AB3-Mutaciones 2011 - Facultad de Ciencias Naturales y Museo

Universidad Nacional de La Plata
Facultad de Ciencias Naturales y Museo
ANTROPOLOGÍA BIOLÓGICA III
Profesor Titular: Dr. Gustavo Barrientos
Profesor Adjunto: Dr. Claudio Bravi
Jefa de Trabajos Prácticos: Dra. Gisel Padula
Ayudantes Diplomadas: Dra. Egle Villegas y Lic. Elina Francisco
Ciclo Lectivo 2011
Microevolución
§ La
microevolución es la ocurrencia de cambios a
pequeña escala en las frecuencias alélicas de una
población, a lo largo de unas pocas generaciones.
También se conoce como cambio a nivel intraespecífico.
§ Estos
cambios pueden deberse a varios procesos:
mutación, selección natural, flujo génico y deriva
génica.
§ La
genética de poblaciones es la rama de la biología
que proporciona la estructura matemática para el
estudio de los procesos de la microevolución.
Ley de Equilibrio de Hardy-Weinberg
1) Las frecuencias alélicas en un locus
autosómico
no
cambian
de
una
generación a la siguiente (equilibrio de
las frecuencias alélicas).
2)
Las frecuencias genotípicas están
determinadas de una manera predecible
por las frecuencias génicas o alélicas
(equilibrio
de
las
frecuencias
genotípicas).
3) El equilibrio es neutro. Si se perturba
la
población,
el
equilibrio
se
reestablecerá en una sola generación de
apareamiento al azar.
Supuestos del Equilibrio de Hardy-Weinberg
v la población es infinitamente grande y se aparea
al azar (población panmíctica).
v no existe selección (cada genotipo puede
sobrevivir al igual que el otro, no hay mortalidad
diferencial y cada genotipo es capaz de producir
progenie).
v la población es cerrada, no hay migración ni
emigración.
v no existe mutación.
v existe meiosis normal, el azar es el único factor
operativo en la gametogénesis.
Agentes Microevolutivos
Procesos sistemáticos (se puede predecir la magnitud y la
dirección de los cambios en las frecuencias alélicas que
introducen en poblaciones mendelianas):
v
v
v
Mutación
Flujo Génico
Selección
Procesos dispersivos (su acción
magnitud, pero no en dirección):
v
v
Deriva génica
Endogamia o consanguinidad
es
predecible
en
Efectos de los Agentes Microevolutivos
sobre la Variación Genética
puede reducirla
la aumenta
la reduce
puede aumentarla
Genoma
(Winkler 1920) [Gr. “gen” (origen) y “oma” (conjunto
completo de unidades); ver Lederberg y McCray 2001]:
Conjunto conformado por la totalidad de los genes y por el resto del ADN
estructural localizado en el núcleo de una célula.
Secuencias del Genoma Humano (≈ 3.000 Mpb):
- genes y secuencias relacionadas: 20-30%
- secuencias no codificantes (pseudogenes, intrones, fragmentos): >90 %
- secuencias codificantes (<10 %) ≈ 1,5 % del total
- ADN extragénico: 70-80 %
- secuencias moderadas a altamente repetitivas: 20-30 %
- secuencias únicas: 70-80 %
Secuencias del
Genoma Humano
Winter et al., 2002
MUTACIONES
Mutaciones
Fuentes de Datos
Observación, Crianza
Mutaciones
Fuentes de Datos
xeroderma pigmentoso
Observación Clínica
Mutaciones
Fuentes de Datos
Thomas Hunt Morgan
(1866-1945)
Drosophila melanogaster
Experimentación
Secuencia Histórica
en el Estudio de las
Mutaciones
fenotipo
cromosomas
ADN
Mutaciones
Nivel cromosómico
Nivel molecular
Mutaciones a Nivel Molecular
v Una mutación puede definirse como una falla en la fidelidad
de almacenamiento de la información genética.
v Los cambios en la información genética pueden reflejarse en
la expresión de esa información (i.e. en las proteínas
producidas). En otras palabras, las mutaciones dan cuenta de la
variabilidad en la información genética.
Errores y Daños del ADN vs. Mutaciones
v La cantidad de células del cuerpo humano es de aproximadamente
cincuenta billones (i.e. 50 x 1012).
vSe calcula que, mediante cambios térmicos, una célula humana
acumula por día la pérdida de unas 5000 bases púricas (adenina y
guanina).
v Análogamente, se estima en 100 los cambios producidos por día
mediante la desaminación de la citosina al uracilo.
v La acción de la luz ultravioleta del sol puede favorecer la formación
de dímeros de timina.
v Este elevado número de cambios, producidos en el genoma de las
células, necesita de un sistema de reparación que brinde la estabilidad
necesaria para que la célula pueda cumplir con sus procesos vitales.
v Hoy se sabe que menos del 1‰ de estos cambios accidentales de las
bases del ADN provoca una mutación; el resto son eliminados, con una
eficacia altísima, mediante el proceso de reparación del ADN.
Mutaciones Somáticas y Gaméticas
v Las consecuencias de una mutación dependen del lugar en
donde ocurren. Algunas mutaciones ocurren en células del
cuerpo; estas se denominan mutaciones somáticas.
v Algunas mutaciones ocurre, en cambio, en células
germinales que producen a las gametas. Éstas se denominan
mutaciones gaméticas y son las que tienen importancia
evolutiva.
Mutaciones Espontáneas e Inducidas
v Algunas mutaciones surgen como errores naturales durante
la replicación del ADN, o como resultado de reacciones
bioquímicas desconocidas. Estas mutaciones se denominan
espontáneas.
v Las mutaciones pueden también ser causadas por agentes
ambientales, denominándose en ese caso inducidas.
v Ambos tipos de mutación sólo pueden ser diferenciadas
mediante la estimación de la tasa de ocurrencia dentro de una
población y su comparación con la tasa estimada para la especie.
Cuando es significativamente mayor, puede inferirse su
carácter inducido.
v Los factores ambientales que causan un incremento en la
tasa de mutación se denominan agentes mutagénicos.
Agentes Mutagénicos
Son aquellos factores del ambiente que producen mutaciones, tales
como:
v radiaciones electromagnéticas: a) radiaciones ionizantes (rayos
X, partículas alfa, beta y gamma de fuentes radiactivas como el
radio, uranio, cobalto, rayos cósmicos que aumentan con la
disminución de la capa de ozono); b) radiación ultavioleta (UV).
v agentes físicos: choques térmicos, ultrasonidos de altísima
energía, centrifugación masiva.
v agetes químicos: análogos de bases de ácidos nucleicos, ácido
nitroso, agentes alquilantes como el gas mostaza, colorantes de
acridina (proflavina, acridina), carcinógenos (benzopireno), sulfato
de cobre, ácido bórico, ácido fórmico, colchicina, uretano, drogas
como el L.S.D., nicotina, edulcorantes como el ciclamato, peróxidos
como el agua oxigenada.
v agentes biológicos: virus, bacterias, anthrax.
Radiación Electromagnética
La radiación electromagnética es una combinación de campos eléctricos
y magnéticos oscilantes, que se propagan a través del espacio
transportando energía de un lugar a otro.
no ionizante
ionizante
Radiaciones No Ionizantes y Ionizantes
v Se entiende por radiación no ionizante aquella onda o
partícula que no es capaz de arrancar electrones de la materia
que ilumina produciendo, como mucho, excitaciones
electrónicas. atendiendo a la frecuencia de la radiación serán
radiaciones no ionizantes las frecuencias comprendidas entre
las frecuencias bajas o radio frecuencias y el ultravioleta,
aproximadamente.
v Radiaciones ionizantes (rayos X y rayos gamma), son
aquellas radiaciones con energía suficiente para ionizar la
materia, extrayendo los electrones de sus estados ligados al
átomo. Las radiaciones ionizantes pueden provenir de
sustancias radiactivas, que emiten dichas radiaciones de
forma espontánea, ó de generadores artificiales, tales como
los generadores de rayos X y los aceleradores de partículas.
Acción Biológica de la Radiación Ionizante
Clasificación de las Mutaciones
por sus Efectos
v Neutrales
v Deletéreas
v Ventajosas
Efectos de la Mutación
Cambio en un rasgo morfológico (v.g. variaciones en tamaño o
forma).
v
Variación nutricional o bioquímica (v.g. síntesis de algún
aminoácido por supresión o inactivación enzimática).
v
Cambio en el comportamiento (v.g. comportamiento de
apareamiento en Drosophila).
v
Cambios en la regulación de la actividad génica (v.g. a través
de la inactivación de un gen que codifica un factor de
transcripción).
v
v
Letalidad (v.g. alelo de Huntington en humanos).
Tipos de Mutaciones
(a)AAGGCAAACCTACTGGTCTTATGT secuencia original
(b) AAGGCAAATCTACTGGTCTTATGT transición
(c) AAGGCAAACCTACTGCTCTTATGT transversión
deleción (ACCTA)
(d) AAGGCAAvCTGGTCTTATGT deleción de ACCTA
inserción (AAAGC)
(e) AAGGCAAACCTACTvAAAGCvGGTCTTATGT inserción
de AAAGC
Mutaciones Puntuales
(point mutations)
A) Sinónimo (synonymous)
Ile Cys Ile Lys Ala Leu Val Leu Leu Thr secuencia de aminoácidos
ATA TGT ATA AAG GCA CTG GTC CTG TTA ACA secuencia de ADN
ATA TGT ATA AAG GCA CTG GTA CTG TTA ACA substitución de base
Ile Cys Ile Lys Ala Leu Val Leu Leu Thr aminoácico sinónimo
B) Errónea (missense)
Ile Cys Ile Lys Ala Asn Val Leu Leu Thr
secuencia de aminoácidos
ATA TGT ATA AAG GCA AAC GTC CTG TTA ACA secuencia de ADN
ATA TGT ATA AAG GCA AAC TTC CTG TTA ACA substitución de base
Ile Cys Ile Lys Ala Asn Phe Leu Leu Thr aminoácico con pérdida
de sentido
C) Sin Sentido (nonsense)
Ile Cys Ile Lys Ala Asn Val Leu Leu Thr
ATA TGT ATA AAG GCA AAC GTC CTG TTA ACA
ATA TGT ATA TAG GCA AAC GTC CTG TTA ACA
Ile Cys Ile Ter
codón de paro
finalización del polipéptido
Código Genético
El código genético es el conjunto de normas por las que la información
codificada en el material genético (secuencias de ADN o ARN) se traduce en
proteínas (secuencias de aminoácidos) en las células vivas.
El código define la relación entre 61 secuencias de tres nucleótidos, llamadas
codones y 20 aminoácidos. Las tres secuencias de tres nucleótidos restantes
corresponden a órdenes de fin de secuencia.
Causas de Mutaciones Puntuales
v Las sustituciones de bases en el ADN se dan de forma tal que
fluctuaciones espontáneas raras pero naturales en las uniones
entre bases pueden ocurrir. Estas fluctuaciones pueden afectar
en forma breve al modo en que las bases forman los puentes de
hidrógeno. Por ejemplo, cuando sufre un cambio tautomérico, la
citosina puede formar una unión con la adenina. Por ello, cuando
el cambio tautomérico ocurre durante la replicación, el
nucleótico erróneo puede insertarse en el nuevo ADN
sintetizado.
Citosina (forma ceto)
Timina (forma enol)
Timina (forma amina)
Citosina (forma imino)
Normales
Tautómeros
Causas de Mutaciones Puntuales
v Las sustituciones de bases pueden también ser causadas por
modificaciones químicas de las bases. Un tipo de modificación de
esta naturaleza es causada por los agentes alquilantes
(genotóxicos), tales como el etilmetanoulfonato y el
metilmetanosulfonato. Estos agentes donan a las bases grupos
alquilos (grupos metil y etil), afectando sus propiedades de
unión. Por ejemplo, cuando la guanina se alquila, produciendo 7etilguanina, se une a la timina.
Anemia Falciforme o
“Sickle Cell” Anemia
v Forma falciforme de los
rojos.
glóbulos
v El Ácido Glutámico es reemplazado
por Valina debido a una sustitución de
bases.
Normal
Mutación
ADN
ARNm
GAG
CTC
GTG
CUC
ARNt
GAG
GUG
Polipéptido
aa1…….Glu……….. aa146
aa1..…..Val…….. aa146
Mutaciones por Cambio en el Marco de Lectura
(frameshift mutations)
A) Deleción
Lys Ala Leu Val Leu Leu Thr Ile Cys Ile Ter
AAG GCA CTG GTC CTG TTA ACA ATA TGT ATA TAA TACCATCGCAATAGGG
AAG GCA CTG vTCC TGT TAA CAATATGTATATAATACCATCGCAATAGGG
Lys Ala Leu Phe Cys Ter
B) Inserción
Lys Ala Asn Val Leu Leu Thr Ile Cys Ile Ter
AAG GCA AAC GTC CTG TTA ACA ATA TGT ATA TAA TACCATCGCAATAGGG
AAG GCA AACvGvGT CCT GTT AAC AAT ATG TAT ATA ATA CCA TCG CAA AGT
Lys Ala Asn Gly Pro Val Asn Asn Met Tyr Ile Ile Pro Ser Gln Ter
Causas de Mutaciones por Cambios
en el Marco de Lectura
v Estas mutaciones pueden ser causadas por agentes
intercalantes, que son sustancias químicas que se insertan
entre pares de bases adyacentes. La intercalación ocasiona
cambios en la conformación de la doble hélice, de modo tal
que cuando ocurre la replicación, la conformación aberrante
causa pequeñas deleciones o inserciones en el nuevo ADN tras
la síntesis.
agente intercalante
Causas de Mutaciones por Cambios
en el Marco de Lectura
v La radiación también es capaz de inducir mutaciones en el ADN. La
radiación ionizante, tales como los rayos gama y los X, dependiendo de
la energía de la radiación, pueden crear radicales libres que resultan
en diferentes tipos de problemas en la estructura del ADN.
v La radiación ultavioleta (no ionizante), también puede causar
mutaciones. Su efecto es la formación de dímeros de pirimidinas (T:T,
C:C, T:C) adyacentes en una cadena de ADN. La radiación UV puede
promover la formación de una unión covalente entre las dos
pirimidinas, afectando sus propiedades de apareamiento, e
interrumpiendo el proceso de replicación del ADN. Es la causa
principal de cáncer de piel.
dímero de timina
Dímero de Timina
Xeroderma Pigmentoso
Afección cutánea rara (≈1:1.000.000-1:100.000) de origen genético,
con un patrón de herencia autosómico recesivo, caracterizada por una
extrema sensibilidad a la radiación ultravioleta, como la luz del sol. Las
personas con xeroderma pigmentoso no pueden curarse del daño de la
piel causado por el sol u otras fuentes de radiación ultravioleta y
tienen mucho riesgo de padecer alteraciones cutáneas, oculares y
sistémicas, incluyendo carcinomas, a edad temprana (primera y
segunda décadas de vida). También se llama xeroderma de Kaposi y
melanosis lenticular progresiva.
Frecuencias de Mutación
Es la frecuencia con la que un tipo concreto de
mutación se encuentra en una población de células o
individuos.
v muy frecuentes:
10-1 - 10-3
v frecuentes:
10-4 - 10-7
v detectables:
10-8 - 10-9
Mutaciones Reversibles
v La espontaneidad de muchas mutaciones sugiere que su
carácter es aleatorio. Las mutaciones no surgen como
respuesta a estímulos ambientales específicos; por ejemplo, las
bacterias no mutan para convertirse en resistentes a un
determinado antibiótico, la mutación ocurre con independencia
de las condiciones de selección (i.e. presencia del antibiótico).
v Las mutaciones pueden ser reversibles. Si una mutación sólo
ocurre una vez en un gen, existe una muy pequeña probabilidad
que la base mutada pueda volver a mutar a su forma original.
En forma alternativa, existen casos en los cuales una mutación
ocurrida en otro gen hace que el fenotipo de un organismo
adopte la apariencia original o silveste. Este tipo de mutación
se denomina supresora.
Tasa de Mutación
pn = (1-µ)n po
donde pn es la frecuencia del alelo dominante en la generación n
µ es la tasa con la que “A” muta a “a”
po es la frecuencia de A en la generación inicial
y n es el número de generaciones implicado.
Tasa de Mutación
v Es una medida de la tendencia básica de un gen a mutar. Representa
el número de eventos de mutación por gen, gameta u organismo por
unidad de tiempo.
v La tasa de mutación espontánea varía. Los genes grandes
constituyen un blanco de mayor tamaño para las mutaciones, por lo que
tienden a mutar más frecuentemente. Datos provenientes de
numerosos estudios muestran que los organismos eukariotas exhiben
en general una tasa de mutación espontánea de 2-12 x 10-6 mutaciones
por gameta por gen.
v Dado que el genoma humano contiene entre 30.000 y 25.000 genes,
podemos esperar que 1-3 gametas contengan una mutación en algún
gen.
v La tasa efectiva de mutación en el genoma humano está estimada en
al menos 4,2 mutaciones por generación, de las cuales son deletéreas
entre 1,6 y 3 mutaciones por persona por generación (Eyre-Walker y
Keightley, 1999).
http://archive.uwcm.ac.uk/uwcm/mg/hgmd0.html
Ectonucleotide pyrophosphatase/phosphodiesterase 1
Gene symbol : ENPP1
Location : 6q
Mutations in this gene were first reported in 1999
Pizzuti (1999) Diabetes 48, 1881
Number of entries by mutation type
Click on the respective mutation type to view detailed information about the mutations as logged in HGMD.
Total number of mutations
Mutation type
Nucleotide substitutions (missense / nonsense)
1
Nucleotide substitutions (splicing)
0
Nucleotide substitutions (regulatory)
0
Small deletions
0
Small insertions
0
Small indels
0
Gross deletions
0
Gross insertions & duplications
0
Complex rearrangements (including inversions)
0
Repeat variations
0
TOTAL
1
Number of entries by phenotype
Phenotype
Nucleotide
substitutions
Micro-lesions
Gross lesions
Insulin resistance, association with
1
0
0
Enfermedades y Genes: Enfermedoma
Nodos: enfermedades
Links: genes relacionados
K. I. Goh et al. 2007
Patologías Causadas por la Mutación de un Único Gen
a) Autosómicas:
aniridia
1 c/200.000
gametas
retinoblastoma
1 c/43.500
gametas
b) Ligadas al Sexo:
esclerosis
tuberosa
1 c/83.000
gametas
enanismo
acondroplásico
1 c/23.000
gametas
albinismo
1 c/37.700
gametas
hemofilia
1 c/31.250
gametas
Mutación del Gen de la
Cadena Pesada de la Miosina
(MYH16) y su Correlación
con Cambios Anatómicos en
el Linaje Humano (Stedman
et al. 2004)
Mutación del Gen de la Cadena Pesada de la Miosina
(MYH16) y su Correlación con Cambios Anatómicos en el
Linaje Humano (Stedman et al. 2004)
Músculo Temporal
Macaca fascicularis
Nature 428: 415-418
Homo sapiens
Macaca fascicularis
Macaco cangrejero
Estructura
Muscular
Miosina II: 40-50%
de las proteínas del
músculo. Posee dos
cadenas pesadas y
cuatro cadenas
livianas.
Miosina II
Mutación del Gen de la Cadena Pesada de la Miosina
(MYH16) y su Correlación con Cambios Anatómicos en el
Linaje Humano (Stedman et al. 2004)
electroforesis
Nature 428: 415-418
Electroforesis
Es una técnica para la separación de moléculas (proteínas o ácidos nucleicos)
según la movilidad de estas en un campo eléctrico a través de una matriz
porosa, la cual finalmente las separa por tamaños moleculares y carga
eléctrica, dependiendo de la técnica que se use. Los ácidos nucleicos ya
disponen de una carga eléctrica negativa, que los dirigirá al polo positivo,
mientras que las proteínas se cargan con sustancias como el SDS
(detergente) que incorpora cargas negativas de una manera dependiente del
peso molecular. Para la separación se usa un gel de agarosa o poliacrilamida
(fibras cruzadas, como una malla). Al poner la mezcla de moléculas y aplicar
un campo eléctrico, éstas se moverán y deberán ir pasando por la malla, por la
que las pequeñas se moverán mejor, más rápidamente. Así, las más pequeñas
avanzarán más y las más grandes quedarán cerca del lugar de partida.
Mutación del Gen de la Cadena Pesada de la Miosina
(MYH16) y su Correlación con Cambios Anatómicos en el
Linaje Humano (Stedman et al. 2004)
electroforesis
Nature 428: 415-418
Mutación del Gen de la Cadena Pesada de la Miosina
(MYH16) y su Correlación con Cambios Anatómicos en el
Linaje Humano (Stedman et al. 2004)
Tipo de locus: Pseudogen; Posición: 7q22.1
p
q
Cromosoma 7
cambio en el marco de lectura
(frameshift mutation)
p
q
Nature 428: 415-418;
http://www.genecards.org/cgi-bin/carddisp.pl?gene=MYH16#search
Mutación del Gen de la Cadena Pesada de la Miosina
(MYH16) y su Correlación con Cambios Anatómicos en el
Linaje Humano (Stedman et al. 2004)
Nature 428: 415-418
Géneros y Especies de Homínidos
(Mioceno, Plioceno, Pleistoceno)
Mutación del
Gen de la
Miosina
Músculo Temporal en Homínidos
P. troglodites
A. afarensis
H. habilis
H. ergaster
H. sapiens
P. boisei
H. erectus
H. floresiensis
H. neanderthalensis
H. Sapiens
actual
Revisión de la Edad de la Mutación del Gen de la
Cadena Pesada de la Miosina (MYH16)
(Perry et al. 2005)
Nueva edad calculada para la mutación: 5,3 ma AP.
Géneros y Especies de Homínidos
(Mioceno, Plioceno, Pleistoceno)
Mutación
del Gen de
la Miosina