Sex-specific cold acclimation transcriptomics of Drosophila montana : the role of alternative splicing

Abstract

Drosophila montana -kärpäsen sukupuolisidonnainen geeniekspressio kylmäakklimaatiossa : vaihtoehtoisen silmukoitumisen rooli.

Lämpötila on tärkeimpiä hyönteisten levinneisyyteen vaikuttavia abioottisia tekijöitä. Erityisesti pohjoisen pallonpuoliskon talvi koettelee hyönteisiä, joista enemmistö suojautuu kylmyydeltä fysiologisten muutosten avulla. Tärkeä plastinen vaste on kylmäakklimaatio, joka kasvattaa kylmänkestävyyttä melko kylmälle lämpötilalle altistumisen seurauksena. Huolimatta paljon tutkitusta fenotyyppisestä vasteesta kylmäakklimaation sukupuoliriippuvuus sekä geneettinen tausta tunnetaan huonosti, etenkin geenien vaihtoehtoisesti silmukoituvien varianttien tasolla. Tässä työssä tutkimuslajiksi valittiin Drosophila montana sen huomattavan kylmänkeston, selvän kylmäakklimaatiovasteen ja Drosophila-suvun hyvin tunnetun geneetiikan vuoksi. Fenotyyppinen kylmäakklimaatiovaste todennettiin mittaamalla kriittinen terminen minimilämpötila (CTmin), eikä sukupuolten välillä havaittu siinä eroa. Kontrolli- (19 °C) ja akklimaatio-olosuhteista (6 °C) kerätyistä naaras- ja koiraskärpäsistä (3 kustakin näytteestä) sekvensoitiin RNA Illumina TruSeq –protokollalla. Näin saadut 50–90 miljoonaa 150 emäsparin pituista sekvenssiparia muokattiin ja linjattiin D. montanan genomiin sekä määritettiin aineistossa poikkeavasti ekspressoituvat geenit, transkriptit ja eksonit. Ekspressio oli poikkeava sukupuolten välillä 45 %:lla geeneistä, mutta kylmäakklimaatio vähensi sukupuolten välisiä eroja. Ekspressioltaan merkitsevästi poikkeavia geenejä löydettiin koirailta 1448 ja naarailta 1374, ja näistä 521 esiintyi molemmilla sukupuolilla. Geeniekspressio transkriptitasolla oli samankaltaista kuin geenitasolla, mutta eksonitasolla naarailta löydettiin koiraita enemmän ekspressioltaan poikkeavia geenejä. Geenien kylmäakklimaatiovaste oli samankaltainen sukupuolten välillä (korrelaatio 0,61), ja molemmilla sukupuolilla ekspressioltaan poikkeavissa geeneissä samankaltaisuus oli vielä suurempaa (0,91). Nämä molemmissa sukupuolissa kylmäakklimaatioon merkittävästi reagoivat geenit muodostavat joukon, joka selittänee suurelta osin D. montana kärpästen kylmänkestävyyden parantumisen. Geenien toiminnallisessa analyysissä energian kohdentaminen, aineenvaihdunta ja stressireaktio olivat keskeisiä, mutta myös sukupuolisidonnaisia prosesseja löytyi, kuten seriini/treoniini-proteiini-kinaasit koirailla ja orgaanisten anioinien kuljetus naarailla. Osaa löydetyistä prosesseista (esim. WD40 toistojakso koirailla) ja kandidaattigeeneistä (esim. sodh-2 naarailla) ei ole aiemmin yhdistetty hyönteisten kylmäakklimaatioon. Tapausesimerkkinä vaihtoehtoisesta silmukoitumisesta tutkittiin timeless-geeniä, joka on tärkeä eliöididen kirkaadiseen rytmiin liittyvä geeni ja jolla esiintyi mielenkiintoista lämpötilasta riippuvaa silmukointia myös D. montana kärpäsillä.

Temperature is perhaps the most important abiotic factor governing insect distributions. The winter in the northern hemisphere presents a challenge for insects, most of which need to cope with the cold with physiological modifications. An important plastic response to low temperature stress is the cold acclimation response, whereby an insect’s cold tolerance is improved following an exposure to sub-lethal low temperatures. The phenotypic cold acclimation response is well characterized, but its genetic basis is less well known, especially at the level of the alternatively spliced transcripts of the same gene. Also, sex- specificity of cold acclimation at the transcriptome level has yet to be studied. To address these questions, Drosophila montana was chosen for study organism due to its cold- resistant nature, clear acclimation response and well-documented genetics of the genus. Phenotypic cold acclimation response was confirmed by determining critical thermal minimum (CTmin), but no difference between sexes was found. Three samples of both sexes kept at both control (19 °C) and cold-acclimation (6 °C) conditions were generated and then used for RNA-sequencing with Illumina TruSeq protocol yielding 50–90 million 150 bp long paired end reads per sample. Reads were trimmed and mapped to the D. montana genome, normalized and differentially expressed (DE) genes, transcripts and exons were determined. Sex-biased expression was found in 45 % of the genes, but cold acclimation mitigated sex-specific differences: genes that were significantly more upregulated in males in cold acclimation were mostly female-biased and vice versa. In the differential expression analysis, 1448 genes were DE in males and 1374 in females, of which 521 were shared. The number of DE genes at the transcript and exon level were similar in both sexes, but there was a surplus of DE genes at the exon level in females. The cold acclimation response was similar between sexes (correlation 0.61), and genes DE in cold acclimation in both sexes had even higher correlation (0.91). DE genes shared by both sexes likely constitute a key gene set mainly responsible for improving the cold tolerance. Functional enrichment analyses of these genes found that energy allocation, metabolism and stress response were most extensively represented. Additionally, sex-specific processes such as serine/threonine-protein kinase metabolism in males and sodium- independent organic anion transport in females were found. A few enriched clusters (e.g. WD40 repeat in males) and candidate genes (e.g. sodh-2 in females) were novel to insect cold acclimation. As a case study on alternative splicing, a key circadian clock gene timeless was studied as it exhibited interesting thermosensitive splicing.