Mecanismos de evolución de los genomas

Transcripción

1 Mecanismos de evolución de los genomas - Generación de la variación genética: línea somática y línea germinal - Duplicación de dominios y alargamientos de genes. - Exon-shuffling - Genes quimera

2 Variación Es evidente que hay variación entre y dentro de los taxones. Cómo surge la variación en los genomas? Hay patrones de variación? Cómo se propaga la variación? Qué preguntas pueden abordarse mediante la variación? Qué patrones existen con respecto a la variabilidad genómica?

3 Generación de Variación Genética Somatic vs. germ line cells Somatic cells body cells, no long term descendants, live only to help germ cells perform their function. Germ cells reproductive cells, give rise to descendants in the next generation of organisms.

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5 Generating Genetic Variation Somatic vs. germ line mutations Somatic mutations occur in somatic cells and will only effect those cells and their progeny, cannot not be passed on to subsequent generations of organisms. Germ mutations can be passed on to subsequent generations.

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7 Generating Genetic Variation Cinco tipos de cambio contribuyen a la evolución de un gen individual. La mutación dentro de un gen supresión de genes exón shuffling La duplicación de genes La transferencia horizontal - raro en eucariotas

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9 Different models of selection Directional selection- pushes population toward homozygosity and phenotypes toward one extreme Balancing selection- favors heterozygotes but maintains all phenotypes Disruptive selection- favors both homozygotes, eliminates heterozygotes and increases extremes of phenotypes

10 Mutations and Molecular Evolution 3 different effects on fitness by mutations: deleterious increase efficiency or performance no effect ( neutral )

11 Mutation rate of synonymous sites higher than nonsynonymous Synonymous changes refer to a mutation which substitutes the same amino acid Deleterious mutations removed by purifying selection-shown by lower rate of nonsynonymous mutations

12 MOLECULAR CLOCKS: mutations/amino acid differences can be used to estimate evolutionary divergence times

13 Natural Selection in Action: An exemplary case Los genotipos podrían medirse Se identifica la base genética y molecular de la variación El papel fisiológico del gen / proteína se entiende bien Se entiende el proceso de selección del medio ambiente Estamos hablando de la conexión entre la anemia de células falciformes y la malaria

14 Malaria Life Cycle

15 Red blood cells in someone with sickle-cell trait

16 Malarial parasites live within red blood cells

17 Electrophoresis of hemoglobin variants

18 The hemoglobin molecule

19 The first seven N-terminal amino acids in normal and sickle cell hemoglobin polypeptides GAG GUG GLU = Glutamic acid is acidic VAL = Valine is neutral non-polar

20 Gene frequency for HbS allele high in malaria (mosquitoes-rich) zones HbAS heterozygous are more resistant to malaria

21 Survival analysis of sickle-cell genotypes

22 Evolución del tamaño de los genes Introducción: mecanismos de amplificación y de aparición de nuevos genes Duplicación Parcial de Genes Barajamiento de exones/dominios (exon-shuffling) Genes quimera

23 Genomas eucarióticos Genes interrumpidos (con frecuencia) Exones Intrones

24 Relaciones entre los distintos exones de un gen y los dominios proteícos.

25 Exon-suffling. Es la idea de que la recombinación, la inserción o la deleción de un exón o intrón puede producir nuevos genes Cuatro tipos de exon-suffling -Deleción - Recombinación - Duplicación - Inserción

26 Exon-shuffling: pérdida de un intrón Evolución globinas: pérdida de intrones en microbios (todos) y 1, 2 o 3 en animales

27 Morphological evolution-evolution of albinism in blind cave fishes (gene inactivation)

28 Morphological evolution albinism in blind cave fishes albinism common in cave organisms (incl. fishes, crustaceans), often accompanied by eye loss genetic studies of Mexican blind cave fish (Astyonax mexicanus) in 2 different populations, Pachón and Molino, revealed different mutations in Oca2 gene gene inactivation Pachón fishes are homozygous for deletion of intron and most of exon in Oca2 gene

29 Recombinación: tissue plasminogen activator evolves from four unrelated genes protease kringle (plasminogen) epidermal growth factor fibronectin type-1 (from Graur & Li 2000)

30 Duplicación de dominios es el mecanismo más común de elongación de genes Otros mecanismos de elongación: cambio de un codón de stop (o intron)o inserción... malos resultados?

31 Duplicación de exones

32 Ejemplo de evolución por dulicación de exones de la proteína del colágeno de aves

33 Evolución de exones duplicados: divergencia entre la partes de la duplicación de un ancestro común, la parte variable de las inmunoglobulinas fija interactúa con el el antígeno la parte constante otras funciones (estructurales).

34 Exonization Mutations in the DNA that encode signals for intron excision might result in exonization of the intron. exon1 exon2 DNA mutation in the splicing signal exon1 mrna exon1 mature mrna exon1 protein exon1

35 Exon lost Of course, in a similar vain, exons can also be removed due to such mutations. exon1 exon2 DNA exon1 mutation in the splicing signal mrna exon1 mature mrna exon1 protein exon1

36 Mecanismos más importantes de formación de duplicaciones exónicas. (A) Entrecruzamiento desigual. (B) Retrotransposición.

37 B1 Via Entrecruzamiento entre elementos intercalados

38 2Via DNA Transposones

39 B 3 Non-Viral Retrotransposon If a LINE has a weak poly(a) signal, then sometimes transcription will continue and include an adjacent 3 gene (eventually terminating at that gene s strong poly(a) signal). ORF2 then reverse-transcribes the RNA transcript of the LINE and gene, eventually inserting the gene at a new location along with the SINE in a phenomenon known as exon

40 Cómo se originan nuevos genes An example: the antifreeze glycoprotein (AFGP) gene in the Antarctic fish, Dissostichus mawsoni

41 Motif multiplication and exon loss Gene function may be altered through the multiplication of motifs in an ancestral gene and/or loss of exons. Notothenioid fish - live in very cold waters off Antarctica. Avoid blood freezing; antifreeze glycoprotein (AFGP) genes - code for Thr-Ala-Ala repeat.

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44 Antifreeze via motif multiplication AFGP appears to be derived (via motif multip & exon loss) from trypsinogen gene; chimeric version in one sp. may be transitional.

45 Convergent evolution of an AFGP gene in the arctic cod, Boreogadus saida

46 Convergent evolution of an AFGP gene in the arctic cod, Boreogadus saida the AFGP gene in B. saida also has a Thr-Ala-Ala repeating motif! appears to have evolved independently because: 1. flanking regions show no homology to trypsinogen 2. different number and locations of introns 3. codons used in repeating unit are different

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48 There are also many computer programs that analyze a given sequence, and search for homology in known existing domains.

49 Gen Quimera Los Genes quimera se producen bien por via exon shuffling o retrotransposicion. Under retrotransposition, mrna transcribed to cdna, which is then inserted into a gene (without introns). Both Jingwei and Ymp are expressed in Drosophila testes.

50 Gen quimera: Hemoglobina Lepore (Gen quimera) Debido a que los locus de los genes de globina contienen grupos de genes similares existe el potencial para que haya un entrecruzamiento desigual entre las cromátides hermanas durante la meiosis. La generación de hemoglobina Gun Hill y hemoglobina Lepore son el resultado de eventos de entrecruzamientos desiguales. La Hemoglobina Gun Hill es el resultado de una deleción de 15 nucleótidos causados por el cruce desigual entre los codones de un gen de β-globina y los codones del otro. La generación de la hemoglobina Lepore resulta del cruce desigual entre δ-globina y los genes β-globina. El gen híbrido resultante δβ se llama Lepore y el gen híbrido βδ se llama anti-lepore. Según lo indicado anteriormente, el promotor del gen δ- globina es ineficiente así las consecuencias de este evento de entrecruzamiento desigual son tanto cualitativas como cuantitativas

51 Hb Lepore Anti-Lepore βδ fusion gene Longer than the original Lepore δβ fusion gene Shorter than the original Hb Kenya Anti-Kenya β- A γ fusion (much) longer than the original Kenya A γ- β fusion (much) shorter than the original