genes obtenidos de la anotación de las cepas de T. microellipsoides. En este nuevo análisis, observamos como un subgenoma de ambas especies híbridas se parecía más a un parental y el otro subgenoma se aproximaba más al otro. A pesar de encontrar que una de las especies parentales podría ser la cepa CBS 6762, en todas las reconstrucciones filogenéticas y en las medidas de divergencia nucleotídica siempre obteníamos una considerable distancia de esta cepa con respecto a las otras de T. microellispoides. Llevamos a cabo un análisis filogenético del género Torulaspora con el objetivo de ver la distancia de esta cepa dentro del contexto de todas las especies encontradas hasta el momento dentro del género. Observamos que esta cepa se parecía más a aquellas de la especie T. microellipsoides y no más a otra de las especies del género, aunque manteniendo su distancia con aquellas. Por tanto, concluimos que probablemente encontramos una nueva especie del género Torulaspora, muy cercana a aquellas de T. microellipsoides, pero no descrita aún. Con todo ello presentamos un trabajo de tesis doctoral en el que descubrimos la especie responsable de varias transferencias horizontales al género Saccharomcyces y además encontramos especies híbridas y nuevas especies de levadura no descritas hasta el momento