Comparative cytogenetics among Leporinus friderici and Leporellus vittatus populations (Characiformes, Anostomidae): focus on repetitive DNA elements

Anostomidae are a neotropical fish family rich in number of species. Cytogenetically, they show a conserved karyotype with 2n = 54 chromosomes, although they present intraspecific/interspecific variations in the number and chromosomal location of repetitive DNA sequences. The aim of the present study was to perform a comparative description of the karyotypes of two populations of Leporinus friderici Bloch, 1794 and three populations of Leporellus vittatus Valenciennes, 1850. We used conventional cytogenetic techniques allied to fluorescence in situ hybridization, using 18S ribosomal DNA (rDNA) and 5S rDNA, a general telomere sequence for vertebrates (TTAGGG)n and retrotransposon (RTE) Rex1 probes. The anostomids in all studied populations presented 2n = 54 chromosomes, with a chromosome formula of 32m + 22sm for L. friderici and 28m + 26sm for L. vittatus. Variations in the number and location of the 5S and 18S rDNA chromosomal sites were observed between L. friderici and L. vittatus populations and species. Accumulation of Rex1 was observed in the terminal region of most chromosomes in all populations, and telomere sequences were located just on all ends of the 54 chromosomes in all populations. The intraspecific and intergeneric chromosomal changes occurred in karyotype differentiation, indicating that minor chromosomal rearrangements had present in anostomid species diversification

Estudo da diferenciação cromossômica em espécies de Anostomidae (Teleostei: Characiformes) : ênfase na fração repetitiva do DNA

Orientador: Prof. Dr. Marcelo Ricardo VicariCoorientadora: Dra. Carla Andreia LorscheiderTese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Ciências Biológicas, Programa de Pós-Graduação em Genética. Defesa : Curitiba, 30/04/2019Inclui referências: p. 97-115Área de concentração: GenéticaResumo: Anostomidae é uma família de peixes neotropicais rica em número de espécies e presente na grande maioria das bacias hidrográficas sul-americanas. Citogeneticamente é proposto que seus representantes têm 2n conservado de 54 cromossomos meta e submetacêntricos. Apesar da sua estabilidade cariotípica, os anostomídeos possuem diferentes padrões quanto à distribuição de heterocromatina e de sequências repetitivas de DNA. Além disso, nas espécies do gênero Megaleporinus, são encontrados cromossomos sexuais diferenciados do tipo ZZ/ZW. Estudos realizados com enfoque nos DNAs repetitivos são restritos a algumas espécies desta família; e também são relacionados com o processo de evolução dos cromossomos sexuais em diversos grupos de peixes. Desta forma, o objetivo do presente estudo foi analisar o papel dos DNAs repetitivos no processo de diversificação cariotípica dos anostomídeos, além de avaliar a participação destes DNAs na origem e diferenciação dos cromossomos sexuais de Megaleporinus. Neste estudo foram analisados populações/espécies de Leporellus vittatus, Leporinus friderici, Megaleporinus obtusidens e Megaleporinus reinhardti por meio de citogenética clássica (coloração convencional com Giemsa e Bandamento C), e aplicação de hibridização in situ fluorescente (FISH), para mapear cromossomicamente as famílias multigênicas dos DNA ribossômico (rDNA)18S e 5S e pequenos RNAs nucleares (snRNA) U1 e U2, expansões de repetições in tandem ((TTAGGG)n, (GATA)n, (GA)15, (CA)15, (A)30) e os elementos transponíveis (Rex1, Rex3 e Gypsy). Todas as populações e espécies avaliadas demonstraram o conservadorismo do 2n, com fórmula cariotípica de (32m + 22sm) para L. friderici, (28m + 26sm) em L. vittatus e (? 28m + 26sm) (? 28m+25+1st) para Megaleporinus obtusidens e M. reinhardti, nestas duas últimas espécies foi verificada a presença de sistema ZW, onde o W é subtelocêntrico destacadamente maior que o Z e quase totalmente heterocromático, e o Z um submetacêntrico de tamanho médio. Foram observadas variações no número e na localização dos sítios de rDNA e acúmulos diferenciais do retrotransposon Rex1 nas regiões terminais dos cromossomos das quatro espécies estudadas. Sequências teloméricas intersticiais (ITS) não foram evidenciadas nos cromossomos autossomos, somente no cromossomo W de Megaleporinus. Diferenças intra e interespecíficas com relação a localização cromossômica e a acumulação de snRNAs U1 e U2, TEs Rex1, Rex3 e Gypsy e as expansões in tandem foram evidenciados para os cromossomos autossomos e sexuais Z e W de M. obtusidens e M. reinhardti. O conjunto de dados obtidos neste estudo confirma a conservação da macroestrutura cariotípica e indicam uma divergência cromossômica a nível intra/interespecíficos dentre os anostomídeos estudados, principalmente quanto as diferenças cariotípicas microestruturais proporcionadas pelo reposicionamento dos rDNAs e pelos acúmulos diferencias dos demais elementos repetitivos analisados. Os resultados mostraram que diferentes classes de DNAs repetitivos (repetições in tandem e TEs) participaram da origem e diferenciação dos cromossomos W em M. obtusidens e M. reinhardti. No entanto, o acúmulo diferencial destes DNAs nas regiões heterocromáticas do cromossomo W sugerem que embora os cromossomos sexuais Z e W de Megaleporinus compartilhem uma origem comum, as etapas posteriores de diferenciação dos cromossomos sexuais seguiram caminhos evolutivos distintos em cada linhagem. Palavras-chave: Cromossomos sexuais. Elementos transponíveis. Evolução cariotípica. Repetições in tandem. Citogenética.Abstract: Anostomidae is a family of Neotropical fishes rich in species numbers and occurs in most of the South American watersheds. Cytogenetically it is proposed that its representatives have preserved 2n of 54 meta and submetacentric chromosomes. Despite their karyotypic stability, anostomids have different levels of relationship between heterochromatin and repetitive DNA sequences. In addition, in species of the genus Megaleporinus, differentiated sex chromosomes of the type ZZ / ZW are found. Studies conducted with a focus on repetitive DNAs are restricted to some species of this family; and are also related to the process of evolution of sex chromosomes in various groups of fish. Thus, the objective of the present study was to analyze the role of repetitive DNAs in the process of karyotypic diversification of the anostomids, besides evaluating the participation of these DNAs in the origin and differentiation of the sex chromosomes of Megaleporinus. In this study populations/species of Leporellus vittatus, Leporinus friderici, Megaleporinus obtusidens and Megaleporinus reinhardti were analyzed by means of classical cytogenetics conventional staining with Giemsa and C Banding) and application of fluorescence in situ hybridization (FISH) to map chromosomally the multigenic families of ribosomal DNA (rDNA)18S e 5S and small nuclear RNAs (snRNA) U1 e U2, repetition expansions in tandem ((TTAGGG)n, (GATA)n, (GA)15, (CA)15, (A)30) and the transposable elements (Rex1, Rex3 e Gypsy). All populations and species evaluated showed 2n conservatism, with a karyotype of (32m + 22sm) for L. friderici, (28m + 26sm), in L. vittatus and (? 28m + 26sm) (? 28m+25+1st) for Megaleporinus obtusidens and M. reinhardti, in these last two species has been verified the presence of ZW system, where W is subthelocentric that is markedly greater than Z and almost completely heterochromatic, and Z a medium-sized submetacentric. Variations were observed in the number and location of rDNA sites and differential accumulations of the retrotransposon Rex1 in the terminal regions of the chromosomes of the four species studied. Interstitial telomeric sequences (ITS) were not detected in the autosomal chromosomes, only on the W chromosome of Megaleporinus. Intra and interspecific differences with respect to chromosome location and the accumulation of snRNAs U1 e U2, TEs Rex1, Rex3 and Gypsy and in tandem expansions were evidenced for the autosomal and sexual chromosomes Z and W of M. obtusidens and M. reinhardti. The data obtained in this study confirm the conservation of the karyotype macrostructure and indicate an intra / interspecific chromosome divergence among the studied anostomids, mainly due to the karyotypic microstructural differences provided by the repositioning of rDNAs and by the accumulation of differences in the other repetitive elements analyzed. The results showed that different classes of repetitive DNAs (in tandem and TEs) participated in the origin and differentiation of W chromosomes in M. obtusidens and M. reinhardti. However, the differential accumulation of these DNAs in the heterochromatic regions of the W chromosome suggests that although the sex chromosomes Z and W of Megaleporinus share a common origin, the later stages of differentiation of the sex chromosomes followed different evolutionary paths in each lineage. Keywords: Sex chromosomes. Transposable elements. Karyotype evolution. Repetitions in tandem. Cytogenetics