The unveiling of the ancestral function of MYB-LIKE genes in Marchantia polymorpha

Dissertação de mestrado em Genética Molecular

Redes de regulação genética são mecanismos essenciais e complexos que controlam vários sistemas em organismos e consistem de interações entre genes e produtos de genes. O módulo regulatório DDR foi descrito pela primeira vez em Antirrhinum majus como parte do mecanismo molecular que determina a assimetria floral da planta. Os genes MYB-LIKE que compõem o módulo, DIV, DRIF e RAD, estão envolvidos em interações DNA-proteína e proteína proteína e foram identificados em várias espécies de plantas. Investigação com plantas superiores é complicada pelo número elevado de cópias de genes e pela complexidade de interações. Plantas ancestrais sofreram menos duplicações genómicas ao longo da evolução e então são seres mais simples de estudar, como a hepática Marchantia polymorpha que tem recentemente ressurgido como uma espécie modelo. Genes homólogos de DIV e DRIF foram encontrados em M. polymorpha e a planta foi escolhida como modelo para estudar a função ancestral e a evolução das proteínas DIV e DRIF. Nesta dissertação, foram analisados os fenótipos de plantas M. polymorpha mutantes e com sobre expressão de genes do DDR e as funções dos genes DIV e DRIF em M. polymorpha ficaram mais esclarecidas. Ao nível molecular, um protocolo foi desenvolvido e otimizado para a expressão heteróloga das proteínas MpDIV1, MpDIV2 e MpDRIF para uso em estudos de interação. Análise filogenética foi utilizada como forma de revelar a evolução de DIV e DRIF em diferentes espécies de alga e foi revelada uma nova potencial história para a evolução primitiva dos genes. Destas formas e com a preparação de construções de sobre expressão, o caminho foi preparado para investigação futura focada em desvendar a função ancestral dos genes MYB-LIKE e poderá levar a uma melhor compreensão de como redes de regulação genética podem funcionar e evoluir.

Gene regulatory networks are complex and essential mechanisms that control various systems in organisms and consist of interactions between genes and gene products. The DDR regulatory module was first described in Antirrhinum majus as a part of the molecular mechanism that determines flower asymmetry. The MYB-LIKE genes that compose the module, DIV, DRIF and RAD, are involved in DNA-protein and protein-protein interactions and have been identified in many different species of plants. Studies in higher plants are complicated by the elevated number of gene copies and by the complexity of interactions. Ancestral plants have suffered less genome duplications and are thus much simpler organisms to study, such as the basal liverwort Marchantia polymorpha which has recently remerged as a model organism. Homologs of DIV and DRIF have been found in M. polymorpha and the species was chosen as a model in which to study the ancestral function and the evolution of the DIV and DRIF proteins. In this thesis, M. polymorpha plant phenotypes for mutants and plants with overexpression of DDR genes were analysed and the functions of the DIV and DRIF genes of M. polymorpha were further clarified. At the molecular level, a protocol for the heterologous expression of the MpDIV1, MpDIV2 and MpDRIF proteins was developed and optimised for use in interaction studies. Phylogenetic analysis was employed to uncover the evolution of DIV and DRIF throughout different algal species and findings revealed a new potential story for the early evolution of these genes. In these ways and with the preparation of overexpression constructs, the way was paved for future studies into unveiling the ancestral function of the MYB-LIKE genes and could lead to a greater understanding of how gene regulatory networks could function and evolve.

This work fell under the project PTDC/BIA-PLA/1402/2014, “EvoMod- Origin and Evolutionary establishment of a transcriptional module controlling flower asymmetry” and was supported by UID/MULTI/04046/2013 centre grant from FCT, Portugal (to BioISI).