Análisis de la regulación transcripcional del gen FOXP2 desde un enfoque evolutivo

• Autores: Caporale, Alfredo Leandro
• Año de publicación: 2020
• Idioma: español castellano
• Tipo de recurso: tesis doctoral
• Colaborador/a o director/a de tesis: Franchini, Lucía Florencia
• Materia: FOXP2; EVOLUCION DEL CEREBRO; RATONES; PECES CEBRA; REGULACION TRANSCRIPCIONAL; HARs; FOXP2; BRAIN EVOLUTION; ZEBRAFISH; MICE; TRANSCRIPTIONAL REGULATION; HARs
• Institución: Universidad Nacional de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales

Determinar los vínculos existentes entre cambios a nivel genético y la evolución del cerebro humano es uno de los mayores desafíos a los que se enfrenta la era post-genómica. Nuestra hipótesis es que la adquisición de nuevos patrones de expresión de genes relacionados con el desarrollo y la función cerebral en el linaje humano, habría sido crítica para la evolución neuroanatómica de nuestro cerebro y sus capacidades cognitivas diferenciales. Estos nuevos territorios de expresión estarían codificados en parte por cambios en la secuencia de regiones regulatorias de genes que se expresan en cerebro. En nuestro laboratorio, la utilización combinada de herramientas bioinformáticas propias y el análisis de resultados generados por otros laboratorios nos ha permitido identificar las zonas del genoma humano que acumulan mayor número de regiones nocodifi- cantes quemuestran signos de evolución acelerada ( Human Accelerated Regions: HARs) en comparación con otras especies de mamíferos y vertebrados. En este trabajo nos propusimos analizar el agrupamiento y la distribución de HARs para un locus en particular: el gen FOXP2 . Para ello decidimos considerar la estructura tridimensional que adopta la cromatina en esta región, es decir el Dominio Topológi- camente Asociado en el que se localiza este gen (TAD- FOXP2 ), en particular en la placa cortical humana de 16 semanas de gestación, tejido embrionario donde se expresa este gen y ocurre un pico de neurogénesis y migración neuronal. Determinamos que el TAD- FOXP2 se encuentra dentro de las regiones más aceleradas de todo el genoma, lo que podría significar una regu- lación transcripcional diferencial para este gen en humanos. El gen FOXP2 ha sido ampliamente estudiado en evolución humana, debido a que ciertas mutaciones en la región codificante de este gen impactan directamente en el desarrollo de la capacidad del habla. Por otra parte, se ha encontrado que en humanos este factor de transcripción presenta dos sustituciones no sinónimas en su secuencia codificante, a pesar de ser uno de los genes más conservados entre vertebrados, tanto en secuencia como en territorios de expresión. Sorprendentemente, estas sustituciones ya estaban presentes en los genomas de Neandertales y Denisovanos, miembros del género Homo ya extintos. Sumado a esto, se ha reportado que FoxP2 juega un papel importante en el aprendizaje vocal no innato en varias especies (pinzones, canarios, murciélagos, ballenas, entre otras). No obstante, su rol específico en la ejecución de estas vocalizaciones no está claro, ya que este factor de transcripción regula múltiples genes importantes para el desarrollo cerebral, y además también se expresa en otras especies que no presentan aprendizaje vocal y en otros tejidos no relacionados con la capacidad del habla. Resulta clave comprender la fina regulación a la que está sujeta este gen y su potencial rol como factor de transcripción en territorios de expresión novedosos. Decidimos entonces estudiar en detalle las regiones aceleradas en humanos que se agrupan en el TAD- FOXP2 , con el fin de caracterizar potenciales regiones regulatorias de este gen que evolucionaron de manera humano específica. Analizamos in vivo la actividad transcripcional de los 12 HARs contenidos dentro del TAD- FOXP2 utilizando peces cebra y ratones transgénicos. Mediante el uso de genes reporteros e inmunohistoquímica, pudimos determinar que 5 de los 12 HARs presentes en esta región presentan actividad de enhancer transcripcional. Además, 2 de ellos (HACNS750 y HACNS169) mostraron ganancias de expre-sión a lo largo del sistema nervioso al comparar las regiones ortólogas humanas (derivadas) versus chimpancés (ancestrales), en tejidos donde se expresa FOXP2 . Para estas regiones diferenciales, encontramos evidencia adicional que soporta su actividad enhancer a partir de distintos análisis in silico. Nuestros resultados indican que secuencias reguladoras en el locus FOXP2 fueron seleccionadas por un proceso evolutivo espe-cífico del linaje Homo , lo que sugiere que la maquinaria transcripcional que controla este gen también podría haber evolucionado de manera diferencial a lo largo de nuestra historia evolutiva, contribuyendo de esta manera con el desarrollo de nuestro cerebro y en particular con nuestra excepcional capacidad del habla.
Elucidating the link between changes at the genetic level and the evolution of the human brain is one of the greatest challenges facing the post-genomic era. Our hypothesis is that the acquisition of novel expression patterns of genes in the human lineage related to brain function and development would have been critical for the neuroanatomical evolution of our brain and its unique cognitive abilities. These new expression areas would be encoded by changes in the sequence of regulatory regions of genes that are expressed in the brain. In our laboratory, the combined use of our own bioinformatics tools and the analysis of results generated by other laboratories has allowed us to identify the regions of the human genome that accumulate the greatest number of non-coding regions showing signs of accelerated evolution (Human Accelerated Regions: HARs) compared to other species of mammals and vertebrates. In this work, we aimed to analyze the clustering and distribution of HARs for a particular locus in the genome: the FOXP2 gene. To accomplish this we decided to consider the three-dimensional arrangement that chromatin adopts in this region, that is the Topologically Associated Domain in which this gene is located (TAD- FOXP2 ), in particular for human cortical plate of 16 weeks of gestation. In this embryonic tissue FOXP2 is expressed and a peak of neurogenesis and neuronal migration occurs. We determined that TAD- FOXP2 is one of the most accelerated regions in the whole genome, that could mean differential transcriptional regulation for this gene in humans. FOXP2 gene has been extensively studied in human evolution, specially because certain mutations in the coding region of this gene directly impact the development of speech in humans. Additionally, it has also been found that in humans this transcription factor has two non-synonymous substitutions in its coding sequence, despite being one of the most conserved genes among vertebrates, both in sequence and in areas of expression. Surprisingly, these substitutions were already present in the genomes of Neanderthals and Denisovans, members of the Homo genus already extinct. In addition, it has been reported that FoxP2 plays an important role in non-innate vocal learning in several vertebrate species (zebrafinches, canaries, bats, whales, among others). However, its specific role in the execution of these vocalizations is not clear, since this transcription factor regulates multiple genes important for general brain development, and it is also expressed in the brain of non-vocal learners species and in other non-related language organs. Therefore, it is essential to understand the fine upstream regulation at which this gene is subject and its potential role as a transcription factor in novel expression territories. We decided to study in detail the accelerated regions in humans located in the TAD- FOXP2 , in order to test its regulatory activity. These regions underwent human-specific evolution and it could have had an impact on FOXP2 expression. We analyzed in vivo the transcriptional activity of the 12 HARs contained within the TAD- FOXP2 using transgenic zebrafish and mice. Through the use of reporter enhancer assays and immunohistochemistry techniques, we were able to determine that 5 of the 12 HARs present in this region have transcriptional enhancer activity. In addition, 2 of them (HACNS750 and HACNS169) show extended expression patterns throughout the nervous system when comparing orthologous regions in humans (derived) versus chimpanzee (ancestral), in tissues where FOXP2 is expressed. For these differentially expressing regions, we found additional evidence from different in silico analyzes that supports their enhancer activity. Our results indicate that regulatory sequences in the FOXP2 locus were selected by an specific evolutionary process of the Homo lineage, suggesting that the transcriptional machinery that controls this gene could also have evolved differently throughout our evolutionary history, contributing in this way with the development of our brain, in particular with our exceptional ability to speak.
Fil: Caporale, Alfredo Leandro. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina.