COMPARACIÓN DE LA LÍNEA MATERNA (GENOMA MITOCONDRIAL) VS EL GENOMA NUCLEAR EN LA RECONSTRUCCIÓN FILOGENÉTICA, UTILIZANDO COMO CRITERIO DE EVALUACIÓN LAS PROBABILIDADES A POSTERIORI IMPLEMENTADAS EN EL ENFOQUE BAYESIANO Cesar Augusto Peña Fonseca/Escuela de Biología/ Universidad Industrial de Santander (UIS). 2009 RESUMEN Varias propiedades únicas del ADN mitocondrial (ADNmt), incluyendo su número de copias de alta, la herencia materna, la falta de recombinación, y la alta tasa de mutación, han hecho que la molécula de elección de los estudios de la historia evolutiva de las diferentes especies. Como el ADN mitocondrial y el nuclear son heredados y transmitidos por diferentes mecanismos, a veces no producen las mismas filogenias (Melnick y Hoelzer, 1993), y cuando esto ocurre es más frecuente que las filogenias basadas en el ADN mitocondrial no representen la verdadera evolución las relaciones entre los taxones. La evidencia que soporta la trasferencia genes mitocondriales hacia la célula huésped genero que esta lleve en su genoma nuclear un conjunto minimo de genes o pequeños fragmentos no codificantes que son necesarias para regular la replicación y expresión génica. Es por tal razón que el objetivo del presente trabajo es analizar que tan informativos en la reconstrucción filogenética son por separado el genoma de herencia materna (mitocondrial) con respecto al genoma nuclear tomando como referencia 3 genes nucleares (Histona 3, 18SrDNA, y 28SrDNA) y tres genes mitocondriales: (16SrDNA, ND1, y COI) para un total aproximado de4.5 Kb. Correspondientes a una fracción del genoma del genero Anelosimus. Utilizando como criterio de comparación las probabilidades a posteriori implementadas en el enfoque Bayesiano. INTRODUCCION Los procariotas aparecieron por primera vez aproximadamente 3,8 millones de años, mientras que los eucariotas multicelulares surgieron aproximadamente hace 1,5 millones de años (stephan kutik et., al 2009) La mitocondria se originó de una bacteria que fue tomada por otra por endosimbiosis hace más de mil millones de años atrás. Posteriormente, la mayoría de los genes mitocondriales fueron transferidos e integrados en el genoma de la célula huésped. El genoma mitocondrial de los animales modernos llevan un conjunto mínimo de genes, junto con unos pequeños segmentos no codificantes que son necesarias para regular la replicación y expresión génica. Cada vez es más evidente que todos los eucariotas caracterizados hasta la fecha tienen algún rasgo mitocondrial, ya sea un una mitocondria real, un hidrogenosoma, un Mitosoma o unos pocos genes provenientes de pérdidas secundarias de los orgánulos, La implicación es que la historia evolutiva de la mitocondria puede revelar la historia de la célula eucariota (Sabrina D. Dyall et., al 2000).
los genes nucleares se heredan de ambos padres y se mezclan en cada generación, esta mezcla oscurece la historia de los individuos y permite que se produzca la recombinación (Rebecca L. Cann et., al 1987). La recombinación hace que sea difícil rastrear la historia de determinados segmentos de ADN, al menos en organismos considerados con un vínculo estrecho. El ADN mitocondrial (ADNmt) añade al conocimiento de la historia de los genes de tres maneras: En primer lugar, el ADNmt ofrece una visión ampliada de la diversidad presente en los genes porque las mutaciones se acumulan en el ADN más rápido que en el núcleo. En segundo lugar, porque ADNmt se hereda de la madre y no recombinan, lo cual es una herramienta para los individuos relacionadas entre sí, y En tercer lugar, el ADN mitocondrial presente en los individuos de la misma especie por lo general son idénticos entre sí (Rebecca L. Cann et., al 1987). El ADN mitocondrial se ha utilizado ampliamente como marcadores moleculares para estudiar las relaciones filogenéticas de amplio alcance, debido a su alta tasa de mutación, la herencia materna haploides, y su abundancia en las células (Avise, 2000). Es necesario evaluar las genealogías de múltiples genes con historias evolutivas potencialmente diferentes (Jin Chang et., al 2007). En los últimos años, el análisis combinado de ADN mitocondrial y de regiones de ADN nuclear ha sido utilizado con éxito para inferir las relaciones entre las poblaciones en muchos estudios (por ejemplo, Arnaud-Haond et al., 2003; Froufe et al., 2003). Tras un amplio uso de secuencias de ADN, se ha demostrado la utilidad de estas en la solución de Fitogeografía entre especies estrechamente relacionadas o poblaciones en estudios recientes (Duran et al., 2004; Gómez-Zurita y Vogler, 2003; Wörheide et al., 2002; Weekers et al., 2001; Hedin, 1997). MATERIALES Y METODOS El análisis filogenético se llevó a cabo con 8 taxa como grupo interno del género Anelosimus y 3 taxa grupo externo (Theridion nigroannulatum; Theridiinae sp.; Coleosoma acutiventer). Los datos fueron tomados del trabajo de Ingi Agnarsson et., al 2006. Se utilizaron 3 genes nucleares (Histona 3, 18SrDNA, y 28SrDNA) y tres genes mitocondriales: (16SrDNA, ND1, y COI) para un total aproximado de4.5 Kb. Las secuencias fueron obtenidas del GenBank (Tabla 1) y los genes fueron alineados por medio de Muscle 3.6 (Robert C, E. 2004). El análisis bayesiano se realizo usando MrBayes V3.1 (Huelsenbeck and Ronquist, 2001; Ronquist and Huelsenbeck, 2003). utilizando JModeltest 3.6 (Posada and Crandall, 1998), esperando el mejor modelo para cada matriz el cual fue GTR+G (Rodr guez et al., 1990; Yang, 1994 (el modelo tipo GTR es un tipo de modelo cuando los parámetros de control de las tasas de divergencia son iguales).se realizo el análisis bayesiano con tres estrategias de partición: 1) todos los genes mitocondriales unidos 2) todos los genes nucleares unidos 3) todos los genes nucleares y mitocondriales unidos. Se corrieron 300000 generaciones, con un muestreo de 100 generaciones, 4 cadenas de markov y la especificación del modelo. Se probó convergencia corriendo dos réplicas para cada estrategia de partición y observando resultados similares en las dos corridas. Para elegir la mejor estrategia de partición se valoraron las probabilidades a posteriori de los nodos de los diferentes arboles como evidencia para soportar la mejor estrategia de búsqueda.
RESULTADOS Y DISCUSION Análisis Bayesiano en el marco del modelo de sustitución resulto en un árbol de consenso resuelto con altos valores de probabilidad a posteriori para todos los nodos del enfoque Bayesiano, utilizando todos los datos disponibles en el análisis combinado (estrategia de partición 3) mostrado e la figura 1. La racionalización del genoma mitocondrial se ha propuesto para promover la transferencia de genes en el núcleo (Selosse et al., 2001). cada individuo es homogéneo para sus múltiples genomas del ADNmt. Por lo tanto, se puede ver al árbol como una genealogía que une los linajes maternos en las poblaciones modernas a una hembra ancestral común (teniendo tipo de ADNmt) Keith L. Adams et., al 2003. Debido a que cuando un gen se traslada al núcleo, la recombinación entre cromosomas homólogos pueden ocurrir durante la meiosis y ayudar a fijar fragmentos genéticos procedentes de la mitocondria, un proceso que no ocurre en las mitocondrias. Así, el producto de un gen transferido podría funcionar mejor que su contraparte mitocondrial y por lo tanto causar la pérdida de la copia de las mitocondrias. Es entonces por tal razón que los datos combinados ofrecen una mejor resolución y un fuerte apoyo a las diferentes probabilidades a posteriori para los nodos que no son recuperadas en todos los nodos en cualquiera de las otras dos estrategias de partición individuales (estrategia de partición 1 y 2 mitocondriales y nucleares ), figura 2 y figura 3 respectivamente. Donde las probabilidades a posteriori para el nodo 1 (en la estrategia de búsqueda 1) y los nodos 1 y 4 (en la estrategia de búsqueda 2) no recuperan las probabilidades a posteriori obtenidas en la reconstrucción obtenida a partir de la estrategia de búsqueda 3. Como el ADN mitocondrial y nuclear son heredados y transmitidos por diferentes mecanismos, a veces no producen las mismas filogenias (Melnick y Hoelzer, 1993). La diferenciación genética de ADN nuclear se explica debido a que la tasa de evolución de los genes nucleares podrían evolucionar mas rápidamente en la diversificación o en la selección sexual (Avise, 2000), otro es la extensa hibridación introgresiva del ADNmt (Jin Chang et., al 2007). CONCLUSION Es debido al flujo de genes de DNA mitocondrial de herencia materna y la transferencia de genes o pequeños fragmentos de los mismos que la filogenia de cada genoma por separado se espera sea similar. Por tal motivo la capacidad de corroborar el ADN mitocondrial en la filogenia con ADN nuclear, mejora enormemente la confianza en las predicciones derivadas de la utilización de ambos genomas, teniendo en cuenta sus diferentes tipos de herencia (Melnick y Hoelzer, 1993). haciendo hincapié en la importancia de emplear la evidencia total (molecular) para las estimaciones filogenéticas.
BIBLIOGRAFIA Arnaud-Haond, S., Bonhomme, F., Blanc, F., 2003. Large discrepancies in differentiation of allozymes, nuclear and mitochondrial DNA loci in recently founded Pacific populations of the pearl oyster Pinctada margaritifera. J. Evol. Biol. 16, 388 398. Avise, J.C., 2000. Phylogeography: the History and Formation of Species. Harvard University Press, Cambridge. Duran, S., Giribet, G., Turon, X., 2004. Phylogeographical history of the spongecrambe crambe (Porifera, Poecilosclerida): range expansion and recent invasion of the Macaronesian islands from the Mediterranean Sea. Mol. Ecol. 13, 109 122. Go mez-zurita, J., Vogler, A.P., 2003. Incongruent nuclear and mitochondrial phylogeographic patterns in the Timarcha goettingensis species complex (Coleoptera, Chrysomelidae). J. Evol. Biol. 16, 833 843. Stephan Kutik, David A. Stroud, Nils Wiedemann, and Nikolaus Pfanner. Evolution of mitochondrial protein biogénesis. Biochimica et Biophysica Acta. Volume 1790, Issue 6, June 2009, Pages 409-415 Keith L. Adams and Jeffrey D. Palmer. evolution of mitochondrial gene content: gene loss and transfer to the nucleus. Molecular phylogenetics and evolution. Vol 29,2003, 380-395 Ingi Agnarsson, Wayne P. Maddison,Leticia Avilés. The phylogeny of the social Anelosimus spiders (Araneae: Theridiidae) inferred from six molecular loci and morphology. Molecular Phylogenetics and Evolution 43 (2007) 833 851 Nicole T.Perna and Thomas D. Kcher. Mitochoncdrial DNA: Molecular fossils in the nucleus. Current biology.1996 vol. 6 No 2:128-129 Sabrina D Dyall and Patricia J Johnson. Origins of hydrogenosomes and mitochondria: evolution and organelle biogénesis. Current Opinion in Microbiology. Volume 3, Issue 4, 1 August 2000, Pages 404-411 Rebecca L. Cann, Mark Stoneking & Allan C. Wilson. Mitochondrial DNA and Human Evolution," Nature, 325 (1987), 31-6. Jin Chang, Daxiang Song, Kaiya Zhou. Incongruous nuclear and mitochondrial phylogeographic patterns in two sympatric lineages of the wolf spider Pardosa astrigera (Araneae: Lycosidae) from China. Molecular Phylogenetics and Evolution 42 (2007) 104 121
Wörheide, G., Hooper, J.N.A., Degnan, B.M., 2002. Phylogeography of western Pacific Leucetta chagosensis (Porifera: Calcarea) from ribosomal DNA sequences: implications for population history and conservation of the Great Barrier Reef World Heritage Area (Australia). Mol. Ecol. 11, 1753 1768. Robert C, E. 2004. MUSCLE: multiple sequence aligment with high accuracy and high throughput, Nucleic Acids Research 32(5). 1792-97 Weekers, P.H.H., Jonckheere, J.F.D., Dumont, H.J., 2001. Phylogenetic relationships inferred from ribosomal ITS squences and biogeographic patterns in representatives of the genus Calopteryx (Insecta: Odonata) of the West Mediterranean and adjacent West European Zone. Mol. Phylogenet. Evol. 20, 89 99. ANEXOS genero CO1 NDI 16S 18S 28S H3 A. domingo 88 87 62 86 24 41 A. dubiosus 90 89 65 87 26 43 A. exibius 98 97 68 91 35 48 A. guacamayos01 0 00 99 48 93 37 50 A. nigrescens 08 06 17 96 47 57 A. oritoyacu032 10 09 35 97 50 59 A_studiosus 17 13 54 00 57 64 A_tosum014 26 20 39 03 66 71 Coleosoma 86 86 81 88 22 39 Exalbidion 95 93 83 90 31 46 Theridion 24 18 78 01 64 69 Tabla 1. Lista de especímenes, los códigos representan los números de accesión Al GenBank.
Figura 1. Análisis Bayesiano de todos los datos combinados(estrategia de partición 3). Los números sobre los nodos indican las probabilidades a posteriori. Figura 2. Análisis Bayesiano de los genes mitocondriales (estrategia de búsqueda 1). Los números sobre los nodos indican las probabilidades a posteriori
Figura 3. Análisis Bayesiano de los genes nucleares (estrategia de búsqueda 2). Los números sobre los nodos indican las probabilidades a posteriori