The anthropogenic impact in a variety of ecosystems has been increasing significantly in recent decades. This anthropogenic pressure translates into globally spreading phenomena like habitat fragmentation, mass extinction or biodiversity decline, that threaten ecosystem services. The mitigation of such detrimental ecological impacts is largely dependent on our ability to properly assess effects of the pressures on biological systems, i.e., with sufficient resolution levels that allows establishing reliable cause-effect relationships.
High-resolution tools to assess these effects have recently been emerging, e.g., tools based in gene expression and the epigenome. The latter is strongly influenced by environmental conditions, with consequences in gene expression. Thus, the epigenome constitutes a new opportunity for the mechanistic understanding of toxic effects of environmental contaminants and for the development of biomarkers of exposure and effect. In this context, the specific objectives of the present dissertation were as follows: (i) to collect reliable genomic data of various invertebrate species representing different environmental compartments; (ii) quantify the distribution of the potential for gene body methylation based on the prevalence of CpG dinucleotides in the genome of each species; (iii) elaborate on the differential ability of invertebrate species to respond or potentially adapt to challenging and/or highly fluctuating environments based on phenotypic plasticity mediated by DNA methylation and/or related mutations; (iv) conclude on the most favourable models to address gene body methylation within an ecotoxicological context.
Among the set of 27 species with reliable genomic data publicly available selected for meta-analysis, 11 recorded an observed-to-expected CpG ratio distribution (CpG O/E) that suggest the existence of gene groups with high susceptibility to methylation, and 16 have distributions suggesting that the entire genome is little or very little susceptible to methylation. Patterns of reduced susceptibility to DNA methylation have been identified among phylogenetically closely related species, which supports the theory that DNA methylation may have played a relevant role in species adaptation to new ecological niches, e.g., during the colonization of terrestrial or freshwater environments from primitive marine environments. The concentration of CG dinucleotides in the analysed genomes also allowed to discuss the suitability of different model organisms used in ecotoxicology for the development of biomarkers of exposure or effect based on DNA methylation. In this context, the following species are noteworthy as those presenting higher relative levels of CG dinucleotides in their genome: N. vectensis and T. californicus in the marine environment; D. magna and D. polymorpha in freshwater ecosystems; I. scapularis and H. saltator in the soil compartment; A. albimanus, A. albopictus and N. vitripennis representing aerial species.O impacto humano no ambiente e nos ecossistemas tem aumentado, especialmente nas décadas mais recentes. Esta pressão antropogénica é traduzida em fenómenos que são globais, como fragmentação de habitat, extinção em massa ou declínio da biodiversidade, que ameaçam os serviços dos ecossistemas. A mitigação destes impactos negativos em diferentes ecossistemas é largamente dependente da nossa capacidade para avaliar os efeitos das pressões nos sistemas biológicos com resolução suficiente, permitindo estabelecer relações fidedignas de causa-efeito.
Ferramentas de elevada resolução para avaliar estes efeitos têm emergido recentemente, por exemplo, as baseadas na expressão génica e no epigenoma. Este é fortemente influenciado pelas condições ambientais, com consequências na expressão génica. Assim, o epigenoma constitui uma nova oportunidade para a compreensão mecanicista dos efeitos tóxicos dos contaminantes ambientais e para o desenvolvimento de biomarcadores de exposição e efeito. Neste contexto, os objetivos específicos da presente Dissertação foram: (i) recolher dados genómicos relativos a várias espécies de invertebrados representantes de diferentes compartimentos ambientais; (ii) quantificar a distribuição do potencial para metilação de regiões genéticas codificantes nos genomas destes organismos, com base na prevalência de dinucleótidos citosina-guanina (CpG); (iii) elaborar sobre a capacidade diferencial das espécies de invertebrados para responderem ou potencialmente se adaptarem a pressões ou flutuações ambientais, com base na plasticidade fenotípica mediada pela metilação do DNA e/ou mutações relacionadas; (iv) concluir sobre as espécies-modelo mais favoráveis para abordar a metilação de regiões genéticas codificantes num contexto ecotoxicológico.
De entre o conjunto de 27 espécies selecionadas para meta-análise com dados genómicos suficientes disponíveis, 11 apresentaram distribuições do rácio entre frequência de CpG observada e esperada (CpG O/E) que sugerem a existência de grupos de genes muito suscetíveis a metilação, e 16 apresentaram distribuições que sugerem que todo o genoma é pouco ou muito pouco suscetível a metilação. Padrões de redução de suscetibilidade à metilação do ADN foram identificados entre espécies filogeneticamente próximas, que apoiam a teoria de que a metilação do DNA poderá ter tido um papel relevante na adaptação das espécies a novos nichos ecológicos, p.ex. durante a colonização de ambientes terrestres ou dulçaquícolas a partir de ambientes primitivos marinhos. A concentração de dinucleótidos CG nos genomas analisados permitiu ainda discutir sobre a adequação de diferentes organismos-modelo usados em ecotoxicologia para o desenvolvimento de biomarcadores baseados na metilação do ADN. Neste contexto, destacam-se as seguintes espécies, como modelos com uma maior quantidade relativa de dinucleótidos CG: N. vectensis e T. californicus no ambiente marinho; D. magna e D. polymorpha em ecossistemas dulçaquícolas; I. scapularis e H. saltator no compartimento solo; A. albimanus, A. albopictus e N. vitripennis para representar espécies aéreas. Complementarmente a esta evidência, a escolha de organismos-modelo neste contexto deve ser guiada pela informação existente sobre as suas respostas ecotoxicológicas ao nível fenotípico.Mestrado em Biologia Aplicad
