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1 TLEM09 1 Segunda Sesión: La Variación Genética y H.W. Luis E. Eguiarte, Valeria Souza et al. Instituto de Ecología, UNAM TLEM09 2 Material genético: archivo del proceso evolutivo... a partir de este archivo, con la teoría evolutiva, buenos datos y muestreo, y buen análisis estadístico, podremos reconstruir el proceso evolutivo y entender las fuerzas evolutivas que han modelado la diversidad y adaptaciones de los organismos... TLEM09 3 VARIACIÓN GENÉTICA: 1) EL PRIMER PASO EN TODO ESTUDIO EVOLUTIVA 2) SI NO HAY VARIACIÓN, NO PUEDEN ACTUAR LAS FUERZAS EVOLUTIVAS 3) SEGUN EL TIPO DE VARIACIÓN, SE VA A DETERMINAR LA EVOLUCIÓN ADAPTATIVA Y/O ALEATORIA DE LAS POBLACIONES 4) A PARTIR DE COMO SE DISTRIBUYEN DENTRO Y ENTRE LAS POBLACIONES, PODEMOS INFERIR LAS FUERZAS EVOLUTIVA Y LA HISTORIA PASADA (ESTA SERÍA “LA GRAN ILUSIÓN”, PERO A CADA VEZ PARECE MAS SEGURO QUE SI SE PUEDE LOGRAR!!!) TLEM09 4 Genética Clásica: 2 TLEM09 5 Gen: unidad de herencia que se trasmite de padres a hijos Locus/ loci: lugar en el cromosoma donde se localiza el gen; lo usamos como sinónimo de gen. a veces llamamos genes a secciones no-codificadoras (práctico, útiles...). ALELOS: las diferentes formas de un gen dado (A, a, a1, a2, a´, a*, etc.). TLEM09 6 Diploide: organismos con 2 copias de cada gene. Haploides: 1 sola copia (bacterias) Poliploides: varias copias (más de 2); tetraploides: 4, etc. Pueden ser autopoliploides (las 4 copias de un ancestro), o alopoliplodes (2 de uno y 2 de otro). Genoma: una de las copias de todos los genes... (se usa a veces para mitocondria, cloroplasto, etc.). Genotipo: constitución genética de los organismos: Homócigos, las dos copias del gen iguales AA, aa. Heterócigo: las dos copias distintas. TLEM09 7 Genes en autosomas y en cromosomas sexuales, X y Y. Organismos haplo-diploides: himenópteros: machos haploides, hembras diploides. Mitocondria y cloroplasto: herencia materna, origen bacteriano. Cromosomas: piezas largas de ADN que segregan de manera independiente de otros cromosomas. dentro de un cromosoma tenemos genes ligados entre si (se producen gametos con igual ligamiento que en los padres y otros con diferente ligamiento, RECOMBINACION. TLEM09 8 Grupo de alelos ligados: haplotipo (se usa mucho para mitocondria, cloroplasto). wildtype: la forma silvestre, en genética clásica, la forma más común, el fenotipo “normal” (no mutante). ADN: 4 nucelótidos, codifica en tripletes, 20 aminoácidos, 64 combinaciones. Mutaciones silenciosas o sinónimas: si no cambia el a.a. Mutaciones de reemplazo o no-sinónimas: las que cambian el a.a. 3 TLEM09 9 Genetic material at the molecular level: More complicated than what F, H & W (and even Kimura!) thought... TLEM09 10 Genetic material at the molecular level: TLEM09 11 Genetic material at the molecular level: Nuclear Genome of de Arabidopsis thaliana (Arabidopsis genome initiative, Nature (2000) 408: 796- 815.) 5 chromosomes (2n=10), 125 megabases (Mb) Inbreeder, t=0 (self-pollinates) 25,498 genes (proteins) in 11,000 families C. elegans 19,099, Drosophila 13,601 genes H. sapiens 26,000 to 38,000 genes 4,405 genes in E. coli Why so many in a plant?: Perhaps correlated to the complex biochemistry of the plants, related do secondary compounds, defense to pathogens and herbivores, etc. TLEM09 12 Mobile elements (transposable elements) 10% of the total nuclear genome (specially intergenic DNA 20% ) 2,109 class I (replicate using a RNA intermediary ): in centromers 2,203 class II ( move directly using DNA): pericentric 4 TLEM09 13 17% of Arabidopsis genome is in “tandem arrays”, the repeated genes one after another... Most genes duplicated (not necessarily in tandem), but seldom triplicated, etc. This, coupled with molecular clock analyses suggests a polyploid (tetraployd ancestor, ca. 112 Million YA). Centromers: In chromosome 2, duplicated 75% of the mitochondrial genome. TLEM09 14 Duplications in the 5 chromosomes of A. thaliana TLEM09 15 Average length of each gene: 1.9 kb (humans 27kb per gene!!!): Exons: 5.18 exons in average per gene, Average size of each exon: 250 bp. Average size of each intron: 170 bp. ca. 600 bp of introns per gene 4 introns per gene in average. total length 1.9 kb 5 exones, de 250 bp cu 4 introns, 170 bp each TLEM09 16 NuclearNuclear ChloroplastChloroplast MitochondriaMitochondria Length 125 Mb 154kb 367kb Genomes per cell 2 560 25 Duplications 60% 17% 10% N.protein genes 25,498 79 58 kb/protein gene (1/density) 4.5 1.2 6.25 Length codifying gene 1.9kb 0.9kb 0.86kb Genes with introns 79% 18.4% 12% Genes/Pseudogenes 1/0.03 1/0 1/0.2-0.5 Transposons, % total 10% 0% 4% Three genomes in A. thaliana Different levels of resolution for different evolutionary problems. 5 TLEM09 17 Genomes and genetics are more complicated than what the orignal population geneticist (even Kimura!) thought... But we can adjust our models and analyses to study this incredible rich databases!!! TLEM09 18 La variación en poblaciones naturales: 1966 Harris y Hubby y Lewontin isoenzimas/alozimas... para entender H necesitamos revisar la Genética de Poblaciones Clásica TLEM09 19 POBLACION IDEAL modelo, poblaciones reales complicadas... (caricatura de la realidad) Pobl. ideal: no operan las fuerzas evolutivas) Individuos que se pueden cruzar entre si en un lugar y a un tiempo Apareamientos al azar Población grande. Generación Discretas (no se sobreponen) Todo esto forma la poza génica (GENETIC POOL) TLEM09 20 .Las frecuencias alélicas p y q varían dentro y entre poblaciones pp frecuencia alelo frecuencia alelo AA qq frecuencia frecuencia del del alelo alelo aa Aa AA AA AA AA AA AAAA A A AA AA A A AA AA AA aa AA AA AA aa AA AA AA Aa Aa Aa Aa Aa Aa Aa Aa Aa Aa Aa Aa Aa Aa Aa AaAa Aa Aa Aa Aa aa aa aa aa aa aa aa aaaa aa aa aa aa aa aa a a ESPECIE poblaciones 6 TLEM09 21 Números Frecuencias F. alélicas genotípicos genotípicas NAA P=NAA/Nt A= p p= P+1/2H NAa H=NAa/Nt a= q q= Q+1/2H Naa Q=Naa/Nt ______________________________ Sumas Nt 1 1 p+q=1 TLEM09 22 P=AA pxp= AA A = p H=Aa pxq y qxp=Aa a = q Q=aa qxq= aa Iniciales gametos Sig. Generación si los gametos se liberan al medio y los apareamientos son al azar... erizos de mar, peces... TLEM09 23 1 = p2 + 2pq + q2Equilibrio de Hardy-Weinberg Supuestos de H-W: 1.- Apareamientos al azar 2.- Poblaciones muy grandes 3.- No lleguen genes nuevos 4.- Individuos con igual oportunidad de dejar hijos Fuerzas que violan el supuesto!!! 1.-Endogamia 2.- Deriva Génica 3.- Migración, Mutación 4.- Selección Natural TLEM09 24 1 = p2 + 2pq + q2Equilibrio de Hardy-Weinberg 7 TLEM09 25 H:W. escribe el contenido genético de una población diploide en términos de frec. alelicas p/q y no de las genotípicas P, H, Q Hedrick, P. W. 2005. Genetics of Populations. Third Ed. Jones and Bartlett Publs. Sudbury, Mass. USA TLEM09 26 Relación entre frecuencias alélicas p y q y genotípicas (AA, Aa, aa).... que se alcanza en un generación! (y ahí se mantienen...). TLEM09 27 AA pxp= AA A = p Aa pxq yqxp=Aa a = q aa qxq= aa Iniciales Sig. Generación TLEM09 28 A1A1=p2 A1A2=2pq A2A2= q2 8 TLEM09 29 FRECUENCIAS GENOTIPICAS: P= A1A1 H= A1A2 y Q= A2A2 estimación de las frecuencias alélicas p y q! TLEM09 30 también se puede derivar de los apareamientos TLEM09 31 TLEM09 32 9 TLEM09 33 se llega rápido a H.W. aún si las generaciones son sobrepuestas... Moran 1962 TLEM09 34 Estimadores: Frecuencias Genotípicas Frecuencias alélicas TLEM09 35 p = P +1/2H= 0.5424 q= Q + 1/2 H= 0.4575 TLEM09 36 10 TLEM09 37 HE máxima= 0.5 si 2 alelos tiende a 1 si infinto alelos igual f. alélica... TLEM09 38 s= (3 + 1/2 (8 +19))/114=0.1447 s2 = 0.0204, x 114= 2.38694 TLEM09 39 TLEM09 40 Estimadores multialélicos 11 TLEM09 41 si son marcadores dominantes, no se puede calcular HW, pero se peuden aproximarla f.a. y la H TLEM09 42 TLEM09 43 TLEM09 44 12 TLEM09 45 TLEM09 46 Indice de Fijación F, desviación de HW TLEM09 47 se requiere de muestras grandes TLEM09 48 13 TLEM09 49 H esperada en HW 0 a 1... TLEM09 50 TLEM09 51 TLEM09 52 14 TLEM09 53 rarefacción y efectos del tamaño de muestra TLEM09 54 Los datos electroforéticos de las alozimas se ajustan a la teoría de la G. de P. de F.H. W. TLEM09 55 Levels of Genetic Variation in Natural Populations Lewontin y Hubby (1966): average H= 0.12 y P 30% in 18 loci in D. pseudoobscura... similar high levels in most organisms!!! TLEM09 56 Medidas de variación genética. Datos mendelianos P: proporción de loci polimórficos, 0 a 100% H: heterocigosis esperada en HW, 2pq 15 TLEM09 57 TLEM09 58 Especie Población N HE P A. cupreata C3 La Esperanza 30 0.2924 (+0.153) 83.3 C10 Mesones 30 0.2484 (+0.187) 72.2 C13 La Laguna 29 0.2120 (+0.162) 72.2 C14 Etúcuaro 33 0.2585 (+0.185) 75.0 C16 Tzitzio 31 0.2758 (+0.174) 72.2 s H =0.2574 (+0.030) Especie 153 Ht=0.2944 (+0.133) 88.8 A. potatorum P2 Camarón 39 0.2301 (+0.185) 61.1 P7 Miahuatlán 31 0.2306 (+0.165) 72.2 P9 Sta. Catarina 29 0.2669 (+0.157) 86.1 P11 Zapotitlán 43 0.2689 (+0.167) 75 P13 Azumbilla 37 0.2125 (+0.182) 63.8 s H =0.2459 (+0.025) Especie 179 Ht=0.2689 (+0.149) 83.3 ISSR, datos dominantes! TLEM09 59 A. p ot at or um A. c up re at a Genetic differentiation: Higher in A. cupreata Fst = 0.145, Nm =1.5, than in A. potatorum Fst = 0.084, Nm = 3 TLEM09 60 Monocotiledóneas Distribución regional A. striata A. striata spp. striata A. striata ssp. falcata A. cupreata A. potatorum A. xylonacantha A. celsii albicans A. hidalguensis A. difformis A. subsimplex A. cerulata A. deserti A. lechuguilla A. victoriae-reginae Yucca filamentosa Manfreda brachstachya Perennes longevas Perennes de vida corta 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 Fst Heterocigosis Except the cultivated species, Agaves are rich in genetic variation, have low genetic differentiation: Long lived perennial (somatic mutations accumulate), mating systems (outcrossers), long distance pollination by bats... Speciation mediated by allopatry and ecological adaptation (physiology, reproductive ecology) 16 TLEM09 61 He, heterocigosis esperada en HW P, porciento de loci polimórficos * * * * * * * * * * VARIACIÓN GENÉTICA EN AGAVE pero... TLEM09 62 No genetic variation in Tequila plants!, just one genotype of A. angustifolia H=0, P=0 130 RAPDs loci 40 plants 10 per site TLEM09 63 Helix aspersa introducida en 1930 En poca área, fuertes cambios en las frecuencias alélicas.. calles barreras importantes... TLEM09 64 Ciclos de 3 años, cada generación 6 a 8 semanas, 20 generaciones, Lap cambios adaptativos? Otras enzimas con menos cambios 17 TLEM09 65 Los humanos tenemos baja variación genética TLEM09 66 Los humanos tenemos baja variación genética (h = 0.067) TLEM09 67 Variación Genética a Nivel Molecular RFLPs restriction fragment lenght polymorphism FILOGEOGRAFIA Geomys pinetis TLEM09 68 Variación Genética a Nivel Molecular (Secuencias ADN) 18 TLEM09 69 TLEM09 70 TLEM09 71 TLEM09 72 19 TLEM09 73 TLEM09 74 Two basic measure of genetic variation at the sequence level (DNA) Nucleotide diversity (Nei and Li, 1979) π=(n/n-1) (Σ pi pj π ij) n=number of sequences examined pi=proportion of the i th sequence in the sample pj=proportion of the j th sequence in the sample π ij= proportion of different nucleotides between the ith and jth sequences. TLEM09 75 Another measure is Watterson (1975): θ=s/a s=total segregating sites a=1 +1/2+1/3+1/4....+1 /(n−1) n= number of sequences TLEM09 76 If there are no selection (neutral model)according to the IAM (infinte alleles model) Kimura (1969) π= θ and both should be equal = 4Νµ thus, Tajima (1983) suggested a simple test to compare them D´= π−θ/variance (π−θ)1/2 20 TLEM09 77 Indirect estimates of Natural Selection using DNA sequences Stabilizing or balancingStabilizing or balancing Eliminates both tails in a distribution. Directional Directional (purifying if eliminates the product of mutation) Eliminates one of the tails. t Disruptive ofDisruptive of diversifyingdiversifying Eliminates the modal classes, tail with higher W or TLEM09 78 Tajima D´s (1983) Compares the diversity as estimated with the allelic frequencies according to the “nucleotidic diversity (π), with the diversity estimated with the segregating sites, (θ). D= (D= (π−θπ−θ)/)/square root (variance(square root (variance(π−θπ−θ)))) If ππ & & θθ are equal, we are in the neutral conditions, No natural selection! If positive, suggest diversifying/balancing selection, ππ larger than θθ, in words, some alleles are more common than expected, due to their advantages in W, due to selections Negative: Indicates directional or purifying selection, ππ less than θθ: alleles in lower frequencies than expected at random, due to selection eliminating them TLEM09 79 E. coli... genegene sec size(sec size(pbpb) ) ππ θθ Tajima D Tajima D PutPPutP 4747 698698 0.0230.023 0.022 0.022 -0.176 -0.176 neutro neutro MdhMdh 8787 827827 0.0110.011 0.012 0.012 -0.387 -0.387 pur-dir pur-dir GapAGapA 5757 664664 0.0030.003 0.008 0.008 -1.825-1.825 pur-dir pur-dir FimAFimA 2828 546546 0.0740.074 0.056 0.056 0.434 0.434 bala-divbala-div MutSMutS 3030 851851 0.0200.020 0.041 0.041 -1.882-1.882 pur-dir pur-dir EspBEspB 1818 664664 0.1480.148 0.115 0.115 1.2091.209 bala-divbala-div TirTir 1414 17451745 0.4440.444 0.310 0.310 1.9391.939 bala-divbala-div EaeEae 1919 23692369 0.5640.564 0.286 0.286 3.9033.903 bala-divbala-div The genes in the pathogenic Island LEE are more variable and suggest diversifing selection... The genes outside are neutral or show purifying selection, with the exception of FimaA. TLEM09 80 D Tajima y diversidad pi -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 rO R F1 O R F1 O R F3 O R F5 es cS es cU O R F1 0 ce sD rO R F6 rO R F8 O R F1 2 es cN O R F1 6 O R F1 8 O R F1 9 O R FU es cD es pA es pB es cF es pF * LEE genes Pi Non Syn Tajima D D negativeD negative, ππ is smaller than θ,θ, indicates directional or purifying selection D positiveD positive, ππ larger than θθ, suggests diversifying selection Example E. coli analysis Amanda Castillo PNAS 2005 21 TLEM09 81 Examples of Plants: Alcohol dehydrogenase, Adh Cummings and Clegg (1998, PNAS 95: 5637-5642) In the neutral (infinite alleles model) evolution θθ= 4 = 4 NNee µµ µ = mutation rate θ can be estimated from intraespecific sets of DNA sequences if µ = 6.5 x 10-9, as in the Adh locus in grasses Ne can be aprox. Derived for 3 estimates of genetic variation: S (θ) = the number of segregating sites π= the average number of pairwise differences n= the number of singletons (mutations detected in only one allele) TLEM09 82 Alcohol dehydrogenase, Adh Cummings y Clegg (1998, PNAS 95: 5637-5642) TLEM09 83 Estimate do the effective population size NNee Alcohol dehydrogenase, Adh; θθ= 4 = 4 NNee µµ µ = 6.5 x 10-9, as in the Adh locus in grasses Ne from θ Species Sn (θ) π Ns Hordeum vulgare 190,000 180,000 420,000 Zea spp. 1,830,000 1,890,000 1,690,000 Pennisetum glaucum 296,000 260,000 407,000 Arabidopsis thaliana 790,000 990,000 628,000 Arabis gemminifera 170,000 110,000 390,000 The only out-crosser Zea, an order of magnitude larger. In a given species, estimates may differ among methods, but are in the same order of magnitude. Between 260,000 & 1,890,000individulas: but all these estimate can be affected both by Natural Selection and by demography TLEM09 84 Humanos: Mucha menos variación que E. coli promedio 0.000751 (E. coli de 0.08 a 0.21!!!) π 22 TLEM09 85 A lo largo de un cromosoma, sitios con mucha variación: selecciónbalanceadora o mucha mutación o muy poca: selección purificadora o poca mutación sel. balancedora sel. purificadora TLEM09 86 Tajima´s D (1983) has some problems: Low sensitivity, needs very large sample to detect significant differences... Could be due to demographic process (population increasing or decreasing in size) and is affected by other evolutionary forces. Does not distinguishes between purifying (Kimura) and directional (Darwinian) selections TLEM09 87Sitios con mucha variación: ventajas selectivas, selección balanceadora o diversificadora!!! H obs. TLEM09 88 DNA fósil: Moas, Dinornis Una especie en cada Isla (mADN), dimorfismo sexual machos hembras 23 TLEM09 89 Variación Morfológica Bases genéticas sencillas... Limicolaria, fósiles con 8 a 10 mil años, Oeste de Uganda Se ha mantenido el polimorfismo mucho tiempo, selección natural! TLEM09 90 ciudad bosque TLEM09 91 Cambios en frecuencia alélica en metros! 3 metros entre cada una! Cambio entre años y sitios... TLEM09 92 Variación Críptica dif. en w genes recesivos 24 TLEM09 93 Así podemos ver los genes recesivos deletéreos que se mantiene en las poblaciones naturales TLEM09 94 de las propiedades de la dist. de Poisson, de la categoría sin letales se despeja la media de letales... TLEM09 95 Si el 2o. cromosoma es el 40% del genoma, el número esperado de letales por genoma va de 0.30 en Corea a 2.37 en Florida. TLEM09 96 Pruebas más finas, para comparar cada cromosoma como heterócigo en dos “backgrounds” 25 TLEM09 97 letales, 37% letales, 55% Variación genética considerable que modifican la viabilidad TLEM09 98 Variación Cuantitativa n-genes, expresión afectada por el ambiente University of Illinois, 100 generaciones si se responde a la selección, hay variación genética TLEM09 99 h2 heredabilidad sentido restringido, 0 a 1, 1 todo es variación genética aditiva, se hereda lo que se selecciona, 0: no hay variación genética, se regresa a la media poblacional Teorema fundamental de la Selección Natural de Fisher: (la tasa de evolución proporcional a la varianza genética aditiva en la adecuación del caracter) Si ha operado la selección, se pierde la variación... (caracteres más “importantes”, menos heredabilidad TLEM09 100 QTLs Dopa decarboxilasa en el Cromosoma 2 26 TLEM09 101 Ajolote vs salamandra (A. mexicanum no cambia, A.tigrinum llega a forma terrestre) Gene recesivo hace que no cambien... AFLP 32.17, proporción más alta, candidato: buscar genes de adaptaciones! TLEM09 102 Discutir que tenemos diferentes genomas y genes, unos cambian más rápido que otros (diferente resolución filogenética), unos selectivos, otros neutros. y diferentes métodos moleculares y otros tipos de marcadores morfológicos y cuantitativos... TLEM09 103 Para Concluir: Las poblaciones naturales son muy ricas en variación genética, que se puede detectar con distinto métodos, y que tiene diferentes efectos fenotípicos (de neutras a letales o muy ventajosos), pero los niveles varía entre organismos, regiones del genoma, etc. SEÑALES DE SU HISTORIA/ FUERZAS EVOLUTIVAS TLEM09 104 El material genético constituye un extenso archivo de la historia evolutiva y toda la evolución molecular y la filogenia son consecuencia de las fuerzas evolutiva. La genética de poblaciones representa un conjunto de herramientas y teoría muy poderosaspoderosas que nos permiten analizar e interpretar la historia y evoluciónhistoria y evolución de los organismos a partir de esta VARIACIÓN GENÉTICA!. 27 TLEM09 105 Fisher creía que solo la selección era importante... Darwin propuso la Selección Natural como el principal proceso evolutivo Pero nunca supo las bases de la herencia ni concibió la otras fuerzas... TLEM09 106 Sewall Wright propone un juego entre las fuerzas evolutivas: la teoría del ““shifting balanceshifting balance”” W x z La selección te lleva a un pico adaptativa, la deriva te permite explorar la topografía SN DG TLEM09 107 R. Lewontin T. Dobhzansky Los neodarwinistasneodarwinistas pensaban que solo era relevante la Selección Natural especialmente la balanceadora (ventaja de heterócigo) y esperaban muchamucha variaciónvariación en las poblaciones naturales (modelo balanceado de la estructura genética de las poblaciones) TLEM09 108 Al usar técnicas de electroforesis para alo/isoenzimas, R. Lewontin (1966) detectó mucha variación...., que se ajustaban al modelo balanceado de T. Dobhzansky Pero M. Kimura (1968, 1983) propone la Teoría Neutra de la Evolución Molecular: La variación genética es elLa variación genética es el balance entre la mutación ybalance entre la mutación y la deriva génicala deriva génica...... la selección juega un papel secundario, como purificadora... 28 TLEM09 109 La gran cantidad de datos moleculares más las nuevas herramientas de análisis de la genética de poblacionesgenética de poblaciones indican que vamos entrar en una edad deedad de orooro de la Biología Evolutiva FIN SEGUNDA SESIÓN TLEM09 110
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