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Genómica comparada
1. Teoría neutralista de la evolución molecular2. 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 460-480.
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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
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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]
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Comparación entre el genoma humano y
el del ratón
• El número de sustituciones nucleotídicas (neutras) en regiones no funcionales (repeticiones ancestrales) es 0.46-0.47 sustituciones por sitio (67% identidad).
• El número de sustituciones nucleotídicas en las terceras posiciones de los codones (sitios con degeneración cuadruple) es 0.46-0.47 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%), RNAsque 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.
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*
*
*
*
*
Regiones ultraconservadasexónicas
Regiones ultraconservadasno-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.
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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)
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Ka/Ks ratio
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Destino de un gen duplicado
• Silenciamiento o inactivación por mutaciones degenerativas (no-funcionalización).
• Adquisición de una nueva función mediante una mutación beneficiosa (neo-funcionalización).
• Reparto de los niveles y patrones de expresión entre ambas copias por mutaciones degenerativas (sub-funcionalización).
• Eliminación por deleción.
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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)
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EvolutionEvolution ofof genes genes andand genomesgenomesonon thethe Drosophila Drosophila phylogenyphylogeny
D. melanogaster
D. willistoni
EvoluciEvolucióón de la familia gn de la familia géénica OBP (nica OBP (OdorantOdorant bindingbindingproteinsproteins) en Drosophila) en Drosophila
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EvoluciEvolucióónn de la de la familiafamilia ggéénicanica OBP (OBP (OdorantOdorant bindingbindingproteinsproteins) por nacimiento-y-muerte en el gen el géénero nero DrosophilaDrosophila
Ganancias de genes: 43
Pérdida de genes: 28
Pseudogenes: 13
D. melanogaster
D. simulans
D. sechellia
D. yakuba
D. erecta
D. ananassae
D. pseudoobscura
D. persimilis
D. willistoni
D. mojavensis
D. virilis
D. grimshawi
51
51
50 (1)
54 (1)
49 (2)
49 (1)
44 (2)
44 (2)
61 (2)
42
40 (1)
45 (3)
47
42
45
47 51
44
51
51
53(1)
162(2)
11(0)
02(0)
41(1)
13(2)
20(0)
02(1)
85(3)
11(0)
05(0)
40(0)
12(2)
42
01(1)51
47
D. melanogaster
D. simulans
D. sechellia
D. yakuba
D. erecta
D. ananassae
D. pseudoobscura
D. persimilis
D. willistoni
D. mojavensis
D. virilis
D. grimshawi
51
51
50 (1)
54 (1)
49 (2)
49 (1)
44 (2)
44 (2)
61 (2)
42
40 (1)
45 (3)
47
42
45
47 51
44
51
51
53(1)
162(2)
11(0)
02(0)
41(1)
13(2)
20(0)
02(1)
85(3)
11(0)
05(0)
40(0)
12(2)
42
01(1)51
47
Duplicación de todo el genoma en Saccharomyces
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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
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Reordenaciones fijadas en el cromosoma X durante la divergencia entre la especie humana y el ratón
Comparación ratón-humano: 342 segmentos sinténicosconservados (tamaño promedio 6,9 Mb) que implican
295 reordenaciones cromosómicas
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La tasa de fijación de reordenaciones cromosómicas varía mucho entre linajes
Comparación del genoma humano con el
del chimpancé:1.576 inversiones
detectadas(tamaño 23 bp-62 Mb:
total 154 Mb)33 inversiones > 100 kb
23 de 27 inversiones (85%) validadas
experimentalmente
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Generación de la inversión 2j por recombinación ectópica entre copias del transposón Galileo
Generación de una inversión cromosómica por roturas escalonadas y reparación NHEJ