El Origen de la diversidad genética

Transcripción

1 Clase 4 El Origen de la diversidad genética

2 Procesos genéticos que generan diversidad 1. Diferencias en el mismo gen o en genes relacionados 2. Diversidad genotípica por el reordenamiento de genes preexistentes 3. Diversidad id d fenotípica por la regulación de la expresión génica

3 El origen de nuevos alelos Los cambios en uno o más nucleótidos de un gen g producen nuevos alelos

4 Mutación La primer definición se debe a H. De Vries quien decía que cambios heredables repentinos son responsables de las variaciones i heredadas Hoy sabemos que son cambios en el material a hereditario que no se deben a recombinación No tienen causa conocida, se trata de errores de copia durante la replicación ió

5 Propiedades de las mutaciones 1. Eventos raros con frecuencias de 1 cada generaciones 2. Ocurren al azar es decir sin importar el efecto que causan sobre la capacidad adaptativa 3. Recurrentes 4. Reversibles

6 Tipos de mutaciones de punto Cadena normal de hemoglobina ADN cac aag uau cac cuc uaa Proteína his lis tir val glu his Mutación missense HB Rainer cac aag ugu cac cuc uaa his lis cis val glu his HB Falciforme cac aag ugu cac cac uaa his lis tir val val his Mutación nonsense McKees Rocks cac aag uag cac cuc uaa his lis stop

7 ADN AGA TGA CGG TTT GCA ARN UCU ACU GCC AAA CGU Proteína ser thr ala lis arg Transición GGA TGA CGG TTT GCA CCU ACU GCC AAA CGU pro thr ala lis arg Transversión TGA TGA CGG TTT GCA ACU ACU GCC AAA CGU thr thr ala lis arg MUTACIONES QUE CAMBIAN LA PAUTA DE LECTURA Inserción AGT ATG ACG GTT TGC A-- UCA UAC UGC CAA ACG ser tir cis glu thr

8 La amplia gama de mutaciones y sus efectos pueden ocurrir en secuencias regulatorias y en genes estructurales t Las mutaciones en secuencias regulatorias se distinguen porque alteran la expresión génica sin cambiar la secuencia de la proteína

9 Estudios de las consecuencias de las mutaciones Stadler en plantas estimó las frecuencias de diferentes tipos de mutaciones: perjudiciales, beneficiosas, resistencia a sequía, a pestes, etc Müller estimó la frecuencia de mutaciones visibles, perjudiciales, letales, etc. en Drosophila

10 Método de Muller CLB LETAL

11 Isogenización de cromosomas

12 Experimento de Mukai

13 Experimento de Dobzhansky y Spassky

14 Cambio de las frecuencias génicas por mutación μ A a P t = (1-μ) t p o Lleva generaciones pasar de p = 1 a p= 0,5, considerando incluso valores de tasas de mutación relativamente altos Esto nos dice que hay otros procesos implicados en el origen de la diversidad

15 El origen de nuevos genes

16 DNA Content of Haploid Genomes of a Range of Phyla Flowering plants Birds Mammals Reptiles Amphibians Bony fish Cartilaginous fish Echinoderms Crustaceans Insects Molluscs Worms Fungi Algae Bacteria Mycoplasmas Viruses (Plasmids) DNA content (base pairs)

17 La paradoja del valor C No existe una correlación perfecta entre la cantidad de ADN y la complejidad morfológica La cantidad de ADN de copia única es pequeña Muchas secuencias repetitivas

18 Cuántos genes hay en un genoma? Tamaño del genoma 3 x 10 9 Si cada gen tiene 5000 bp 6x10 5 genes Pero en el hombre todas las evidencias apuntan a una menor cantidad de genes!

19 Proportions of Repetitive and Nonrepetitive DNA in Example Genomes Gen nome siz ze (bp) Nonrepetitive DNA Repetitive DNA

20 Evolución de la complejidad organísmica y número de genes Número de Especies Número de genes tipos celulares 1 Mycoplasma genitalum Ricketsia prozawecki Haemophilus influenzae Escherichia coli Campylobacter jejuni Aquifex aeolicus (termofila) Neisseria meningitidis Archaoglobus fulgidus (Archaea) Methanococcus janaschii (Archaea) Sinechocystis sp (Cianobacteria) 2 Bacillus subtilis 4100 Caulobacter crescentus 3 Sacharomyces cerevisiae Volvos Ulva 7 Hongos 11 E j C id i

21 Existe relación entre complejidad d organísmica y complejidad genómica?... Las tendencias evolutivas en la complejidad están relacionadas con la complejidad genómica, pero no con un aumento del número de genes, sino con la expansión en el número de elementos regulatorios que controla la expresión de los genes... (Carroll, 2001)

22 Una porción importante del ADN no repetitivo es no codificante y está distribuido dentro y entre genes Los intrones se encuentran dentro de las secuencias codificantes y no forman parte del marn maduro ilb i i l i d Gilbert sugirió que los intrones podrían dotar al genoma de una gran plasticidad

23 El crossing over dentro de intrones y su potencial evolutivo (lb (el barajado jd de exones) Algunas proteínas son mosaicos Algunas proteínas son mosaicos integrados por exones de diferente origen

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25 Duplicación génica por entrecruzamiento t desigual Muchas familias multigénicas parecen haberse originado por este mecanismo

26 Las globinas

27 Patrones de expresión de los miembros de la familia

28 Evolution of Hox and HOM gene clusters by gene duplication gene duplication mouse Amphioxus hypothetical ancestor Drosophila Antennapedia Bithorax

29 Overprinting: El caso de los timovirus Replicasa VP OP

30 Reencarnación de genes: Jingwei Adh Cromosoma 2 mrna Transcriptasa reversa ADN Cromosoma 3

31 Parásitos genómicos, genes egoístas y conflicto genómico

32 Elementos transponibles parásitos genómicos Responsables de la variación en el valor C (los retroelementos representan un 40% del genoma en mamíferos y50% en plantas superiores) Pueden alterar los patrones de expresión (caso white en Drosophila) Aumentan la tasa de mutación Aumentan la tasa de reordenamientos cromosómicos Originan Retrogenes

33 Clase I Retrotransposones Via RNA Replicativos LINEs Transcriptasa reversa. Catalizan su propia transposición 6-7 kb en mamíferos Con LTRs: retrotransposones Sin LTRs retroposones

34 Clase I Retrosecuencias NO tienen transcriptasa reversa Amplifican via RNA SINEs humano: Alu (17% del cromosoma 22)

35 Clase II Transposones Via DNA Replicativos o no En bacterias La mayoría son de este tipo Usualmente plásmidos con genes de resistencia En eucariotas Son la mayoría En Drosophila elemento P

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37 El origen de diversidad genotípica

38 Reordenamientos cromosómicos Cambios en el número cromosómico Cambios en el número cromosómico debidos a modificaciones estructurales (fusiones/fisiones) Cambios estructurales que no alteran el número cromosómico (duplicaciones/deleciones/ inversiones/translocaciones)

39 Reordenamientos cromosómicos

40 Deleciones

41 Inversiones y consecuencias genéticas

42 Drosophila subobscura: La colonización de América

43 Variación clinal de las inversiones

44 El programa genómico de Islandia permitió detectar una inversión paracéntrica polimórfica que afecta el fitness de las mujeres portadoras, en promedio tienen mas descendientes

45 Translocaciones

46 deleciones y translocaciones

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48 El origen de diversidad genotípica por Recombinación

49 Procesos involucrados en la recombinación Segregación de genes alélicos Recombinación intracromosómica o entrecruzamiento t durante la gametogenésis g Redistribución estocástica de los genes segregados en los gametos durante la fecundación

50 Número de genotipos posibles G N = [(r (r + 1))/2] N N: número de loci independientes r: # de alelos por locus En un cruzamiento di-híbrido, la probabilidad de que los nuevos genotipos que aparecen en la descendencia hayan aparecido por mutación es muy baja (10-24, aun considerando tasas de mutacion altas como 10-4 ) Por ejemplo tres loci independientes con 4 alelos c/u podrían combinarse en 1000 genotipos diferentes

51 Variabilidad disponible por recombinación Si aceptamos que en Drosophila el # de genes es Todos los loci polimórficos tienen 2 alelos la heterocigosis i promedio es 10% (ciertamente t muy restrictivo) => G = Un número mayor que el de todas las partículas elementales del universo PARA PENSAR NO?

52 Efectos de la recombinación La recombinación de los genes tiene, desde el punto de vista de su importancia evolutiva, dos efectos antagónicos. Por un lado disminuye el valor adaptativo inmediato, pero a nivel poblacional provee plasticidad adaptativa ti (Dobzhansky 1955)

53 El sistema recombinacional (H.L. Carson) Sistemas de control de la variabilidad: 1) El papel del número cromosómico 2) El papel del crossing over 3) El papel del sistema de apareamiento 4) El papel del tiempo generacional G N = [(r (r + 1))/2] N

54 El origen de diversidad fenotípica por expresión génica diferencial

55 Expresión génica (EG) es la transcripción y la traducción de la información genética EG diferencial: i los mismos genes se activan o reprimen en algunos tejidos y no en otros, en algún momento y no otro Por ejemplo los genes de la globina que se expresan en las células donde se producen glóbulos rojos.

56 Control lde la expresión génica

57 El operon en bacterias

58 Control de la expresión en eucariotas

59 Control de la expresión génica en eucariotas Estructura de la cromatina Transcripcional Procesamiento del ARN Transporte del ARN Estabilidad del ARN Iii Iniciación ió de la traducción Modificación post-transcripcional p

60 Regulación por secuencias específicas

61 Los enhancers son secuencias que inducen la trascripción, actúan en cis y responden a factores especificos. Por ejemplo los enhancers de metalotioneínas inducen la transcripción en presencia de metales pesados u otras moléculas. Algunos enhancers son tejido o sexo específicos (caso de proteinas del vitelo en Drosophila) o fetoproteinas durante el ldesarrollo fetal lde ratón

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65 Aspectos químicos y organizacionales de la cromatina Cromosomas politénicos

66 Metilación: Los genes que no están activos están más metilados que los activos. Por ejemplo la γ- globina (hemoglobina fetal) tiene muchos sitios metilados en el adulto

67 Controles post-trasncripcionales Procesamiento del transcripto primario Transporte del marn desde el núcleo al citoplasma Vida media del marn. Por ejemplo en la glándula de la seda del gusano de seda (Bombix mori) el marn del gen de fibroina puede controlar la síntesis de una enorme cantidad de moleculas.

68 La conclusión es que existe muchísima variación y que son muchos los mecanismos responsables del origen de la variación a diferentes niveles.