Genômica Comparativa de Microsporídios : a descrição de uma nova espécie, delimitação taxonômica e a origem das arquiteturas genômicas

Microsporídios são organismos peculiares, parasitas intracelulares obrigatórios rela- cionados aos fungos. Desde a descoberta desses organismos, sua classificação e origem é controversa, pois sua estrutura e morfologia celular são muito distintas de outros or- ganismos. As rápidas taxas evolutivas dos microsporídios, bem como a simplificação fisiológica, dificultaram posicioná-los na árvore da vida. Embora através da filogenômica tenha sido possível mostrar que os microsporídios são na verdade derivados de fungos muito ancestrais, ainda há dificuldades em classificá-los ao nível de gênero e espécie. Aqui caracterizamos o genoma e descrevemos uma nova espécie de microsporídio que infecta o crustáceo Daphnia longispina, Ordospora pajunii. A utilização da Identidade Nucleotídica Média (ANI) contra o genoma da espécie mais próxima filogeneticamente, O. colligata, foi decisiva para atribuir esse novo genoma caracterizado a uma nova espécie. Também testamos a utilização de ANI para um número maior de genomas de microsporídios e mostramos que essa métrica permite medições confiáveis e fáceis para a delimitação de espécies de microsporidíos. Assim como em procariotos e leveduras, ANI de 95% emergiu como um bom valor de corte para distinguir entre espécies de microsporídios, com valores próximos a 95% abertos a um julgamento qualitativo. Propomos que ANI seja incorporado na classificação taxonômica de microsporídios sempre que o genoma completo ou mesmo incompleto estiver disponível, em combinação com dados morfológicos e ecológicos. Os genomas de microsporídios também podem ser altamente variáveis em termos de tamanho e arquitetura. Testamos se o modo de transmissão ao hospedeiro (horizontal ou vertical) influencia na estrutura genética das populações a ponto de causar diferenças significativas no tamanho do genoma. Mostramos que, como os microsporídios com transmissão vertical provavelmente sofrem de gargalos populacionais recorrentes, o poder da seleção natural é reduzido permitindo o acúmulo de sequências levemente deletérias como Elementos de Transmposição (TEs) nos genomas através de deriva genética, conforme proposto pela Hipótese de Risco Mutacional (MHH). Por fim, caracterizamos o mobiloma de genomas de microsporídios e mostramos que espécies transmitidas verticalmente possuem genomas maiores e com maior proporção de TEs. Ainda há muito o que explorar na biologia dos microsporídios. A correta identificação e classificação das espécies é essencial para o estudo da diversidade e evolução dos microsporídios, e a genética populacional bem como a genômica comparativa são ferramentas poderosas para entender melhor padrões macro e microevolutivos.Microsporidia are unique organisms, obligatory intracellular parasites related to fungi. Since the discovery of these organisms, their classification and origin has been controversial because their cell structure and morphology are very distinct from other organisms. The rapid evolutionary rates of microsporidia, as well as their physiological simplification, made it difficult to position them in the tree of life. Although it was possible to show through phylogenomics that microsporidia are actually derived from very ancestral fungi, there are still difficulties in classifying them at the level of genus and species. Here we characterized the genome and described a new microsporidian species that infects the crustacean Daphnia longispina, Ordospora pajunii. The use Average Nucleotide Identity (ANI) against the genome of its closest relative, O. colligata, was decisive to assign this newly characterized genome to a new species. We also tested ANI for a larger number of microsporidian genomes, and showed that this genome relatedness metric allows reliable and easy measurements to assess species boundaries in Microsporidia. As for prokaryotes and yeasts, the 95% of ANI emerged as a good cutoff value to distinguish between microsporidian species, with values close to the critical point open to qualitative judgment. We propose ANI to be incorporated in taxonomic classification of microsporidia whenever a draft or complete genomes are available, in combination to morphological and ecological data. Microsporidian genomes can also be highly variable in terms of size and architecture. We have tested whether the mode of transmission between hosts (horizontal or vertical) influences the genetic structure of populations to the point of causing significant differences in genome size. We showed that because microsporidia with vertical transmission probably suffer from recurrent population bottlenecks the power of natural selection is reduced, leading to the accumulation of mildly deleterious mutations such as Transposable Elements (TEs) in genomes by genetic drift, as proposed by mutational hazard hypothesis (MHH). Finally, we characterize the mobilome of microsporidian genomes and have showed that species that are vertically transmitted have larger genomes with higher proportion of TEs. There is still much to explore in the biology of microsporidia. The correct species identification and classification is essential for the study of diversity and evolution of microsporidia, and population genetics as well as comparative genomics are powerful tools better understand both macro- and microevolutionary patterns

Avaliação do conteúdo de elementos genéticos móveis em duas espécies próximas de microsporídios

Os microsporídios possuem um dos menores genomas entre os eucariotos devido ao parasitismo intracelular obrigatório, que resultou em uma extensiva redução no tamanho e complexidade do genoma. Elementos transponíveis são segmentos de DNA que podem se mover de um locus para outro dentro de um genoma. Esses elementos compõe uma grande fração dos genomas eucarióticos, sendo a maioria retrotransposons devido ao seu mecanismo de transposição "copiar-e-colar". São capazes de mutar, alterar a regulação de genes e gerar novos genes. Eventos de transposição podem ser deletérios quando elementos transponíveis se integram em regiões codificantes e interrompem genes importantes. Devido à ausência de recombinação, esses elementos podem acumular no genoma de organismos assexuados e contribuir para a extinção desses organismos. No presente estudo foi analisado o conteúdo de elementos móveis de duas espécies proximamente relacionadas de microsporídios que diferem no modo de reprodução. Hamiltosporidium tvaerminnensis é assexuado e é transmitido horizontal e verticalmente, H. magnivora é sexuado transmitido verticalmente ao seu hospedeiro. Foram analisados dois genomas de linhagens de H. magnivora (BE-OM-2 e IL-BN-2), e um genoma de uma linhagem de H. tvaerminnensis (FI-OER-3-3). O programa RepeatMasker foi usado para a triagem inicial do conteúdo de elementos transponíveis. Um conjunto de domínios de proteínas codificadas por retrotransposons LTR foi utilizado para realizar um BLASTp nos proteomas preditos de BE-OM-2, IL-BN-2 e FI-OER-3-3. Por fim, a ferramenta LTRharvest foi utilizada para detectar retrotransposons LTR inteiros nos genomas. Foi encontrada uma diferença significativa entre as linhagens, com acúmulo de elementos transponíveis na linhagem sexuada IL-BN-2 em contraste com o baixo número de cópias na linhagem assexuada FI-OER-3-3. Foram encontrados dois retrotransposons LTR potencialmente ativos, "Nanomov" e "Bigshot". Ambos elementos são compartilhados entre as três linhagens, indicando inserções fixas que ocorreram antes da divergência das espécies. A filogenia de "Bigshot" mostrou elementos homólogos distribuídos em diversas espécies de microsporídios. Também está relacionado com elementos encontrados em artrópodes como D. magna, indicando uma possível transferência gênica horizontal entre microsporídios e seus hospedeiros artrópodes ancestrais. Para melhor compreender o papel dos elementos transponíveis na arquitetura e evolução dos genomas e a diferença no conteúdo em organismos sexuados e assexuados, é necessário uma investigação mais profunda em diferentes famílias de retrotransposons e transposons de DNA.Microsporidia have one of the smallest genomes among eukaryotes, due to their obligate intracellular parasitism that resulted in an extensive reduction in genome size and complexity. Transposable elements (TEs) compose a high fraction in eukaryotic genomes, the vast majority being retrotransposons, due to their "copy-paste" transposition mechanism. TEs are able to mutate genes, alter gene regulation and generate new genes. Transposition events can be deleterious when TEs integrate in active coding regions and disrupt important genes. Due to the absence of recombination, TEs may accumulate in asexual genomes and contribute to extinction of asexual organisms. In this study it was assessed the genomes of three Hamiltosporidium lineages for TE content. Two genomes of H. magnivora lineages (BE-OM-2 and IL-BN-2) that reproduce sexually and are vertically transmitted, and one genome of an H. tvaerminnensis lineage (FIOER- 3-3) that reproduces asexually and is both vertically and horizontally transmitted. The RepeatMasker software was used for initial screening of TE content. A set of core protein domains encoded by LTR retrotransposons was used in BLASTp searches in the proteomes of BEOM2, ILBN2 and FIOER33. Finally, LTRharvest was used to detect full-length elements. It was found a significant difference in the TE content between asexual/sexual lineages, with excess TE accumulation in the sexual lineage IL-BN-2 in contrast with the low copy number of TEs in the asexual lineage FI-OER-3-3. It was identified two potentially active LTR retrotransons, "Nanomov" and "Bigshot". Both elements are shared between the three lineages, suggesting fixed insertions that occurred before the divergence of the species. The phylogenetic analysis showed elements homologous to “Bigshot” are distributed in the genomes of different species of microsporidia as well as arthropods. A similar is present in D. magna, suggesting horizontal gene transfer between parasite and host at some point of their evolution. To better understand the role of transposable elements in reduced genomes and the impact of different TE loads in sexuals and asexuals, we need further investigation on these retroelements, identifying other superfamilies and include DNA transposons in the analysis

A new marseillevirus isolated in Southern Brazil from Limnoperna fortunei

Members of the family Marseilleviridae are giant viruses that have the ability to infect amoebas. Such viruses were initially described in 2009. Since then, this family has grown, and diverse members have been found in different environments and geographic locations. Previous phylogenetic analyses suggested the existence of four marseillevirus lineages. A fourth lineage was described with the discovery of the Brazilian marseillevirus (BrMr), isolated from Pampulha Lake, Brazil. Here we describe the isolation and characterization of the Golden marseillevirus (GMar), a new marseillevirus isolated from golden mussels (Limnoperna fortunei) in South of Brazil. This new representative of Marseilleviridae has circular, double-stranded (dsDNA) that contains 360, 610 base pairs and encodes 483 open read frames (ORFs). The complete virus genome was sequenced and phylogenic analyses indicated clear differences between this virus and other marseilleviruses. In addition, this is the only marseillevirus so far that has been isolated from mussels, and this report expands the diversity of environments from which giant viruses could be recovered

Avaliação do conteúdo de elementos genéticos móveis em duas espécies próximas de microsporídios

Os microsporídios possuem um dos menores genomas entre os eucariotos devido ao parasitismo intracelular obrigatório, que resultou em uma extensiva redução no tamanho e complexidade do genoma. Elementos transponíveis são segmentos de DNA que podem se mover de um locus para outro dentro de um genoma. Esses elementos compõe uma grande fração dos genomas eucarióticos, sendo a maioria retrotransposons devido ao seu mecanismo de transposição "copiar-e-colar". São capazes de mutar, alterar a regulação de genes e gerar novos genes. Eventos de transposição podem ser deletérios quando elementos transponíveis se integram em regiões codificantes e interrompem genes importantes. Devido à ausência de recombinação, esses elementos podem acumular no genoma de organismos assexuados e contribuir para a extinção desses organismos. No presente estudo foi analisado o conteúdo de elementos móveis de duas espécies proximamente relacionadas de microsporídios que diferem no modo de reprodução. Hamiltosporidium tvaerminnensis é assexuado e é transmitido horizontal e verticalmente, H. magnivora é sexuado transmitido verticalmente ao seu hospedeiro. Foram analisados dois genomas de linhagens de H. magnivora (BE-OM-2 e IL-BN-2), e um genoma de uma linhagem de H. tvaerminnensis (FI-OER-3-3). O programa RepeatMasker foi usado para a triagem inicial do conteúdo de elementos transponíveis. Um conjunto de domínios de proteínas codificadas por retrotransposons LTR foi utilizado para realizar um BLASTp nos proteomas preditos de BE-OM-2, IL-BN-2 e FI-OER-3-3. Por fim, a ferramenta LTRharvest foi utilizada para detectar retrotransposons LTR inteiros nos genomas. Foi encontrada uma diferença significativa entre as linhagens, com acúmulo de elementos transponíveis na linhagem sexuada IL-BN-2 em contraste com o baixo número de cópias na linhagem assexuada FI-OER-3-3. Foram encontrados dois retrotransposons LTR potencialmente ativos, "Nanomov" e "Bigshot". Ambos elementos são compartilhados entre as três linhagens, indicando inserções fixas que ocorreram antes da divergência das espécies. A filogenia de "Bigshot" mostrou elementos homólogos distribuídos em diversas espécies de microsporídios. Também está relacionado com elementos encontrados em artrópodes como D. magna, indicando uma possível transferência gênica horizontal entre microsporídios e seus hospedeiros artrópodes ancestrais. Para melhor compreender o papel dos elementos transponíveis na arquitetura e evolução dos genomas e a diferença no conteúdo em organismos sexuados e assexuados, é necessário uma investigação mais profunda em diferentes famílias de retrotransposons e transposons de DNA.Microsporidia have one of the smallest genomes among eukaryotes, due to their obligate intracellular parasitism that resulted in an extensive reduction in genome size and complexity. Transposable elements (TEs) compose a high fraction in eukaryotic genomes, the vast majority being retrotransposons, due to their "copy-paste" transposition mechanism. TEs are able to mutate genes, alter gene regulation and generate new genes. Transposition events can be deleterious when TEs integrate in active coding regions and disrupt important genes. Due to the absence of recombination, TEs may accumulate in asexual genomes and contribute to extinction of asexual organisms. In this study it was assessed the genomes of three Hamiltosporidium lineages for TE content. Two genomes of H. magnivora lineages (BE-OM-2 and IL-BN-2) that reproduce sexually and are vertically transmitted, and one genome of an H. tvaerminnensis lineage (FIOER- 3-3) that reproduces asexually and is both vertically and horizontally transmitted. The RepeatMasker software was used for initial screening of TE content. A set of core protein domains encoded by LTR retrotransposons was used in BLASTp searches in the proteomes of BEOM2, ILBN2 and FIOER33. Finally, LTRharvest was used to detect full-length elements. It was found a significant difference in the TE content between asexual/sexual lineages, with excess TE accumulation in the sexual lineage IL-BN-2 in contrast with the low copy number of TEs in the asexual lineage FI-OER-3-3. It was identified two potentially active LTR retrotransons, "Nanomov" and "Bigshot". Both elements are shared between the three lineages, suggesting fixed insertions that occurred before the divergence of the species. The phylogenetic analysis showed elements homologous to “Bigshot” are distributed in the genomes of different species of microsporidia as well as arthropods. A similar is present in D. magna, suggesting horizontal gene transfer between parasite and host at some point of their evolution. To better understand the role of transposable elements in reduced genomes and the impact of different TE loads in sexuals and asexuals, we need further investigation on these retroelements, identifying other superfamilies and include DNA transposons in the analysis

Transposable element abundance correlates with mode of transmission in microsporidian parasites

The extreme genome reduction and physiological simplicity of some microsporidia has been attributed to their intracellular, obligate parasitic lifestyle. Although not all microsporidian genomes are small (size range from about 2 to 50 MB), it is suggested that the size of their genomes has been streamlined by natural selection. We explore the hypothesis that vertical transmission in microsporidia produces population bottlenecks, and thus reduces the effectiveness of natural selection. Here we compare the transposable element (TE) content of 47 microsporidian genomes, and show that genome size is positively correlated with the amount of TEs, and that species that experience vertical transmission have larger genomes with higher proportion of TEs. Our findings are consistent with earlier studies inferring that nonadaptive processes play an important role in microsporidian evolution