[en] Living beings face changing and usually stressful environmental conditions, aggravated by climate change, which tests their ability to survive. Changes in the genetic composition of the population, in the form of mutations, is the source for evolution and adaptation to environmental changes. This genetic diversity is driven by two major evolutionary forces that change the genetic composition in a population, allowing access to new phenotypes: genetic drift and natural selection. On one hand, genetic drift randomly fixes mutations in the population independent of their effect. On the other, natural selection either selects for beneficial mutations or purges deleterious mutations in a given environment. Hence, the effect of the mutations is closely linked to the environment and, as a consequence, populations exhibiting high genetic diversity can evolve faster and adapt better to environmental fluctuations. In addition to natural selection and genetic drift, gene duplication is also of great importance to evolution, as it is the main source of new genetic material. Not surprisingly, gene duplication has been related to major leaps in evolution, such as the radiation of angiosperm plants or large morphological innovations in animals. However, the molecular mechanisms that underlie the preservation of duplicated genes for long periods of time remain unknown. To better understand these mechanisms, experimental systems enabling rapid evolution are needed as the natural time scale for natural evolution can be extremely long. For this reason, experimental evolution approaches using viruses and microorganisms have become a valuable tool in evolutionary biology. On one hand, viruses show extremely high mutation rates, especially RNA viruses, conferring them the ability to rapidly adapt to a changing environment, thus representing an ideal model to study the effect of mutations. On the other hand, the yeast Saccharomyces cerevisiae, which has its origin in a whole genome duplication that occurred more than 100 million years ago, is a good model for studying gene duplication and its role in adaptation. Moreover, beyond their use as models for understanding evolutionary processes, the rapid evolutionary capacity of RNA viruses poses a challenge for treating and preventing infections and S. cerevisiae is currently one of the species with the largest biotechnological and economic impact. Therefore, a comprehensive analysis of the effect of mutations in large virus populations and, a deep knowledge about how genetic duplication influences adaptation and biological innovation is essential for gaining a better understanding of evolutionary processes and can help maximize our use of the full biomedical and biotechnological potential of RNA viruses and the budding yeast. This doctoral thesis aims to shed light on two fundamental evolutionary biology questions: What are the molecular mechanisms that determine the genomic stability of duplicated genes that are maintained in the genome for enough time to acquire evolutionary relevance? And, how does genetic variability contribute to evolution and adaptation? To address these questions we used two different models: the yeast S.cerevisiae and the coxsackievirus B3 (CVB3). In the first part of this thesis, we show that the level of gene expression of duplicated genes, as well as transcriptional and functional divergence, are key for the stability of duplicated genes. In addition, we find that the transcriptional plasticity of duplicated genes plays a key role in adaptation to new and stressful environments like high concentrations of ethanol, glycerol, and lactate or for oxidative stress conditions. In the second part, we performed a deep mutational scanning of the CVB3 capsid to generate highly genetically diverse populations and captured the mutational fitness effect of >90% of all possible single amino acid mutations in the viral capsid. We then used these highly diverse populations to study the contribution of genetic variability to adapt to thermal inactivation, observing that increasing the initial genetic variability in the population helps evolution even in RNA viruses with extremely high mutation rates.

[es] Los seres vivos se enfrentan a condiciones ambientales cambiantes y habitualmente estresantes, agravadas por el cambio climático, que ponen a prueba su capacidad de supervivencia. El cambio en la composición genética de las poblaciones reside en las mutaciones, que son la fuente para la evolución y la adaptación a los cambios. La diversidad genética intrapoblacional está regulada por dos grandes fuerzas evolutivas que cambian la composición genética permitiendo así el acceso a nuevos fenotipos: la deriva genética y la selección natural. Por un lado, la deriva genética fija mutaciones en la población de manera aleatoria e independiente del efecto que suponga dicha mutación para la población. Por otro lado, la selección natural si bien favorece la fijación de mutaciones beneficiosas también elimina mutaciones perjudiciales en un determinado ambiente. Por lo tanto, el efecto de las mutaciones está fuertemente ligado al ambiente y, en consecuencia, aquellas poblaciones que exhiben una mayor diversidad genética serán capaces de evolucionar más rápido y adaptarse mejor. Además de la evolución por selección natural y deriva genética, la duplicación genética también es de especial importancia para la evolución, pues es la principal fuente de nuevo material genético y de innovaciones biológicas. Tanto es así que las grandes transiciones evolutivas, como la radiación de las plantas angiospermas o las grandes innovaciones morfológicas en animales se han relacionado con eventos de duplicación. Sin embargo, los mecanismos moleculares que permiten mantener los genes duplicados durante largos periodos de tiempo siguen siendo desconocidos. Para intentar ampliar el conocimiento respecto a estos mecanismos, y dado que los efectos de la evolución en la naturaleza tarda mucho tiempo en poder observarse, se necesitan sistemas biológicos que sean capaces de evolucionar rápido. En este contexto, te tiempo adecuado al experimentador, se han llevado a cabo estudios de evolución experimental con virus y microorganismos que han supuesto una herramienta muy valiosa en el estudio de la biología evolutiva. Por un lado, los virus presentan tasas de mutación extremadamente elevadas, especialmente los virus de ARN, lo que les confiere la capacidad de adaptarse de manera muy rápida a un cambio ambiental. Por otro lado, la levadura Saccharomyces cerevisiae, cuyo origen se debe a una duplicación genómica acaecida hace más de 100 millones de años, es un buen modelo para estudiar la duplicación genética y su papel en la adaptación. Además, más allá de ser útil para la evolución experimental y el estudio de la biología evolutiva, la elevada capacidad evolutiva de los virus de ARN supone un desafío importante para la medicina y en la prevención de enfermedades emergentes y, la levadura S.cerevisiae es una de las especies con mayor impacto económico en la industria biotecnológica. Por lo tanto, llevar a cabo un análisis exhaustivo del efecto de las mutaciones en poblaciones virales y estudiar en profundidad como la duplicación genética influye la adaptación y la innovación biológica en la levadura, es fundamental para generar un marco de conocimiento que permitirá maximizar el potencial biomédico y biotecnológico de los virus de ARN y de la levadura. Esta tesis doctoral trata de abordar dos cuestiones fundamentales en biología evolutiva: ¿Cuáles son los mecanismos moleculares que determinan la estabilidad de los genes duplicados en el genoma durante el tiempo suficiente para que sean capaces de adquirir relevancia evolutiva? Y, ¿Cómo contribuye la variabilidad genética a la evolución y a la adaptación a nuevos ambientes? Para intentar responder a estas preguntas hemos utilizado dos modelos experimentales diferentes: la levadura S. cerevisiae y el coxsackievirus B3 (CVB3). En la primera parte de esta tesis, con la levadura hemos visto que el nivel de expresión génica de los genes duplicados, así como la divergencia transcripcional y funcional, son fundamentales para la estabilidad de los genes duplicados en el genoma. Además, hemos observado que la plasticidad transcripcional de los genes duplicados juegan un papel clave en la adaptación a nuevos ambientes desfavorables, tales como condiciones de estrés oxidativo o altas concentraciones de etanol, glicerol o ácido láctico. Y en la segunda parte de la tesisi, utilizando el virus CVB3, hemos realizado una aproximación de Deep mutational scanning sobre las proteínas de la cápside viral y hemos generado poblaciones virales con una elevada variabilidad genética. Gracias a ello hemos podido evaluar el efecto de las mutaciones en la cápside caracterizando alrededor del 90% de los cambios de amino ácidos. Además, hemos empleado estas poblaciones virales altamente diversas y hemos estudiado como esta variabilidad genética contribuye a la adaptación contra la inactivación térmica. Nuestros resultados muestran que, incluso en virus de ARN con tasas de mutación extremadamente elevadas, un aumento de la diversidad genética de la población al inicio de la evolución experimental acelera el proceso evolutivo y facilita la adaptación al nuevo ambiente.