SEM 3 Variación I Mutación.pdf

16/08/23 EVOLUCIÓN Código: 11010022 Néstor Ardila Espitia Biól. Marino, Ph.D. [email protected] Variación y Mutación Taller: The genetic basis of evolution - I 1 Photography Hanna Moon 2 1 16/08/23 Dendrobates pumilio Wang & Shaffer (2008) Evolution Sin embargo, no se entiend...

16/08/23 EVOLUCIÓN Código: 11010022 Néstor Ardila Espitia Biól. Marino, Ph.D. [email protected] Variación y Mutación Taller: The genetic basis of evolution - I 1 Photography Hanna Moon 2 1 16/08/23 Dendrobates pumilio Wang & Shaffer (2008) Evolution Sin embargo, no se entiende por qué esta especie es tan variable. Las preguntas centrales en biología evolutiva incluyen: ¿Qué mantiene la variación? ¿Cómo la selección y otros factores evolutivos dan forma a la variación? 3 The Machinery of Inheritance 3.2 billion bp 0.12 billion bp 4 2 16/08/23 Especie Tamaño (Mb) Hongos Saccharomyces cerevisiae Aspergillus nidulans 12.1 25.4 Protozoos Tetrahymena pyriformis 190 Invertebrados Caenorhabditis elegans Drosophila melanogaster 97 180 Vertebrados Homo sapiens Mus musculus 3200 3300 Plantas Arabidopsis thaliana Oryza sativa Zea mays Pisum sativum Triticum aestivum 125 430 2500 4800 16000 C-value paradox 5 Tamaño de ADN genómico • • • • • • • • • Cardamine amara: 54 Mbp Arabidopsis thaliana: 125 Mbp Prunus persica: 270 Mbp Medicago truncatula: 466 Mbp Oryza sativa: 490 Mbp Lycopersicon esculentum: 1,005 Mbp Zea mays: 2,671 Mbp Triticum aestivum: 16,979 Mbp •Gregory, T.R. (2005). Animal Genome Size Database. http://www.genomesize.com http://www.genomesize.com/ 6 3 16/08/23 ¿Por qué varia el tamaño del ADN genómico? • Secuencias repetitivas: – ARNs – – – – Centrómeros Telómeros Transposones Etc. • Poliploidización • Duplicación de genes (complejidad) 7 ¿Que más hay en el genoma? GENES La región promotora en general es la secuencia que está arriba o justo al lado de la secuencia donde un gen comienza a ser transcripto. Procariotes Elementos reguladores se unen, estos son las proteínas que se unen para ayudar a obtener el ARN transcrito. 8 4 16/08/23 En los genes que codifican para proteínas la secuencia se mantiene desde ADN, ARN y finalmente se traduce en aminoácidos Hartl, primer in genetics 11 The Machinery of Inheritance 12 5 16/08/23 Preguntas 1. ¿Cuáles son las tres funciones que desempeña el ácido ribonucleico en la célula eucariota? 2. ¿Cómo se pueden producir muchas proteínas diferentes a partir de un solo gen? 3. ¿Cuáles son los posibles resultados de un producto de proteína si el gen que lo codifica tiene una mutación puntual? 4. ¿Cuál es la diferencia entre los elementos que actúan en trans y en cis? ¿Cómo puede afectar el estrés a un elemento que actúa en cis? 5. ¿Cuál es la diferencia entre mutaciones somaticas y de la línea germinal? 6. ¿Cuáles son las dos formas en que la meiosis puede causar que la descendencia sea genéticamente diferente de sus padres? 7. ¿Por qué no se presentan todos los rasgos fenotípicos como estados alternativos discretos como los guisantes de Mendel? 13 The Machinery of Inheritance 14 6 16/08/23 The Machinery of Inheritance 15 Empalme alternativo 16 7 16/08/23 Modificación postraduccional 17 ¿Es el mRNA eucarióntico complementario al DNA cromosomal? intrones y exones en genes eucariontes 18 8 16/08/23 Transcripción en eucariontes Ocurre en el núcleo DNA Transcrito primario no es funcional Transcription RNA RNA Processing mRNA G G AAAAAA AAAAAA Export Nucleus 19 ¿Cómo se realiza la maduración del mRNA? Procesamiento del transcrito primario • “Capping” en el extremo 5’ • Poliadenilación en el extremo 3’ • Splicing o remoción de intrones 20 9 16/08/23 7-metilguanosina CAPPING en el extremo5´ enlace 5´-5´trifosfato enlace 3´-5´fosfodiester - Eficiencia de la Traducción - Estabilidad del RNA mensajero 21 Término de la síntesis del RNA mensajero y síntesis de la cola de poliA Poliadenilación en el extremo 3’ - Eficiencia de la Traducción - Estabilidad del RNA mensajero 22 10 16/08/23 Splicing o remoción de intrones 23 24 11 16/08/23 28 Proteinas ESTRUCTURA DE LAS PROTEINAS Proteinas tienen cuatro (4) niveles de estructura: primaria, secundaria, terciaria y cuaternaria. -Estructura primaria: secuencia de los aminoácidos del polipeptido y esta determinada por la secuencia de codones del gen codificante. Los programas de predicción de los marcos abiertos de lectura predicen la estructura primaria de las proteínas codificadas. 29 12 16/08/23 ESTRUCTURA DE LAS PROTEINAS -Estructura secundaria: conformación local en tres dimensiones de los enlaces de hidrogeno.. Las dos Estructuras secundarias más comunes son la: α-hélice y β-pleated sheet. Además, otros cuatro que ocurren son: - la hélice 310, - Π-helix (pi hélice), - β-turn, y - Ω-loop(bucle omega). 30 ESTRUCTURA DE LAS PROTEINAS -Estructura secundaria: conformación local en tres dimensiones de los enlaces de hidrogeno.. Otras regiones en las proteínas no puede clasificarse en categorías establecidas; Estos han sido tradicionalmente denominadas hélices aleatorias, pero pueden ser llamadas como regiones no estructuradas. 31 13 16/08/23 ESTRUCTURA DE LAS PROTEINAS -Estructura terciaria: La estructura terciaria de una proteína es la estructura plegada general en el espacio tridimensional (3D). La estructura terciaria está formada por las interacciones entre los grupos R de cadena lateral, tales como interacciones iónicas, interacciones hidrofóbicas, enlaces H y enlaces disulfuro. La secuencia de aminoácidos (la estructura primaria) determina principalmente cómo una proteína debe doblarse en una estructura terciaria 3D. Sin embargo, ahora se conoce el plegado es logrado gracias a la ayuda de moléculas chaperonas. 33 ESTRUCTURA DE LAS PROTEINAS En conformación plegada (estructura terciaria), la mayoría de las proteínas contienen dominios específicos que son unidades estructurales y funcionales discretas de la proteína 34 14 16/08/23 Domains: - Un dominio es parte de la estructura terciaria de la proteína. Cada dominio es una unidad globular discreta que se pliega independientemente del resto de la proteína. -Los dominios tienen roles funcionales específicos ó estructurales. -Los dominios pueden estar compuestos por aminoácidos, con frecuencia mucho más que 25. tan solo 20-25 -En promedio dos a tres dominios en una proteina 35 Motifs: elemento funcional específico de la proteína que usualmente no se pliega independientemente del resto de la proteína. Los dominios contienen motivos específicos que son críticos para la función del dominio. Algunos ejemplos de motivos estructurales en proteínas son varios. Bucles, giros y hélices, como omega bucles, giros beta, helix-loop-helix y helix-turn-helix 36 15 16/08/23 PROTEÓMICA 37 Ramas de la Proteómica Namasivayam (2013) 38 16 16/08/23 ¿Cuáles son los posibles resultados de un producto de proteína si el gen que lo codifica tiene una mutación puntual? ¿Cuál es la diferencia entre los elementos que actúan en trans y en cis? ¿Cómo puede afectar el estrés a un elemento que actúa en cis? ¿Cuál es la diferencia entre mutaciones somaticas y de la línea germinal? 39 Mutaciones: Creando variación! La replicación del ADN es un asunto preciso, pero no es perfecto: los errores ocurren. Estas mutaciones son la fuente última de variación genética en todos los organismos Sin estos errores, no habría variación, ni evolución, y no habría vida!. • Las mutaciones se presentan en una variedad de formas que difieren en la cantidad de genoma que afectan. • Encontramos desde mutaciones puntuales, que afectan solo a una base de ADN, • Hasta la duplicación del genoma completo, que afecta a todas las bases de ADN del genoma (mutaciones estructurales). 40 17 16/08/23 Mutaciones Puntuales Cuando una sola base de ADN cambia de uno a otro de sus cuatro estados posibles (A, G, C o T). Muiaciones sinónimas (no alteran un aminoácido en una proteína) Muiaciones no sinónimas (alteran un aminoácido). • Al igual que con el alelo S en el gen de la hemoglobina β, cualquier cambio en la segunda posición de un codón es NO SINÓNIMOS. • La mayoría (pero no todos) los cambios en la primera posición también son NO SINÓNIMOS. • La mayoria delos cambios de la tercera base de un codón son SINONIMOS 41 Cambios 1. Errores de la polimerasa 2. Cambios químicos por factores ambientales – UV y químicos 42 18 16/08/23 • Mutaciones silenciosas o sinónimas • M. No silenciosas o no sinónimas: cambio de a.a • Transición – Purina x Purina – Pirimidina x Pirimidina • Purina x Pirimidina = Transversión C G Transiciones Tra on rsi e v ns es Tra n sve rsi on Transiciones es Transversiones Durante Duplicación de información: Deleción /inserción: indels = Cambio marco de Lectura : Raros en regiones codificantes Transversiones Transiciones > Transversiones A T 43 The Machinery of Inheritance 44 19 16/08/23 45 Mutaciones Estructurales Afectan mas de una base, desde unas pocas hasta billones de bases. Ocurren en la replicación de los cromosomas Cinco tipos de cromosomas. mutaciones estructurales que alteran los 46 20 16/08/23 Mutaciones Estructurales • Las deleciones ocurre cuando un segmento de un cromosoma queda fuera durante la replicación. • Una eliminación de solo tres pares de bases en un gen del canal de sodio causa fibrosis quística, que es uno de los trastornos genéticos humanos más comunes en Europa y América del Norte. Otras deleciones son mucho más grandes. Rasgo autosómico recesivo CFTR: Cystic fibrosis transmembrane conductance regulator 47 Mutaciones Estructurales • Las deleciones en el genoma en humanos suelen tener alrededor de una docena de deleciones con un tamaño promedio de 465 000 pb [21]. • Algunas de esas eliminaciones están en regiones no codificantes, muchas de ellas eliminan varios genes. La mayoría (pero no todas) las deleciones que anulan los genes son dañinas. 48 21 16/08/23 Mutaciones Estructurales • Las inserciones, adición de un segmento de ADN a un cromosoma, ya sea desde las cercanías del mismo cromosoma o desde cualquier otra parte del genoma. Algunas inserciones causan enfermedades genéticas. • La enfermedad de Huntington es un trastorno neurológico. • Otras inserciones han jugado papeles importantes en la adaptación. 49 Mutaciones Estructurales • Una duplicación: inserción de una segunda copia de un gen en el genoma. • Este proceso se puede repetir, dando lugar a una familia de genes con varias copias del locus original. • En algunos casos, las secuencias de ADN de los loci duplicados divergen y dan lugar a la evolución de nuevas funciones biológicas (Evolución de genes y genomas). • Con menos frecuencia, los duplicados conservan la misma secuencia. 50 22 16/08/23 Mutaciones Estructurales • Las inversiones son mutaciones estructurales que ocurren cuando un cromosoma se rompe en dos lugares y el segmento medio se reinserta en la orientación inversa. • Las inversiones jugaron un papel importante en el desarrollo de la genética evolutiva en la primera mitad del siglo XX cuando se descubrió que las inversiones en la mosca de la fruta (Drosophila) se pueden ver bajo el microscopio óptico. • Con el advenimiento de poderosas tecnologías de secuenciación de ADN en el siglo XXI, ha quedado claro que las inversiones son una característica común en la evolución de muchas especies. • Los genomas de humanos y chimpancés difieren en alrededor de 1500 inversiones cromosómicas que se fijaron en un linaje u otro desde nuestro último ancestro común hace aproximadamente 7 millones de años (Mya). 51 Mutaciones Estructurales • Una translocación recíproca es el intercambio de segmentos cromosómicos entre dos cromosomas no homólogos. Los heterocigotos de translocación pueden tener una fertilidad reducida, lo que contribuye al aislamiento genético entre algunas especies estrechamente relacionadas. (ver Capítulo 9). 52 23 16/08/23 Mutaciones Estructurales • Las fusiones son cambios estructurales en los que se unen dos cromosomas no homólogos. Las fisiones son el tipo opuesto de mutación, en el que un cromosoma se rompe en dos. • Las fisiones y fusiones son responsables de los cambios en el número de cromosomas en el genoma (FIGURA 4.14). • Esta variación resulta de diferentes historias de fisiones y fusiones. Todavía entendemos poco acerca de cómo y por qué evolucionaron estas diferencias. Sorprendentemente, los cambios en el número y la estructura de los cromosomas a menudo no tienen efectos fenotípicos evidentes. 53 Mutaciones Estructurales • El último y más extremo tipo de mutación es la duplicación del genoma completo. Ocasionalmente, la meiosis produce un gameto que lleva el genoma diploide completo, en lugar de un haploide con solo uno de cada par de cromosomas. Si dos de estos gametos no reducidos se encuentran y se fertilizan, se produce una descendencia que tiene cuatro copias de cada cromosoma. • Este resultado genético, que se llama tetraploidía, ocurre con mucha más frecuencia en las plantas que en los animales. Las rondas posteriores de duplicación del genoma pueden conducir a complementos de cromosomas aún más complicados. • Una de las consecuencias interesantes es que la descendencia normalmente no puede cruzarse con su población parental. Por lo tanto, la duplicación del genoma completo puede producir una nueva especie con una sola mutación (ESPECIACIÓN) 54 24 16/08/23 Mutaciones Cis - Trans Los factores de transcripción, las hormonas y otras moléculas reguladoras están codificadas por genes, lo que significa que las mutaciones que alteran sus genes en última instancia pueden afectar los genes que regulan. 55 56 25 16/08/23 1. Cuáles son las dos formas en que la meiosis puede causar que la descendencia sea genéticamente diferente de sus padres? 2. ¿Por qué no se presentan todos los rasgos fenotípicos como estados alternativos discretos como los guisantes de Mendel? 57 La herencia de la variación • Un locus es una sección de un cromosoma, a menudo uno que produce un producto genético como una proteína. • La secuencia de ADN en un locus a menudo varía entre los cromosomas portados por diferentes individuos, y si es así, decimos que el locus es polimórfico. • Las diferentes variantes de un locus se denominan ALELOS. • Una base de ADN que varia en el genoma entre individuos se denomina polimorfismo de un solo nucleótido, o SNP. • La frecuencia alélica nos dice con qué frecuencia ocurre una variante en un locus (FIGURA 4.5). 58 26 16/08/23 La herencia de la variación • • En organismos con meiosis (como nosotros), esta mezcla implica dos procesos genéticos básicos, la segregación y recombinación. Organismos sin meiosis, como bacterias y virus, no tienen segregación, pero la mayoría de ellos aún mezclan sus genes mediante alguna forma de recombinación 59 Gene mixing by segregation • La segregación es la selección de una de las dos copias de un locus cuando se forma un gameto durante la meiosis. • La fusión de un óvulo y un espermatozoide reúne la copia de la madre con la del padre. • Madre con genotipo A1A1 (homocigoto para el alelo A1) • Padre con genotipo A2A2 (homocigoto para el alelo A2) • Descendencia? A1 A1 A2 A1A2 A1A2 A2 A1A2 A1A2 60 27 16/08/23 Gene mixing by segregation • Ovulo y esperma se unen al azar , • Probabilidad de descendencia A1A1 ? • Descendencia A1A1: 1/2 × 1/2 = 1/4. • Descendencia A2A2 = 1/4. • Descendencia A1A2 (heterozygotes) • sperm with an A1 fertilizes an egg with an A2 (= 1/2 × 1/2 = 1/4) • sperm with an A2 fertilizes an egg with an A1 (= 1/2 × 1/2 = 1/4). • Descendencia de es 1/2. 61 Descendencia (offspring) Las condiciones clave para el equilibrio de Hardy-Weinberg son: • Un tamaño de población infinito • No selección natural • No mutación • No movimiento entre poblaciones • Apareamiento aleatorio 62 28 16/08/23 Las condiciones clave para el equilibrio de Hardy-Weinberg son: • Un tamaño de población infinito • No selección natural • No mutación • No movimiento entre poblaciones • Apareamiento aleatorio 63 64 29 16/08/23 65 Gene mixing by recombination 67 30 16/08/23 Gene mixing by recombination • R= tasa de recombinación, es la probabilidad que la recombinación ocurra entre un par de loci (FIGURE 4.8). • Si los dos loci están en cromosomas diferentes, cuando un individuo produce un gameto hay una probabilidad de 1/2 de que uno de los cromosomas que lleva sea de la madre y el otro del padre. Aquí r = 1/2, (valor máximo posible para r). • En el otro extremo, las bases de ADN que son adyacentes en un cromosoma tienen una probabilidad extremadamente baja de recombinarse. El valor más pequeño posible para la tasa de recombinación es r = 0. • Cuando un alelo en un locus se encuentra junto en una población más a menudo de lo esperado por casualidad con un alelo en un segundo locus, decimos que los loci están en desequilibrio de ligamiento. 68 • El papel más importante que juega la recombinación en la evolución es a través de sus efectos sobre D. Si la herencia mendeliana es el único factor en juego, el valor de D en la próxima generación disminuye en una proporción r de su valor en la generación actual. • Así, la recombinación hace que la población evolucione hacia el equilibrio de ligamiento con D = 0. Lo hace rápidamente si r es grande (cerca de 1/2) y lentamente si r es pequeño (cerca de 0). La evolución de D con tres valores diferentes de r se muestra en la FIGURA 4.10. 70 31 16/08/23 • En promedio, hay menos recombinación entre pares de bases de ADN en un cromosoma cuando están más cerca entre sí que cuando los pares están más separados. Por esa razón, D tiende a ser mayor entre pares que están más cerca 71 ■ Horizontal gene transfer (HGT) is the movement of genes between organisms by mechanisms that do not involve meiosis, and is particularly important to prokaryotes. It can move genes between individuals of the same species and of different species. HGT is important to human health because it is the major pathway by which bacteria evolve resistance to antibiotics. https://www.youtube.com/watch?v=7tLV20dk-FM 75 32 16/08/23 Taller 2 76 Caracter 11 77 33