Genómica comparada. Brown 2002, págs

Transcripción

1 Genómica comparada 1. Teoría neutralista de la evolución molecular 2. Sustituciones nucleotídicas sinónimas y no-sinónimas. Interpretación de la razón Ka/Ks. 3. Duplicaciones y el destino de los genes duplicados 4. Reordenaciones cromosómicas Brown 2002, págs

2 Destino de las mutaciones neutras en una población Predicciones de la teoría neutralista (M. Kimura) Polimorfismo: la teoría neutralista predice la cantidad de variación nucleotídica que esperamos en una población en equilibrio mutación-deriva. = 4 N donde = diversidad nucleotídica, N = tamaño (efectivo) de población y = tasa de mutación nuestra por sitio nucleótídico por generación. Evolución: la teoría neutralista predice la tasa de evolución neutra (tasa con la que se fijan en la población nuevos alelos por deriva genética). Si la tasa de mutación neutra es, en una población de tamaño N, aparecerán en cada generación 2N nuevos mutantes neutros. La probabilidad de fijación de un mutante neutro recién aparecido es 1/2N (su frecuencia inicial en la población). Por lo tanto, la tasa de evolución neutra es: k = 2N (1/2N) = Divergencia entre dos especies: K = 2t 2

3 Tasa constante de sustitución aminoacídica en la -globina Cálculo de la tasa de sustitución nucleotídica El modelo de Kukes y Cantor (1969) supone que las sustituciones ocurren al azar entre los cuatro tipos de nucleótidos con la misma tasa. D es la proporción de nucleótidos diferentes observada al comparar dos secuencias. Se obtiene como el número de cambios/número de posiciones nucleotídicas El número de sustituciones nucleotídicas: K = -(3/4) ln [1 4D/3] 3

4 Comparación entre el genoma humano y el del ratón El número de sustituciones nucleotídicas (neutras) en regiones no funcionales (repeticiones ancestrales) es sustituciones por sitio (67% identidad). El número de sustituciones nucleotídicas en las terceras posiciones de los codones (sitios con degeneración cuadruple) es sustituciones por sitio (67% identidad). Al menos el 5% del genoma muestra evidencias de importancia funcional, es decir, una identidad superior a la esperada dada la tasa de sustitución neutra. Esta fracción incluye: exones (1.5%), UTR (1%), RNAs que no codifican proteínas, regiones reguladoras de la expresión y elementos estructurales de los cromosomas. Regiones ultraconservadas en el genoma de los mamíferos (Bejerano et al. 2005) 481 regiones de >200 bp 100% idénticas entre humano, rata y ratón. (>5000 regiones de >100 bp 100% idénticas.) 111 solapan mrnas (exónicas) 256 no solapan mrnas (no exonicas) 100 intrónicas 156 intergénicas 114 evidencia no concluyente. 4

5 * * Regiones ultraconservadas exónicas Regiones ultraconservadas no-exónicas * * * Razón del número de sustituciones no-sinónimas y sinónimas (Ka/Ks) La razón Ka/Ks es característica de cada gen e indica el tipo de selección que actúa. Ka/Ks = 1. Modelo estrictamente neutro (todas las mutaciones sinónimas y no-sinónimas son neutras). Pseudogenes. Ka/Ks < 1. Selección purificadora. Una porción de las mutaciones no-sinónimas son detrimentales y la selección natural impide su fijación. La mayoría de genes. Ka/Ks >1. Selección positiva. Muchas mutaciones no-sinónimas son favorables y se fijan por selección. Excepcional. 5

6 FOXP2 (forkhead box P2) se encuentra en 7q31 y codifica un factor de transcripción de 715 aa 303 treonina (T) -> asparagina (N) 325 asparagina (N) -> serina (S) 6

7 Ka/Ks ratio 7

8 8

9 Destino de un gen duplicado Silenciamiento o inactivación por mutaciones degenerativas (no-funcionalización). Adquisición de una nueva función mediante una mutación beneficiosa (neofuncionalización). Reparto de los niveles y patrones de expresión entre ambas copias por mutaciones degenerativas (sub-funcionalización). Eliminación por deleción. 9

10 Homología y similaridad Genes homólogos: aquellos que provienen de un gen ancestral y como consecuencia muestran similaridad en su secuencia. Genes ortólogos: aquellos que derivan de un evento de especiación. Genes parálogos: aquellos que derivan de un evento de duplicación y son miembros de una familia multigénica. Genes que no provienen de un mismo gen ancestral pueden compartir dominios homólogos si son resultado de complejas reordenaciones (exon shuffling) 10

11 Evolution of genes and genomes on the Drosophila phylogeny Evolución n de la familia génica g OBP (Odorant( binding proteins) ) en Drosophila D. melanogaster D. willistoni 11

12 Evolución de la familia génica OBP (Odorant( binding proteins) por nacimiento-y-muerte en el género g Drosophila Ganancias de genes: 43 Pérdida de genes: 28 Pseudogenes: (0) (0) (0) 51 D. melanogaster D. simulans D. sechellia 0(0) 1(1) 50 (1) 4 1(1) (2) 5 3(1) D. yakuba D. erecta D. ananassae 54 (1) 49 (2) 49 (1) 1 2(2) 44 D. pseudoobscura 44 (2) D. persimilis 44 (2) (0) (2) (0) 0 2(1) 8 5(3) D. willistoni D. mojavensis D. virilis D. grimshawi 61 (2) (1) 45 (3) Duplicación de todo el genoma en Saccharomyces 12

13 Las diferencias entre los genomas de dos especies revelan los cambios genéticos fijados desde el momento de su separación Métodos de Genómica comparativa ZOO-FISH Cartografía comparativa Comparación de secuencias genómicas 13

14 Reordenaciones fijadas en el cromosoma X durante la divergencia entre la especie humana y el ratón Comparación ratón-humano: 342 segmentos sinténicos conservados (tamaño promedio 6,9 Mb) que implican 295 reordenaciones cromosómicas 14

15 La tasa de fijación de reordenaciones cromosómicas varía mucho entre linajes Comparación del genoma humano con el del chimpancé: inversiones detectadas (tamaño 23 bp-62 Mb: total 154 Mb) 33 inversiones > 100 kb 23 de 27 inversiones (85%) validadas experimentalmente 15

16 Generación de la inversión 2j por recombinación ectópica entre copias del transposón Galileo Generación de una inversión cromosómica por roturas escalonadas y reparación NHEJ 16