Genómica comparada

Genómica comparada
1. Teoría neutralista de la evolución molecular
2. 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.
=4N
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%), RNAs
que 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 ultraconservadas
exónicas
Regiones ultraconservadas
no-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
7
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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 (neofuncionalización).
• 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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Evolution of genes and genomes
on the Drosophila phylogeny
Evolució
Evolución de la familia gé
génica OBP (Odorant
(Odorant binding
proteins)
proteins) en Drosophila
D. melanogaster
D. willistoni
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Evolució
Evolución de la familia génica OBP (Odorant
(Odorant binding
proteins)
proteins por nacimiento-y-muerte en el gé
género Drosophila
Ganancias de genes: 43
51
Pérdida de genes: 28
D. melanogaster
51
D. simulans
51
51
Pseudogenes: 13
4
0(0)
2
0(0)
0
2(0)
51
51
47
45
1
2(2)
D. yakuba
54 (1)
1
3(2)
D. erecta
49 (2)
D. ananassae
49 (1)
D. pseudoobscura
44 (2)
D. persimilis
44 (2)
44
16
2(2)
47
42
42
50 (1)
4
1(1)
5
3(1)
1 47
1(0)
0
5(0)
0
D. sechellia
1(1)
D. willistoni
61 (2)
1
1(0)
D. mojavensis
42
0
2(1)
D. virilis
40 (1)
D. grimshawi
45 (3)
8
5(3)
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 sinténicos
conservados (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
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