Tema 5_Evolución de genes y genomas (5) PDF

V. EVOLUCIÓN DE GENES Y GENOMAS 1. Análisis del cambio evolutivo a nivel molecular. 2. El reloj molecular. 3. Teoría neutral. 4. El origen de nuevos genes. 5. El genoma como unidad de evolución. 6. Evolución comparada de genomas.  1. Análisis del cambio evolutivo a nivel...

V. EVOLUCIÓN DE GENES Y GENOMAS 1. Análisis del cambio evolutivo a nivel molecular. 2. El reloj molecular. 3. Teoría neutral. 4. El origen de nuevos genes. 5. El genoma como unidad de evolución. 6. Evolución comparada de genomas.  1. Análisis del cambio evolutivo a nivel molecular CONTEXTO HISTÓRICO  Las primeras secuencias de proteínas a fines de la década de 1950  Primeros estudios de variabilidad alozímica en la segunda mitad de la década de 1960  Las primeras secuencias de DNA a fines de la década de 1970 SORPRESAS  Las poblaciones naturales son mucho más variables (a nivel molecular) de lo que se esperaba.  Para la teoría sintética de la evolución solamente algunos tipos de selección (por ejemplo, ventaja del heterocigoto) podrían mantener polimorfismos.  La divergencia de secuencias de proteínas es proporcional al tiempo aproximado de divergencia entre especies  La evolución morfológica, mejor conocida, es errática en su ritmo. Análisis del cambio evolutivo a nivel molecular Gran parte de la historia evolutiva de un organismo está documentada en su genoma  Podemos estudiar la evolución (molecular) de genes y, ahora, de genomas.  ¿Qué factores modulan la evolución de los mismos?  La Evolución molecular investiga la evolución de las macromoléculas (genes y las proteínas) a partir de las relaciones entre su estructura y función en los organismos. También utiliza la variación molecular para reconstruir la historia y estudiar los mecanismos y las consecuencias de la evolución.  La evolución de las macromoléculas depende (ya visto) de la variación genética introducida por las mutaciones.  Los cambios evolutivos en genes y proteínas se identifican comparando las secuencias de nucleótidos o aminoácidos de diferentes organismos.  Cuanto más tiempo han estado evolucionando esas secuencias, mayor será el número de diferencias que se habrán acumulado. Por otro lado los distintos genes de una especie evolucionan de manera diferente. Análisis del cambio evolutivo a nivel molecular El primer paso para investigar la evolución de los genes y las proteínas es alinear las posiciones homólogas de las secuencias de nucleótidos o aminoácidos que se van a estudiar. Análisis del cambio evolutivo a nivel molecular Ejemplo de un alineamiento de nucleótidos del gen odh de Drosophila Diferentes regiones están sometidas a distintas presiones de selección. Análisis del cambio evolutivo a nivel molecular Ejemplo de alineamiento de aminoácidos S-kdr 906 932 S-kdr K S W P T L N L L I S I T G R T M G A L G N L T F V L musca kdr K S W P T L N L L I S I M G R T M G A L G N L T F V L suscept K S W P T L N L L I S I M G R T M G A L G N L T F V L Drosophila, Para K S W P T L N L L I S I M G R T M G A L G N L T F V L Eel K S W P T L N I L I K I I C N S V G A L G N L T I V L Ascidia K S W P T L N M L I K I I G N S M G S L G N L T L I L Squid K S W P T L N M L I S I V A G T M G A L G N L T L V L Rat1 K S W P T L N M L I K I I G N S V G A L G N L T L V L Rat2 K S W P T L N M L I K I I G N S V G A L G N L T L V L Rat3 K S W P T L N M L I K I I G N S V G A L G N L T L V L Ratsm K S W P T L N M L I k I I G N S V G A L G N L T L V L Ratcm K S W P T L N T L I K I I G N S V G A L G N L T L V L II-S4 II-S5 1014 1002 kdr 1025 S-kdr I P F F L A T V V I G N F V V L N L F L A L L L musca kdr I P F F L A T V V I G N F V V L N L F L A L L L suscept I P F F L A T V V I G N L V V L N L F L A L L L Drosophila,Para I P F F L A T V V I G N L V V L N L F L A L L L Eel L A V Y M M V I I I G N L V M L N L F L A L L L Ascidia V P V F L L V Q V V G N L V V L N L F L A L L L Squid V P F F L L T M I I G N L V V L N L F L A L L L Rat1 L T V F M M V M V I R N L V V L N L F L A L L L Rat2 L T V F M M V M V I G N L V V L N L F L A L L L Rat3 L I V F M L V M V I G N L V V L N L F L A L L L Ratsm L t V F L M V M V I G N L V V L N L F L A L L L Ratcm L L V F L L V M V I G N L V V L N L F L A L L L II-S6 Alineamiento de un dominio de la proteina del canal de sodio dependiente de voltaje Diferentes regiones están sometidas a distintas presiones de selección. V. EVOLUCIÓN DE GENES Y GENOMAS 1. Análisis del cambio evolutivo a nivel molecular. 2. El reloj molecular. 3. Teoría neutral. 4. El origen de nuevos genes. 5. El genoma como unidad de evolución. 6. Evolución comparada de genomas.  2. El reloj molecular A A) Relaciones evolutivas de las especies en las que se ha estudiado el gen de la -globina. B) Regresión del número medio K de sustituciones aminoacídicas en la proteína codificada por el gen de la - globina desde la divergencia (que B aparece en millones de años en el eje de ordenadas) entre un linaje que conduce a cada especie que encabeza la columna que aparece en la figura y el ancestro de las restantes especies. C) Número de sustituciones entre pares C de especies del citado gen, así como divergencia media y tiempos de divergencia en millones de años.  El reloj molecular C Número de sustituciones entre pares de especies del citado gen, así como divergencia media y tiempos de divergencia en millones de años.  El reloj molecular Observaciones a) Parece existir una correlación positiva entre el cambio molecular y el tiempo evolutivo: reloj molecular. b) El cambio lo podemos medir de varias formas, por ejemplo contando el número absoluto K’ de diferencias entre pares de genes. Si K’ lo dividimos por la longitud L de la secuencia entonces tenemos el número K de diferencias por sitio. Si además lo dividimos por el tiempo en que las secuencias han estado divergiendo, obtenemos una tasa de cambio por sitio y año (k) c) El valor de k difiere entre proteínas. La restricción funcional es distinta para cada una de ellas. Menor restricción, mayor tasa de evolución. K’ = 3 (nº absoluto de cambios) 3 Tasa de cambio k = 10 aax2t  El reloj molecular EL RELOJ MOLECULAR Zuckerkandl y Pauling, 1965 “Las moléculas como documentos históricos” Para cualquier macromolécula dada los cambios se acumulan a la misma tasa en todos los linajes evolutivos Figura 2. Relación entre el número estimado de sustituciones Si una determinada molécula (proteica o de DNA) presenta aminoacídicas en la cadena α de la globina entre parejas de una tasa constante de evolución, esta molécula puede ser especies de vertebrados y su tiempo de divergencia (adaptado utilizada como reloj molecular ya que permite estimar el de Kimura, 1983). La línea recta se espera basada en la tasa tiempo de divergencia entre especies. uniforme de sustituciones de amino ácidos durante el periodo  El reloj molecular Reloj molecular para algunas proteínas Tasas de sustituciones por sitio cada 109 años Proteína k Fibrinopéptido 9,0 Hormona del crecimiento 3,7 Lactoalbúmina 2,7 Cadena  de la hemoglobina 1,2 Mioglobina 0,89 Tripsina 0,59 Calcitonina 0,43 Citocromo c 0,22 Glutamato deshidrogenasa 0,09 Histona H3 0,014 Histona H4 0,010  El reloj molecular ¿El reloj molecular es igual de rápido (o lento) para todas las familias de genes/proteínas? ¿El reloj molecular es igual de rápido (o lento) para todas las regiones del genoma? La respuesta es NO en ambos casos. Cada gen/región tiene una tasa característica. Relación entre función y variabilidad Hay que “CALIBRAR” cada reloj. El reloj molecular  El reloj molecular Tasas de mutaciones sinónimas y no-sinónimas en el Las tasas de cambio en los sitios gen H3 (hemaglutinina) del virus de la gripe A a lo “silenciosos” son mayores que en los largo del tiempo. sitios de “reemplazamiento” Ambos tipos de cambio se comportan como un reloj, pero es más rápido el de las mutaciones que no cambian la función.  El reloj molecular Tasas de sustitución nucleotídica para diferentes regiones de genes y pseudogenes de mamíferos. REGIONES GÉNICAS PSEUDOGENES  El reloj molecular No hay un reloj molecular universal  La propuesta inicial contemplaba el reloj como un proceso Poisson con tasa constante.  Ahora sabemos que es más complejo, con diferentes tasas de evolución en:  distintos sitios de una molécula.  diferentes genes.  distintas regiones de los genomas.  diferentes genomas de una misma célula.  distintos grupos taxonómicos para el mismo gen. ¡No podemos hablar de un reloj molecular universal! V. EVOLUCIÓN DE GENES Y GENOMAS 1. Análisis del cambio evolutivo a nivel molecular. 2. El reloj molecular. 3. Teoría neutral. 4. El origen de nuevos genes. 5. El genoma como unidad de evolución. 6. Evolución comparada de genomas.  3. La teoría neutral Observaciones de la evolución molecular que, según Kimura, no podían ser interpretadas por selección natural: 1) Alta tasa de evolución génica (estudiada como tasa de sustitución aminoacídica en proteínas): 1,5 x 10-9/sitio y año. 2) Tasa de evolución constante: reloj molecular (bajo selección esperaríamos evolución episódica y siempre, correlacionada con cambios ambientales). 3) Enorme variabilidad genética intraespecífica. 4) Evolución más lenta en las regiones funcionalmente más importantes de las proteínas (por selección natural (adaptativa) esperaríamos lo contrario).  Teoría neutral En 1968, Motoo Kimura propone, para poder explicar esas observaciones, la Teoría de Evolución Molecular Neutral  La inmensa mayoría de la variación molecular que llega a fijarse en las poblaciones (cambio evolutivo molecular) es neutra y,  Por tanto, la deriva genética gobierna la evolución a nivel molecular  La tasa de evolución molecular es igual a la tasa de mutación.  La selección natural actuando sobre variantes beneficiosas NO puede explicar el cambio evolutivo a nivel molecular. Sólo una proporción insignificante de los cambios a nivel molecular corresponde a mutaciones ventajosas.  Teoría neutral Tasa de evolución o sustitución (k): Tasa a la que unos alelos generados por mutación son sustituidos por otros nuevos por efecto de la selección y/o de deriva genética. Se requiere la acción conjunta de la mutación generando nuevos alelos y la selección y/o la deriva fijándolos.  Teoría neutral Tasa de evolución o sustitución por deriva génica  Población de Ne individuos diploides  2Ne alelos de cada locus (copias del gen, idénticas o no)  Probabilidad de fijar un alelo por deriva: 1/(2Ne)  La cantidad de alelos neutros nuevos que se generan por mutación cada generación será: 2Ne Tasa de sustitución = fijación x mutación k = 1/(2Ne) x 2Ne k= La tasa de sustitución neutral por deriva es constante a lo largo del tiempo, independiente del tamaño poblacional y coincide con la tasa de mutación neutral RELOJ MOLECULAR  Teoría neutral Importancia relativa de los distintos tipos de mutaciones según las teorías neutral y seleccionista. Selection theory Neutral theory V. EVOLUCIÓN DE GENES Y GENOMAS 1. Análisis del cambio evolutivo a nivel molecular. 2. El reloj molecular. 3. Teoría neutral. 4. El origen de nuevos genes. 5. El genoma como unidad de evolución. 6. Evolución comparada de genomas.  Repaso de la expresión génica  La expresión génica, incluye dos etapas: transcripción y traducción  Repaso de la expresión génica A) Procariotas B) Eucariotas Repaso de la expresión génica Repaso de la expresión génica Procariotas Repaso de la expresión génica Eucariotas  4. El origen de nuevos genes El origen de nuevos alelos es bastante directo, pero ¿de dónde vienen los genes nuevos? La evolución morfológica ha ido acompañada por un aumento en el número de genes. Dos momentos de aumento drástico:  Aparición de los eucariotas. Hace aproximadamente 1400 m.a. (desde 1000-5000 genes a 10000 o más).  Aparición de los primeros vertebrados. Inmediatamente después del fin del Cámbrico. Cada proto-vertebrado tendría en torno a 30000 genes. Las variaciones en el número de genes entre organismos indican que debe de haber un proceso general para el origen de nuevos genes  El origen de nuevos genes Ohno propuso en 1970 que la duplicación génica es el único mecanismo por el que puede surgir un nuevo gen Evolution by Gene Duplication Susumu Ohno, 1970 “Natural selection merely modified, while redundancy created” Actualmente se sabe que hay otros mecanismos para generar nuevas funciones, pero la tesis de Ohno sigue siendo correcta porque la duplicación (génica y/o genómica) es el mecanismo más importante por el que se pueden crear nuevos genes y nuevos procesos bioquímicos. Es el modo de aumentar el tamaño de los genomas, cuando no es por transferencia horizontal. Una duplicación puede implicar: a. Parte de un gen Duplicación génica interna o parcial b. Un solo gen Duplicación génica completa c. Parte de un cromosoma Duplicación cromosómica parcial d. Un cromosoma entero Duplicación cromosómica (aneuploidia o polisomia) e. Todo el genoma Duplicación genómica o poliploidía  El origen de nuevos genes La duplicación ocurre a todas las escalas genómicas  El origen de nuevos genes Consecuencias de la duplicación génica Destino de los genes duplicados: visión clásica A) Retener la función original. De esta manera permite al organismo producir más cantidad de cierto producto. B) Sufrir mutaciones y volverse un pseudogen no funcional. C) La más importante para la evolución de los genomas. La duplicación génica puede dar lugar a la emergencia de nuevos genes (nueva función). Duplicación Acumulación de Redundancia Mutaciones Mutaciones deletéreas beneficiosas S. purificadora Pseudogen Gen con nueva función S. neutra S. positiva  El origen de nuevos genes Consecuencias de la duplicación génica Destino de los genes duplicados: Visión actual El modelo DDC : Duplicación-Degeneración-Complementación  Redundancia génica: conservación de la función  No-funcionalizacion: pérdida de función (pseudogenización)  Neo-funcionalización: ganancia de función  Sub-funcionalización: fraccionamiento de una función génica ancestral Para inferir constricciones selectivas sobre los genes duplicados se calcula la tasa de sustituciones sinónimas o silenciosas (Ks) y no sinónimas o de reemplazamiento (Ka) entre los genes duplicados. Ka/Ks, nos dirá el tipo de selección que está actuando.  EXTRA Constricciones selectivas sobre los genes duplicados Susstituciones / Sitio de reemplazamiento (KA) Visión global Cada punto representa un par de genes duplicados Puntos vacíos indican genes para los que la razón Ka/Ks no es significativamente diferente de 1. Sustituciones / Sitios silenciosos(KS) Constricciones selectivas sobre los genes duplicados  El origen de nuevos genes Consecuencias de la duplicación génica Destino de los genes duplicados: El modelo DDC Una copia adquiere una pseudogenización mutación beneficiosa hacia una nueva función  El origen de nuevos genes Consecuencias de la duplicación génica Subfuncionalización Partición de funciones génicas ancestrales mediante mutaciones complementarias de pérdidas de función en copias parálogas Se necesita la acción combinada de ambas copias génicas para satisfacer los requerimientos del gen ancestral.  El origen de nuevos genes Ejemplo de subfuncionalización: genes engrailed a Tronco tetrápodos Cabeza Patrón de expresión de eng1a y eng1b en “zebrafish”  El origen de nuevos genes La duplicación génica hace necesario distinguir entre tipos de genes homólogos, puesto que no evolucionan de la misma manera Homólogos: derivados de una copia ancestral Ortólogos: Genes que comparten el último ancestro común y cuya divergencia se debe derivados a la especiación. Su evolución refleja la evolución de las especies. Los mismos genes en distintas especies, y misma función td Parálogos: derivados de un suceso de duplicación ya no comparten el mismo ancestro. Su evolución refleja la evolución del gen. Las copias que tienen la posibilidad de te evolucionar (pueden tener distinta función) A1 de las especies 1 y 2 son ortólogos A2 de las especies 1 y 2 son ortólogos A1 y A2 de la misma especie son parálogos Los genes ortólogos son genes homólogos de especies diferentes que evolucionaron a partir de un ancestro común en un proceso de especiación, Xenólogos: derivados de un suceso mientras que los parálogos son resultado de la de TH duplicación El origen de nuevos genes  El origen de nuevos genes Los ortólogos surgen por especiación Secuencia en el ATCGGCCACTTTCGCGATCA organismo Especiación ancestral ACCGGCCACCTTCGCGATCG ATAGGGCAGTCTCGCGATTA Especie moderna A Secuencias ortólogas Especie moderna B  El origen de nuevos genes Los parálogos surgen por duplicación Duplicación Secuencia en ATCGGCCACTTTCGCGATCA el organismo ancestral ACCGGCCACCTTCGCGATCG ATAGGGCAGTCTCGCGATTA Duplicado moderno A Secuencias parálogas Duplicado moderno B  El origen de nuevos genes Adquisición de nuevos genes: mecanismos moleculares 1. Duplicación génica 2. Creación de genes mosaico 3. Retrotransposición 4. Elementos móviles 5. Transferencia horizontal 6. Origen “de novo” 7. Poliploidía El origen de nuevos genes 1. Duplicación génica Entrecruzamiento desigual: Un suceso de recombinación iniciado por secuencias nucleotídicas similares localizadas en posiciones distintas en un par de cromosomas homólogos.  El origen de nuevos genes Figure 3. Unequal recombination, often mediated by homology between interspersed repeats, may lead to tandem or interspersed segmental duplications. A. Unequal recombination between intronic regions of different genes may create chimeric genes and concomitant deletion products. B. Recombination between intergenic regions can duplicate or delete complete gene structures. Exons are shown as rectangles, with yellow and green shading indicating gene A and B, respectively. Unequal recombination event, facilitated by Alu interspersed repeat (Alu) is shown by crossed dotted lines. Over 30% of unequal homologous recombination events are thought to occur by crossovers between Alu elements; however, non-homologous recombination between both related and unrelated genes not facilitated by interspersed repeat sequences has also been reported. The deletion product of the unequal recombination is more likely to cause haplo-insufficiency, disease, or loss of viability, and be lost from the population.  El origen de nuevos genes 2. Creación de genes mosaico Estructura de la proteína A) Duplicación de dominios. El segmento génico que codifica para un dominio estructural es duplicado por cualquiera de los mecanismos anteriores. La duplicación de dominios hace el gen más largo, lo que parece ser una consecuencia de la evolución genómica. Los genes de eucariotas superiores son mas largos que los de organismo inferiores.  El origen de nuevos genes B) Barajado de dominios. Cuando segmentos que codifican para dominios estructurales de genes completamente diferentes son reunidos para formar una nueva secuencia codificante que especifica una proteína mosaico o híbrido. Puede resultar una función completamente nueva Ejemplo: TPA (activador plasminogen de tejido) Cuatro exones, cada uno codifica para un dominio estructural diferente: 1. Modulo de unión a fibrina 2. Dominio de factor de crecimiento epidérmico 3 y 4. Estructuras de unión a coágulos de fibrina  El origen de nuevos genes 3. Retrotransposición Este mecanismo crea genes duplicados en posiciones genómicas nuevas mediante el mecanismo de la transcripción reversa de genes parentales. Como no llevan promotor tienen que capturar una nueva secuencia reguladora para ser funcional, o convertirse en un retropseudogen Un gen originado por este mecanismo siempre será una quimera Origen de pseudogenes procesados Acción de la transcripción reversa sobre mRNAs para dar un DNA duplex, que se integra en el genoma.  El origen de nuevos genes 4. Elementos móviles La integración de elementos móviles en genes nucleares puede generar nuevas funciones. El primer ejemplo descrito fue la integración de un elemento Alu en la región codificante del gen DAF. Actualmente se ha visto que la integración de EM en genes nucleares es un fenómeno general y crea nuevas funciones Ejemplo:  El origen de nuevos genes 5. Transferencia horizontal Transferencia Horizontal (TH). Es el mecanismo más común en procariotas. Se han encontrado ejemplos que podrían indicar que la TH también podría ser importante en la evolución de genes eucarióticos DNA con diferente composición  El origen de nuevos genes La TH posee dos ingredientes seguros para provocar controversia  Cuestiona el árbol tradicional de la evolución  Es difícil probar su existencia sin ambigüedades  El origen de nuevos genes Mecanismos de Transfrencia Horizontal Transformación: Los procariotas toman DNA que está libre en el medio (fragmentos cortos de DNA) Conjugación (sexo en bacterias): Hay contacto físico entre células. (fragmentos largos de DNA) Transducción: Un virus es un vector. El dador y el receptor necesitan compartir receptores para la unión del fago. Sólo entre bacterias relacionadas.  El origen de nuevos genes Ejemplo de Transferencia horizontal Árbol de especies Árbol de genes uure uure mgen mpneu mpneu bsub bsub bhal bhal ctra ctra cpneu cpneu mgen tpal bbur tpal bbur Suceso de transferencia horizontal  El origen de nuevos genes Ejemplo de Transferencia horizontal Primer ejemplo en eucariotas: Wolbachia en insectos Ejemplo:  El origen de nuevos genes 6. Origen de “novo”: el gen jingwei Se pueden crear nuevos genes por combinación de uno o más mecanismos. Jingwei fue el primer gen nuevo descrito. Combina barajado de exones, retrotransposición y duplicación génica yellow adh jingwei D. jakuba + + + D. teissieri + + + D. melanogaster + + - 2MY 1. No se destruyen funciones previas 2. Estructuras quiméricas pueden crear diversidad proteica 3. Hay degeneración de exones 4. Hay herencia de secuencias reguladoras 5. La secuencia evolucionó rápidamente. Selección positiva  La leyenda y los nombres de los genes Jingwei: El primer emperador Chino Yande (3.000AC), hermano del emperador Yellow, tuvo una preciosa princesa llamada Jingwei, a quien le gustaba mucho nadar. Cuando estaba nadando en el Mar Este de China se hundió. Fue entonces reencarnada en un precioso pájaro, que para salvar a otros de la posible tragedia transportó piedras y arenas en un intento de llenar el océano. El nuevo gen se llamó jingwei porque al principio se pensó que era un pseudogen y que fue “reencarnado” en un gen funcional con una nueva estructura.  El origen de nuevos genes Adquisición de nuevos genes: mecanismos moleculares Veamos dos ejemplos El origen de nuevos genes Las globinas Cromosoma 16 Cromosoma 11  El origen de nuevos genes Ejemplo de duplicación y divergencia: familia génica de las globinas  El origen de nuevos genes Evolución de la visión tricromática en primates mediante duplicación génica del gen LW-opsin Autosoma X X X Y Dicromática Autosoma X X X X X X X Y Dicromática o hembras tricromáticas (polimorfismo para el locus L) Autosoma X X X X Y + Tricromática (duplicación del gen L: L + M) daltónico (machos ocasionalmente dicromáticos)  El origen de nuevos genes Ceguera para el rojo/verde Ceguera para el rojo/verde (recesivo, ligado al X)  El origen de nuevos genes 7. Poliploidía: duplicación de un genoma completo (“WGD”) Autopoliploidía: fusión de gametos diploides. Dará lugar a un autotetraploide. El núcleo contiene cuatro copias de cada cromosomas tetraploide Alopoliploidía: fusión de gametos de dos especies distintas (hibridación). Dará lugar a un alotetraploide. Muy común en el reino vegetal. Recordatorio de la división celular: mitosis y meiosis Los cromosomas individuales se alinean Las cromátidas sobre el plano ecuatorial se separan Los pares de cromosomas homólogos se alinean Se separan los pares sobre el plano ecuatorial de cromosomas Los cromosomas individuales se Las cromátidas se alinean sobre el plano ecuatorial separan  El origen de nuevos genes Origen de un autotetraploide a partir de Origen de un alotetraploide (anfidiploide) un diploide por unión de dos gametos a partir de la hibridación de dos especies diploides próximas. V. EVOLUCIÓN DE GENES Y GENOMAS 1. Análisis del cambio evolutivo a nivel molecular. 2. El reloj molecular. 3. Teoría neutral. 4. El origen de nuevos genes. 5. El genoma como unidad de evolución. 6. Evolución comparada de genomas.  5. El genoma como unidad de evolución El genoma es el contenido total de DNA de una célula, incluyendo los genes y las regiones intergénicas El componente nuclear y mitocondrial del genoma humano Genoma: depósito donde se almacenan las instrucciones que, interactuando con el ambiente celular, determinan la estructura y función de los seres vivos. La parte fundamental de ese deposito, parte cifrada, es el DNA.  El genoma como unidad de evolución ¿Cómo se miden los genomas? Unidades de longitud para las moléculas de DNA La longitud de los Como el DNA es de doble cadena, la longitud de las genomas de RNA se moléculas se definen en pares de bases (pb) expresan en bases, porque la mayoría son de simple cadena 1 kilobase kb = 1000 pb (103 pb) 1 Megabase Mb = 1000 kb = 1.000.000 pb (106 pb) 1 Gigabase Gb = 1000 Mb = 1.000.000 kb (109 pb) Virus Archaea Rango del tamaño del genoma Bacteria Eucarya 103 104 105 106 107 108 109 1010 1011 Tamaño del genoma (pb)  El genoma como unidad de evolución El tamaño del genoma de un organismo se define como el valor C o cantidad de DNA por genoma haploide Se denomina C por constante o característico, para indicar el hecho de que el tamaño es prácticamente constante dentro de una especie. Puesto que el DNA es el material de los genes, se puede razonar lo siguiente: Organismos mas complejos requerirán más genes y tendrán más DNA, por lo que los genomas serán mayores ESPERADO Relación entre tamaño del genoma y la complejidad del organismo (número de genes) El genoma como unidad de evolución El genoma en procariotas El genoma como unidad de evolución El genoma en procariotas Bacterias de vida libre y patógenos no obligados Patógenos obligados Mutualistas obligados (endosimbiontes) Arqueas  El genoma como unidad de evolución Resumen en procariotas  Genomas más grandes tienen más genes  Genomas con más genes son más complejos  El número de genes refleja el estilo de vida:  Bacterias más grandes son generalistas y pueden tener cierto desarrollo (i.e. esporulación in B. subtilis)  Bacterias más pequeñas son especialistas (parásitos obligados y endosimbiontes) El genoma como unidad de evolución El genoma en eucariotas ¡En eucariotas los tamaños varían en un rango de 80,000! La ameba, una de las criaturas más simples tiene el genona de mayor tamaño El genoma como unidad de evolución Rangos de tamaño de genoma (Mb) Mètode Science Studies Journal, 4 (2014)  El genoma como unidad de evolución ¿Qué pasaría si representáramos el tamaño de los organismos en función del tamaño de su genoma? Las amebas poseen 200 veces mas DNA que los humanos ¿Puede una ameba ser más compleja que un humano?  El genoma como unidad de evolución El genoma en eucariotas Los protistas muestran la mayor variación en los valores C Reptiles, aves y mamíferos la menor Organismos similares en complejidad pueden tener variaciones considerable en sus valores C La mosca de la fruta El saltamontes Drosophila Podisma pedestris melanogaster 180 Mb 18.000 Mb El genoma como unidad de evolución Una gran proporción del DNA es no codificante El genoma como unidad de evolución  El genoma como unidad de evolución Resumen en eucariotas  En eucariotas no existe una correlación precisa entre tamaño del genoma y número de genes esperado según la complejidad de los organismos (Paradoja del valor C)  En algunos organismos “sobra mucho genoma”.  El DNA extra se debe, principalmente a la gran cantidad de DNA repetido que almacena el genoma de muchos organismos.  La fracción repetida más abundante del genoma está constituida por secuencias no codificantes, principalmente elementos transponibles.  Los genomas aumentan de tamaño principalmente por duplicación del material genético y por sucesos de transposición. V. EVOLUCIÓN DE GENES Y GENOMAS 1. Análisis del cambio evolutivo a nivel molecular. 2. El reloj molecular. 3. Teoría neutral. 4. El origen de nuevos genes. 5. El genoma como unidad de evolución. 6. Evolución comparada de genomas.  6. Evolución comparada de genomas  La evolución del genoma es el resultado básicamente de dos procesos no independientes: aumento de tamaño y reorganización.  El tamaño del genoma ha aumentado a lo largo de la evolución, pero no lo ha hecho de un modo continuo ni en paralelo al incremento de novedades funcionales.  La comparación de genomas y de conjuntos completos de proteínas entre distintos taxones nos permite descifrar los cambios que han posibilitado avances evolutivos fundamentales.  Los estudios comparados entre genomas completos constituyen el enfoque definitivo que permite descifrar globalmente la dinámica evolutiva de la reorganización del genoma.  Evolución comparada de genomas  GENOMAS BACTERIANOS  GENOMAS DE ARQUEAS  Haemophilus influenzae (1830Kb)  Methanocaldococcus jannaschii (1664Kb) (Fleishmann et al., 1995) (White et al., 1996) posible ORFs 1850. posible ORFs 1750.  Mycoplasma genitalium (580Kb)  Nanoarchaeum equitans (491 KB) (Fraser et al., 1996) (Waters et al., 2003) posible ORFs 468. posible ORFs 552.  Escherichia coli (4639Kb) (Blattner et al., 1997) posible ORFs 4288.  Buchnera aphidicola APS (652Kb) (Shigenobu et al., 2000) ORFs 571.  Bradyrhizobium japonicum (9105Kb) (Kaneko et al., 2002) posible ORFs 8317.  Buchnera aphidicola BCc (422Kb) (Pérez-Brocal et al., 2006) ORFs 362.  Carsonella Rudii (160Kb) (Nakabachi et al., 2006) posible ORFs 182. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/  Evolución comparada de genomas https://www.ncbi.nlm.nih.gov/genome/browse/#!/prokaryotes/ Prokaryotes (170643) 1) Filtro de genomas completos (Complete genomes) 2) Ordenar por tamaño del genoma (de menor a mayor)  https://gold.jgi.doe.gov/ Welcome to the Genomes OnLine Database GOLD Release v.5 GOLD:Genomes Online Database, is a World Wide Web resource for comprehensive access to information regarding genome and metagenome sequencing projects, and their associated metadata, around the world.  Evolución comparada de genomas El concepto de especie Las cepas de E. coli O157:H7 y K12 son más diferentes entre sí que dos mamíferos cualesquiera. 5315 4456 K12 1387 3928 528 (friendly gut O157:H7 bacterium) (nasty pathogen) (859 kb mayor) La cepa 0157:H7 de E. coli presenta varias islas de patogenicidad que son las que producen actividades enzimáticas implicadas en las hemorragias intestinales. Los dos genomas difieren en el 26 o el 12% de sus genes La mayoría de los genes únicos a cada cepa derivan, sin lugar a dudas, de sucesos de transferencia horizontal.  Evolución comparada de genomas E. coli Non-pathogenic Uropathogenic 3% 8% 21% Core 40% 7% 3% Pangenoma Total Genes = 7638 40% in all three 18% 13% in 2 out of 2 47% in 1 out of 3 Enterohaemorrhagic Nuevos conceptos para la era post-genómica  Evolución comparada de genomas La “especie” bacteriana Pangenome: 2,957 genes Dispensable Legionella pneumophila 978 pangenome reveals strain-specific virulence factors 1,979 Dispensable Core Core  Evolución comparada de genomas Eucariotas: Secuenciación de organismos modelo  Saccharomyces cerevisiae (Consorcio internacional, 1997) 12 Mb, 6.294 posibles ORFs  Caenorhabditis elegans (The C. elegans Sequencing Consortium, 1998) 97 Mb, 19.099 posibles ORFs (43% similar genoma humano)  Drosophila melanogaster (Celera Genomics, 2000) 180 Mb, 14.100 posibles ORFs 177/289 genes implicados en enfermedades humanas  Arabidopsis thaliana (Arabidopsis Genome Initiative, 2000) 115 Mb, 25.498 posibles ORFs 70% genes duplicados  Evolución comparada de genomas  Homo sapiens 12 de Febrero de 2001. La empresa Celera Genomics publica la secuenciación del genoma en Science. El consorcio público HuGo hace lo mismo en Nature. HuGo: 31.780/22.000 genes Celera Genomis: 38.500/26.588 genes  Mus musculus (Waterston et al., 2002) 2,5 Gb, ~ 30.000 posibles ORFs Prácticamente todos los genes tienen su homólogo en humanos Evolución comparada de genomas Humano Chimpancé Ratón Rata Las diferencias entre humanos chimpancés es 10 veces menor que entre los ratones y las ratas. Sólo es unas 10 veces mayor que entre dos personas cualquiera. 96% de similitud: - sustituciones nucleotídicas: 1,23% - repeticiones: 3,00%  Evolución comparada de genomas El avance evolutivo en los vertebrados no se consigue necesariamente aumentando el número de genes codificantes, sino posiblemente estableciendo relaciones más complejas entre los genes en un entramado que permite una mayor sofisticación en la regulación de la expresión génica, posibilitada por el aumento de la cantidad de DNA que permite la aparición de nuevas señales, creando cascadas de factores reguladores que intervienen en la expresión génica diferencial. Clave en la aparición de los vertebrados. Tamaño Nº de genes Ciona intestinales Cordado invertebrado 162 Mb 15.500 C. elegans Invertebrado 97 Mb 19.000 D. melanogaster Invertebrado 180 Mb 13.600 Anfioxus Invertebrado-vertebrado 520 Mb 21.900 Cualquier vertebrado posee de 2 a 3 veces el número de genes de C. intestinalis  Evolución comparada de genomas La hipótesis 2R Una duplicación Sucesos de genómica en el origen poliploidía durante la de los vertebrados evolución de los eucariotas Otra duplicación genómica tras la divergencia con la lamprea Invertebrados marinos Poliploidías Evolución comparada de genomas Figura 1. Patrón predicho para las ubicaciones relativas de genes parálogos a partir de dos duplicaciones genómicas (A) Representación de un genoma hipotético que tiene 22 genes mostrados como cuadrados de colores. (B) Una duplicación del genoma genera un conjunto completo de parálogos en idéntico orden. (C) Muchos genes parálogos sufren mutaciones deletéreas, se convierten en pseudogenes y luego se pierden. Uno podría imaginar que esta condición es evidencia de una sola ronda de duplicación del genoma seguida de pérdidas importantes de genes. (D) Una segunda duplicación del genoma recrea otro conjunto de parálogos en idéntico orden, con familias multigénicas que retuvieron dos copias ahora presentes en cuatro, y aquellas que habían perdido un miembro ahora presentes en dos copias. (E) Nuevamente, muchos genes parálogos sufren mutaciones deletéreas, se convierten en pseudogenes y luego se pierden. Por supuesto, pueden ocurrir duplicaciones y transposiciones de genes no relacionados. Aunque esto deja solo unas pocas familias de genes de cuatro miembros, los patrones de familias con 2 y 3 genes, en varias combinaciones unen los cuatro segmentos genómicos, revelando que las duplicaciones secuenciales habían sido de regiones muy grandes, en este caso todo o casi todo este hipotético genoma.