Temas 3 y 4. Procesos genéticos en la Evolución (PDF)

3 y 4. Procesos genéticos en la evolución 1. Origen, descripción y cuantificación de la variabilidad genética 2. Equilibrio de Hardy-Weinberg 3. Mecanismos de cambio evolutivo 4. Apareamiento no aleatorio 5. Evolución de caracteres multigénicos  1. Origen, descripción y cuantificación...

3 y 4. Procesos genéticos en la evolución 1. Origen, descripción y cuantificación de la variabilidad genética 2. Equilibrio de Hardy-Weinberg 3. Mecanismos de cambio evolutivo 4. Apareamiento no aleatorio 5. Evolución de caracteres multigénicos  1. Origen, descripción y cuantificación de la variabilidad genética “Nuestra ignorancia de las leyes de la variación es profunda. Ni en un solo caso entre cientos podemos pretender señalar una razón por la que esta o aquella parte ha variado… “  A pesar de que Mendel y Darwin eran contemporáneos, ninguno conoció el trabajo del otro. Si Darwin hubiera conocido los experimentos de Mendel, probablemente habría comprendido de qué manera las variaciones se presentan y transmiten de una generación a la siguiente.  La evolución darwiniana y la genética mendeliana se compatibilizaron cuando los biólogos dejaron de pensar sólo en los organismos y en los genotipos individuales y comenzaron a centrar su atención en las poblaciones, entendidas como un conjunto de genes. De la síntesis entre la teoría darwiniana y los principios mendelianos nació la Genética de Poblaciones  Origen, descripción y cuantificación de la variabilidad genética Replicación Recordatorio de conceptos básicos PO4- 5’P 3’OH Origen, descripción y cuantificación de la variabilidad genética Conceptos básicos  Origen, descripción y cuantificación de la variabilidad genética Flujo de la Tipos de mutaciones información ejemplo Según la longitud de la secuencia: genética  Puntuales  No puntuales Según el tipo de cambio:  Sustituciones  Deleciones/inserciones  Inversiones  Translocaciones, transposiciones Purinas Pirimidinas TRANSVERSIONES A C TRANSICIONES TRANSICIONES G T TRANSVERSIONES Origen, descripción y cuantificación de la variabilidad genética Tipos de mutaciones por el efecto que producen en las proteinas DNA RNA Secuencia “normal” Puntuales Prot Sustituciones Sustitución silenciosa o sinónima No tendrá efecto Sustitución no sinónima, de reemplazamiento o cambio de sentido Su efecto en el fenotipo o la eficacia podrá ser más o menos importante (según el tipo de Sustitución no sinónima, de reemplazamiento o cambio de sentido cambio y la importancia del aminoácido en la proteína) Sustitución sin sentido (normalmente pérdida de función) Su efecto será, en general la pérdida de la función (dependerá de la posición en la proteína)  Origen, descripción y cuantificación de la variabilidad genética El origen de nuevos alelos: la mutación Tipos de hemoglobina presentes en un individuo AA AS SS origen Anemia falciforme: primera mutación caracterizada molecularmente:  Linus Pauling (1949): la causa de la enfermedad es Sentido de una hemoglobina diferente la migración  Vernon Ingram (1958): la diferencia se debe a un aminoácido distinto en la posición 6 de la cadena β de la hemoglobina (glu-val) Normal Normal Anemia Fenotipo  Ese cambio de aminoácido se debe a una mutación (portador) puntual en el DNA (A-T) que origina una mutación no sinónima Gen de la B-globina HbA Pro Glu Glu ---- CCT GAG GAG Una mutación puntual (tranversión) Pro Val Glu HbS ---- CCT GTG GAG  Origen, descripción y cuantificación de la variabilidad genética Normal hemoglobin Sickle-cell hemoglobin Primary Val His Leu Thr Pro Glu Glu Primary Val His Leu Thr Pro Val Glu structure 1 2 3 4 5 6 7 structure 1 2 3 4 5 6 7 Exposed Secondary Secondary hydrophobic and tertiary β subunit and tertiary region β subunit structures structures β α α β Quaternary Normal Quaternary Sickle-cell structure hemoglobin structure hemoglobin α (top view) β β α Function Molecules do Function Molecules not associate interact with with one one another to another; each crystallize into carries oxygen. a fiber; capacity to carry oxygen is greatly reduced. Origen, descripción y cuantificación de la variabilidad genética  Origen, descripción y cuantificación de la variabilidad genética Cada uno de los codones con sentido puede mutar a otros nueve codones mediante una sola sustitución. Ejemplo: CCU (Pro) 3a base CCA CCG CCC 3 sinónimas Pro Pro Pro 6 no sinónimas 2abase CAU CGU CUU His Arg Leu 61 codones con sentido 549 sustituciones 1abase ACU GCU UCU nucleotídicas posibles. Thr Ala Ser Debido a la naturaleza degenerada del CG: - 70% de cambios en la tercera posición son sinónimos - TODOS en la segunda posición son no sinónimos - 96% en la primera posición son no sinónimos. Origen, descripción y cuantificación de la variabilidad genética Origen, descripción y cuantificación de la variabilidad genética Tipos de mutaciones por el efecto que producen en las proteinas Más ejemplos de mutaciones que causan pérdida de función No puntuales Indels Indels Origen, descripción y cuantificación de la variabilidad genética  Origen, descripción y cuantificación de la variabilidad genética Tasa y Frecuencia de Mutación  Tasa de mutación:  En situaciones normales, la mutación es un fenómeno inusual  La mayor parte de los nucleótidos son copiados y transmitidos fielmente a la siguiente generación  La tasa de mutación se calcula como el número de mutaciones generadas por unidad de tiempo, replicación, división celular o generación  Frecuencia de mutación:  Todos los individuos portan variantes genéticas en su genoma, algunas de las cuales se generaron por mutación en algún ancestro y han sido transmitidas a varios descendentes.  Una frecuencia de mutación es el número de genes mutantes de un tipo dividido por el número total de genes de ese tipo en la población, en un conjunto de células, etc. La enfermedad de Tay-Sachs (defecto gen hexosaminidasa A) 1/3500 judíos Ashkenazi y 1/35,000 otros La frecuencia de mutación no sólo depende de la tasa de mutación, sino también del momento en que se haya producido y de la probabilidad con la que se transmita a las siguientes generaciones.  Origen, descripción y cuantificación de la variabilidad genética Ejemplo de variación en la tasa de mutación entre cepas de la misma especie de bacteria Normales Mutadoras Squatter colonies inside growth inhibition zone. Growth inhibitory zones for nalidixic acid (disk 1), amoxicillin (disk 2), and phosphomycin (disk 3) are presented for nonmutator (A) and mutator (B) strains. Note the presence of squatter colonies for the mutator strain only.  Origen, descripción y cuantificación de la variabilidad genética Efecto de las mutaciones sobre la eficacia -Mutaciones silenciosas: neutras a priori -Mutaciones de reemplazamiento: según las propiedades de los aminoácidos serán objeto de selección:  Beneficiosas  Deletéreas  Ligeramente deletéreas Experimento con C. elegans: las líneas a las que se permitió acumular mutaciones, muestran una reducción en distintos parámetros indicativos de la eficacia cuando se comparan con lineas control (no han acumulado mutaciones) (mayor reducción a mayor nº de generaciones acumulando mutaciones) Origen, descripción y cuantificación de la variabilidad genética Efecto de las mutaciones sobre la eficacia Experimento con Drosophila Table 3.1. Rate of evolution of irradiated and nonirradiated populations of Drosophila birchii in the experiment in Figure 3.2.* *NOTE: From Proceedings of National Academy of Science, 63:790-93; 1969. Origen, descripción y cuantificación de la variabilidad genética La mutación es aleatoria (no dirigida) Experimento de Luria y Delbrück, 1943  Origen, descripción y cuantificación de la variabilidad genética La mutación es aleatoria (no dirigida) Experimento de Luria y Delbrück, 1943 Figura 1: Resultados esperables en el caso de que la mutación fuera dirigida (carácter post-adaptativo) por un cambio ambiental, o si fuera espontánea (caracter pre-adaptativo). El cambio ambiental en el experimento de Luria y Delbruck consistía en la adición de un virus bacteriófago (línea de puntos). En rojo se indican las bacterias resistentes. En el caso de que la mutación fuera como una adaptación fisiológica (arriba) las medias y la varianza son muy parecidas. Si la mutación es al azar (abajo) las medias y varianzas son muy desiguales  Origen, descripción y cuantificación de la variabilidad genética Naturaleza aleatoria (no dirigida) de la mutación. Biston betularia No contaminación: la forma clara se camufla Contaminación: la forma clara queda totalmente sobre los árboles cubiertos de líquenes visible sobre los árboles cubiertos de hollín Si la mutación fuese dirigida, implicaría que, ante un cambio en el ambiente, la polilla debería de (activamente) propiciar alguna mutación en uno o más genes responsables de la pigmentación) para asegurar el éxito de sus descendientes Origen, descripción y cuantificación de la variabilidad genética PCR + 4dNTPs Video  Origen, descripción y cuantificación de la variabilidad genética Cuantificación de la variabilidad genética - El efecto de la mutación a nivel poblacional es la generación de variabilidad - Esta variabilidad puede ser más o menos evidente Electroforesis de DNA Origen, descripción y cuantificación de la variabilidad genética Cuantificación de la variabilidad genética Electroforesis de proteinas  Origen, descripción y cuantificación de la variabilidad genética Cuantificación de la variabilidad genética - Lo primero es determinar el genotipo de los individuos Infección por HIV: requiere CD4 y CCR5 Ejemplo de estimación de las frecuencias alélicas: 735 o 703 pb gen CCR5 Zona de la deleción de 32 pb Amplificación por PCR Sitio de restricción 403 / 371 pb 332 pb Digestión del amplificado Electroforesis: determinación del genotipo 403 / 371 pb 332 pb Origen, descripción y cuantificación de la variabilidad genética Cálculo de la frecuencia del alelo Δ32 en la población Ashkenazi europea: Modo 1: “contando alelos” Se han analizado un total de 43 x 2 = 86 alelos De estos 86 alelos, 16 (1 por heterocigoto) + 2 (2 por homocigoto) 18 son Δ32 Frecuencia del alelo Δ32 = 18 / 86 = 0.209 (21%) (26 x 2) + 16 = Frecuencia del alelo + = 68 = 0.791 (79%) 86 Modo 2: A partir de las frecuencias genotípicas Frecuencia del homocigoto + ½ frecuencia del heterocigoto Frecuencia del genotipo + / + = 26 / 43 = 0.6047 Frecuencia del genotipo + / Δ32 = 16 / 43 = 0.3721 Frecuencia del genotipo Δ32 / Δ32= 1 / 43 = 0.0233 Frecuencia del alelo Δ32 = 0.0233 +( 0.3721 / 2) = 0.209 Frecuencia del alelo + = 0.6047 + (0.3721 / 2) = 0.791 Origen, descripción y cuantificación de la variabilidad genética Frecuencia del alelo Δ32 en Europa + -  Origen, descripción y cuantificación de la variabilidad genética Cuantificación de la variabilidad: otros ejemplos Ldhb AdhS Ldha  Origen, descripción y cuantificación de la variabilidad genética Observación: Las frecuencias de los diferentes alelos cambian entre poblaciones diferentes Idea subyacente: Cambios en las frecuencias de los caracteres (fenotipos) en las poblaciones se deben a cambios en las frecuencias de determinados alelos (genotipos) La genética de poblaciones nos proporciona herramientas para estudiar las fuerzas que producen cambios en las frecuencias de los alelos en las poblaciones.  2. Equilibrio de Hardy-Weinberg Infección por HIV: requiere CD4 y CCR5 Procesos genéticos en la evolución. Tres ejemplos: 1. La mayoría de las personas son susceptibles al HIV. Sin embargo hay individuos que permanecen sanos. (¿Aumentará la frecuencia del alelo Δ32 por la presión ejercida por la epidemia de SIDA?) 2. Los eugenetistas intentaban mejorar la calidad genética de generaciones futuras Eugenesia: Estudio y práctica del control social sobre la evolución de las poblaciones humanas; la eugenesia positiva busca aumentar la frecuencia de caracteres deseables, mientras la eugenesia negativa busca disminuir la frecuencia de caracteres no deseables. (¿Habría sido una forma de reducir la incidencia de Logo del 2º Congreso Internacional de caracteres no deseables?) Eugenesia (New York, 1921) 3. La fibrosis quística. Es la enfermedad genética más frecuente en poblaciones europeas (un 4% de portadores). Es una enfermedad grave. (¿Cómo puede ser que la selección no haya eliminado los alelos causantes de la fibrosis?)  Equilibrio de Hardy-Weinberg 0.6 0.4 0.6 0.4 Equilibrio de Hardy-Weinberg Representación geométrica de las frecuencias alélicas que se producen cuando los adultos de la población forman gametos  Equilibrio de Hardy-Weinberg Conclusión: en nuestra población ideal las frecuencias alélicas permanecen constantes de generación en generación  Equilibrio de Hardy-Weinberg Caso general de la unión aleatoria de gametos Representación geométrica del caso general de obtención de las frecuencias alélicas producidas por adultos que forman gametos Representación geométrica del caso general de obtención de las frecuencias genotípicas Equilibrio de Hardy-Weinberg 1. Las frecuencias alélicas de una población se mantienen constantes generación tras generación 2. Si las frecuencias alélicas en la población son p y q, las frecuencias genotípicas serán p2, 2pq y q2 (p + q)2 = 1 Nota: si hay 3 alelos con frecuencias p, q y r, las frecuencias genotípicas serán p2, q2, r2, 2pq, 2pr, 2qr (p + q + r)2 = 1  Equilibrio de Hardy-Weinberg Condiciones para que se de el equilibrio: 1. Tratamos con un organismo diploide 2. Población de reproducción sexual 3. Generaciones no solapantes 4. No actúa la selección natural sobre el gen en cuestión 5. Puede despreciarse la mutación O sea, no actúan las 6. Ausencia de migración fuerzas evolutivas 7. Tamaño poblacional muy grande (infinito) 8. El apareamiento es al azar Nota: si una población no está en equilibrio, basta una generación de apareamiento aleatorio para que lo recupere y se mantendrá en él si se cumplen las condiciones anteriores.  Equilibrio de Hardy-Weinberg Veamos las condiciones de nuestra hipótesis nula (H0: equilibrio de H-W).  No actua la selección: todos los individuos (genotipos) sobreviven con la misma probabilidad y todos contribuyen con el mismo numero de gametos a la siguiente generación.  No hay mutación: un alelo no se convierte en el otro por mutación y no aparecen nuevos alelos.  No hay migración: Ningún individuo sale o entra de la población.  No se producen fenómenos aleatorios que dan lugar a que algunos individuos pasen más alelos a la siguiente generación que otros (la población es infinita, y no actúa la deriva genética).  El apareamiento es aleatorio: los individuos no eligen a sus parejas en base al genotipo. Cuando no se cumplen estas condiciones las frecuencias alélicas pueden variar de una generación a la siguiente.  3. Mecanismos de cambio evolutivo Compliquemos un poco las cosas …los principales mecanismos de cambio evolutivo Deriva genética Selección Mutación Migración Cambios en las frecuencias alélicas a través del tiempo que ocurren como consecuencia de diferentes procesos evolutivos. Selección Mutación Migración (Flujo Génico) Deriva Genética  Mecanismos de cambio evolutivo SELECCIÓN Selección: los individuos de un fenotipo (genotipo) dado sobreviven más, o producen más descendencia que individuos con otro fenotipo (genotipo). S: coeficiente de selección W: eficacia biológica S+W=1 ¿Puede la selección cambiar las frecuencias alélicas de una generación a la siguiente?  Mecanismos de cambio evolutivo SELECCIÓN Selección: ejemplo de cambios en las frecuencias alélicas ∆f(B1) = 0.675 - 0.6 = 0.075 Incorporación de la selección al modelo: eficacia diferencial de algunos genotipos Nuevas frecuencias genotípicas Selección en B1B1 36/80 = 0.45 contra del alelo B2 (S: 0.25; W: 0.75) B1B2 36/80 = 0.45 B2B2 8/80 = 0.1 La población SÍ ha evolucionado n = 80 en respuesta a la selección  Mecanismos de cambio evolutivo La selección continuada puede dar lugar a cambios sustanciales en las frecuencias alélicas con el tiempo incluso cuando la intensidad de la selección es reducida (cambio más lento) Frecuencia del alelo B1 Esquema de selección fuerte % de supervivientes Frecuencia inicial de B1= 0.01 débil generación Ejemplo real: aumento en la frecuencia del alelo F de la Adh en Drosophila, a lo largo de las generaciones, en 2 poblaciones experimentales cuyo alimento se ha rociado con etanol. En las 2 poblaciones control (sin etanol añadido), la frecuencia del alelo F oscila en torno al valor inicial (0,35)  Mecanismos de cambio evolutivo Un gen, 2 alelos A1; f(A1) = p Modelo general de selección p+q=1 A2; f(A2) = q Zigotos (genotipos) A1A1 A1A2 A2A2 Total Frecuencias genotípicas p2 2pq q2 1 Eficacia biológica w11 w12 w22 (Selección, ya que W = 1-S) (prob. supervivencia) Proporción que sobrevive por genotipo p2w11 2pqw12 q2w22 W (Eficacia media,