Tema 12. Estructura genética de las poblaciones Objetivos

Tema 12. Estructura genética de las
poblaciones
Genética CC. Mar 2004-05
Objetivos
• Entender el concepto de población genética
• Comprender el principio de Hardy-Weinberg
• Apreciar la acción de los distintos agentes
evolutivos
• Describir diferentes técnicas moleculares para
el estudio de la genética de poblaciones
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Población mendeliana
• Una población mendeliana es un grupo de individuos
que se aparean entre sí, compartiendo un conjunto
común de genes (“acervo genético”) que se transmiten
de generación en generación según las leyes
mendelianas.
• No evolucionan los individuos, evolucionan las
poblaciones.
• La genética de poblaciones intenta comprender las
causas de los niveles de variación genética
observados en las poblaciones, y de esta manera
explicar las bases genéticas subyacentes al cambio
evolutivo.
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Frecuencias genotípicas y alélicas
• La frecuencias genotípicas para un locus en
particular vienen dadas por la proporción de
individuos que poseen un genotipo
determinado.
• La frecuencias alélicas vienen dadas por la
proporción alelos de un tipo particular.
• La suma de las frecuencias genotípicas o
alélicas es siempre 1.
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Cálculo de frecuencias genotípicas y
alélicas
Frecuencias genotípicas
f(AA) = 353 / 1000 = 0.353
f(Aa) = 494 / 1000 = 0.494
f(aa) = 53 / 1000 = 0.153
f(AA) + f(Aa) + f(aa) = 0.353 + 0.494 + 0.153 = 1.000
Frecuencias alélicas
f(A) = p = (2 ! 353 + 494) / (2 ! 1000) = 0.6
f(a) = q = (2 ! 153 + 494) / (2 ! 1000) = 0.4
p + q = 0.6 + 0.4 = 1
Las frecuencias alélicas también se pueden calcular directamente a
partir de las frecuencias genotípicas:
f(A) = p = f(AA) + 1/2 f(Aa) = 0.353 + 0.494/2 = 0.6
f(a) = q = f(aa) + 1/2 f(Aa) = 0.153 + 0.494/2 = 0.4
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Índices de variabilidad genética
• La heterozigosidad observada es la frecuencia
de los heterozigotos en la población.
• El número de alelos es un descriptor bastante
simple de la variabilidad por locus.
• Se dice que un locus es polimórfico si el alelo
más frecuente supone menos de cierto
umbral, generalmente 95 o 99%.
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Equilibrio Hardy-Weinberg (HWE)
• En una población de tamaño infinito, con
apareamiento al azar (panmixia), en la que no
haya mutación, migración o selección, las
frecuencias alélicas se mantienen constantes
con el tiempo, y las frecuencias genotípicas
vienen determinadas por las frecuencias
alélicas:
f(AA) = p2
f(Aa) = 2pq
f(aa) = q2
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Aproximación al HWE
• El HWE se alcanza con una sola generación de apareamiento
al azar.
• Una vez que se ha alcanzado HWE, las frecuencias alélicas no
cambian:
En la generación t, las frecuencias alélicas son p y q.
En t+1, las frecuencias genotípicas serán f(AA)’= p2; f(Aa)’= 2pq; f(aa)’= q2
En la generación t+1, las frecuencias alélicas serán por tanto
p’ = f(AA)’ + 1/2 f(Aa)’ = p2 + 2pq / 2 = p2 + pq = p (p + q) = p
q’ = f(aa)’ + 1/2 f(Aa)’ = q2+ 2pq / 2 = q2 + pq = q (q + p) = q
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Consecuencias del HWE
(1) La frecuencia máxima de
heterozigotos es 0.5, y ocurre
cuando p = q =0.5.
(2) El heterozigoto es el genotipo
más común cuando p oscila
entre 0.33 y 0.66.
(3) Cuando un alelo es raro, se
encuentra más a menudo en
heterozigosis que en
homozigosis.
(4) La heterozigosidad esperada
(H) en el equilibrio HWE para
un locus bialélico es H = 2pq.
nº alelos
H =1 –
!
2
pi
i
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Contraste estadístico del HWE
• A partir de una muestra se puede inferir
(estadísticamente) si una población está en
HWE.
• El error de muestreo será inversamente
proporcional al tamaño de la muestra.
• Para detectar si las frecuencias genotípicas
observadas son significativamente diferentes
de las esperadas por HWE se realiza una
prueba de ji-cuadrado de bondad de ajuste.
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Ejemplo de contraste de HWE
•
AA
AB
BB
Total (N)
130
763
1698
2591
• ¿Son estas frecuencias compatibles
con que la muestra haya sido
tomada de una población en HWE?
Hay que estimar las frecuencias alélicas para calcular las frecuencias genotípicas
observadas
f(A) = p = (2 ! 130 + 763) / (2 ! 2591) = 0.1974
f(B) = q = 0.8026
AA
AB
BB
N
Observados (O)
130
763
1698
2591
Esperados (E)
p2N
2pqN = 821.00
q2N
2591
! (O - E)
2
X2 =
E
=
= 100.96
=1669.04
(130 -100.96)2 (763- 821)2 (1698 - 1669.04)2
+
+
= 12.953
100.96
821
1669.04
•
Grados de libertad (g.l.) = nº clases – nº de parámetros estimados – 1 = 3 – 1 – 1 = 1
•
•
"2 con 1 grado de libertad al 95% = 3.84
El valor observado de X2, 12.953 > 3.84 , por lo cual la desviación es significativa, y
concluimos que la muestra no es compatible con una población en HWE.
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Sistemas de apareamiento
• Apareamiento al azar o panmixia => HWE
• Apareamiento clasificado o asociativo: individuos del mismo
genotipo se aparean entre sí más veces de lo esperado por azar (p.e.
altura en humanos).
– Afecta sólo a los genes que determinan el fenotipo implicado
– H#
– No cambia las frecuencias alélicas
• Apareamiento desclasificado o disasociativo: individuos de diferente
genotipo se aparean entre sí más veces de lo esperado por azar (p.e.
sistemas de autoesterilidad en plantas).
– Afecta sólo a los genes que determinan el fenotipo implicado
– H$
– Puede cambiar las frecuencias alélicas
• Apareamiento consanguíneo: individuos emparentados se aparean
entre sí más veces de lo esperado por azar.
– Afecta a todos los genes
– H#
– No cambia las frecuencias alélicas.
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Consanguinidad
• Los alelos idénticos pueden ser idénticos por ascendencia (IBD) o
idénticos por estado (IBS).
• Los homozigotos pueden ser autozigotos o alozigotos,
dependiendo de sí sus alelos son IBD o IBS, respectivamente.
• El coeficiente de consanguinidad (F) se puede definir como la
probabilidad de que dos alelos tomados al azar de una población
sean idénticos por descendencia.
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Cálculo del coeficiente de
consanguinidad
• La probabilidad de transmisión es siempre 0.5, por lo
que la probabilidad de que de F herede copias
idénticas de un alelo a partir del individuo A será 2 !
0.56 = 0.03125, y a partir de C será 2 ! 0.54 = 0.0125
• El coeficiente de consanguinidad de un individuo i es,
para S posibles caminos con n individuos cada uno
(cada camino incluye los padres de i, el ancestro
común, y los individuos entre los padres y el ancestro)
es:
n
S
!1$
Fi = ' # & (1+ FA )
" 2%
1
Cami n o
ECAB D
EC D
n
5
3
F ancestro común
0
0
Contribución a Fi
(1/2)5 = 0.031 2 5
(1/2)3 = 0.125
FF = 0.1 5 6 2 5
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Fuerzas evolutivas
• El HWE es un modelo nulo útil pero no real.
• En la naturaleza muchas poblaciones no están en
HWE.
• Las fuerzas evolutivas poblacionales son aquéllas que
cambian las frecuencias alélicas en las poblaciones:
–
–
–
–
Mutación
Deriva genética
Migración
Selección
• Estas fuerzas no son excluyentes y pueden actuar de
forma simultánea y variar en el tiempo y en el espacio.
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Mutación
• La mutación consisten en
cambios heredables en el
DNA que ocurren dentro de
un locus (p.e. A%a, A3%A1).
• Las tasas de mutaciones son
bajas pero varían entre las
especies.
• Dependiendo de su efecto, las
mutaciones pueden ser:
– Neutras: sin efectos sobre la
eficacia biológica de los
organismos
– Deletéreas: efectos negativos
sobre la eficacia
– Ventajosas: incrementan la
eficacia
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Tasa de mutación
• La tasa de mutación (µ: A%a) es la proporción
de alelos A que mutan en una generación
pt = pt–1 (1–µ)
&
pt = p0 (1–µ)t
• Si la mutación es reversible (': a%A) se llegará a
un equilibrio:
!
µ
p̂
=
q̂
=
pt = pt–1 (1–µ) + qt–1' &
µ +!
µ +!
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Deriva genética
• Cuando el tamaño poblacional (N) es pequeño, se
producen cambios aleatorios en las frecuencias genéticas
por error de muestreo (deriva genética).
• El tamaño efectivo poblacional (Ne) es equivalente al
número de individuos que contribuyen con gametos a la
siguiente generación. Si el número de machos (Nm) y
hembras (Nf) es diferente:
4N N
Ne =
f
m
Nf + Nm
• La deriva genética es un proceso clave en la preservación
de poblaciones y especies, ya que erosiona la variabilidad
genética y coarta el potencial adaptativo.
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Dispersión de las frecuencias alélicas
• El error estándar de de las
frecuencias alélicas por deriva es
sp =
pq
2Ne
• El intervalo de confianza (95%)
sobre la variación en frecuencia
alélica por deriva es p ± 2sp.
Figura 22.11 Experimento de deriva
genética de P. Buri con 107
poblaciones de Drosophila
melanogaster. N=16
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Demografía
• El efecto fundador, que ocurre cuando una
población se establece a partir de un pequeño
número de individuos fundadores.
• Un cuello de botella (“bottleneck”) se
produce cuando el tamaño poblacional
desciende bruscamente.
• Estas variaciones en tamaño poblacional
pueden producir un deriva genética muy
acentuada.
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Efectos de la deriva genética
Fig ura 22.12 Efecto d e la d eriva g enética en la frecuencia
d e un alelo en cuatro p ob laciones d iferentes
• La deriva genética provoca que las
frecuencias alélicas cambien con el
tiempo.
• En cada generación p puede
aumentar o disminuir al azar.
• p puede llegar a 0 (pérdida) o a 1
(fijación).
• La probabilidad de fijación de un
alelo es su frecuencia inicial.
• El tiempo de fijación esperado es 4N
generaciones cuando p = 1/2N.
• La deriva incrementa la divergencia
genética entre las poblaciones
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Consanguinidad por deriva
• En poblaciones pequeñas se van a producir muchos
apareamientos entre individuos emparentados, aunque los
apareamientos sean al azar.
• El aumento de consanguinidad por deriva de una generación a la
siguiente es:
Ft =
1 !
1 $
+ #1& Ft -1
2N " 2N %
Consanguinidad nueva
Consanguinidad arrastrada
• Al cabo de muchas generaciones, en una población ideal con
autofertilización, tamaño efectivo constante y el mismo número
de machos y hembras:
1 $
!
Ft =1- #1" 2N &%
t
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Equilibrio mutación – deriva
• En un modelo de alelos
infinitos (cada mutación
produce un alelo nuevo) se
puede llegar a un equilibrio,
en el que la heterozigosis (H)
se mantiene constante:
Ĥ =
4Ne µ
1 + 4Ne µ
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Migración
• Muchas poblaciones intercambian genes.
• Desde el punto de vista de la genética de poblaciones
la migración ocurre cuando hay una contribución
genética al acervo genético de la población recipiente
& flujo genético.
• Los efectos de la migración en una población son dos:
– La migración introduce nuevos alelos en la población, de
forma que es una fuente de variación genética.
– La migración tiende a homogenizar las poblaciones, de modo
que previene la acumulación de diferencias genéticas entre
ellas.
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Modelo continente–isla
• En este modelo básico la migración ocurre en una única
dirección.
• La tasa de migración (m) la podemos definir como el porcentaje
de individuos inmigrantes en la población receptora.
py’= mpx + (1–m) py
(p = m (px – py)
f(A) = px
f(A) = py
pyt – px= (py0 – px) (1 – m)t
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Otros modelos
• Existen otros modelos de migración
algo más reales, como el modelo
de isla y el modelo de pasarela
(“stepping-stone”).
• Los efectos de la migración tienen
importancia no sólo para le
evolución sino también para la
conservación de las especies, ya
que es una fuerza importante para
mantener la diversidad genética
dentro de las poblaciones.
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Subdivisión poblacional
• La subdivisión o estructura poblacional se produce
cuando hay un flujo genético restringido entre las
poblaciones.
• A menudo el nivel de subdivisión se cuantifica con el
estadístico FST
FST =
HT – HS
HT = 2! p q
HT
HS = 2pq
• FST varía de 0 (no subdivisión) a 1 (subdivisión total)
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Efecto Wahlund
• El efecto Wahlund se traduce como una desviación
del HWE por defecto de heterozigotos debido a la
subdivisión poblacional.
• Este efecto ocurre cuando se muestrea una población
subdividida, siempre y cuando las frecuencias alélicas
de las subpoblaciones sean diferentes.
• En este caso, aunque las subpoblaciones estén en
HWE, la muestra nos indicará que no hay HWE en la
población.
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Selección natural
• La adaptación es el proceso por el cual los caracteres
evolucionan adecuando a los organismos al medio
que los rodea; estos caracteres incrementan las
posibilidades de que un organismos sobreviva y/o se
reproduzca.
• La adaptación se produce fundamentalmente por
selección natural, que pueden definirse sencillamente
como la reproducción diferencial de los genotipos.
• Significa que algunos individuos con ciertos alelos
tienen más descendencia que otros, de forma que
estos alelos incrementan su frecuencia a lo largo del
tiempo.
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Melanismo industrial
• Polillas pimentadas (Biston
betularia) en Inglaterra.
• Antes de 1848 todas las polillas
presentan un color blanquecino
(forma típica).
• En 1848 se captura un individuo
de color oscuro (forma carbonaria).
• En 1900 en zonas industriales
90% carbonaria; en zonas rurales
0% carbonaria.
• => Selección natural (aves) contra
las formas mal camufladas en los
troncos de los árboles
Fig ura. Forma típica y carbon aria d e B iston betularia
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Eficacia biológica
• La eficacia biológica ()), es la habilidad reproductiva relativa de
un genotipo.
– A menudo se la asigna una eficacia de 1.0 al genotipo que produce
más descendencia, mientras que las eficacias de los otros genotipos
se asignan de forma relativa a ésta
• El coeficiente de selección (s = 1–)) es una medida de la
intensidad de la selección contra un genotipo.
A1A1
16
A1 A2
10
A2 A2
20
Número total de hijos
128
40
40
Número de hijos por adulto
128/16= 8
40/10=
Eficacia biológica ( )
8/8=
Coeficiente de selección (s)
1–1=
Número de adultos
reproductivos
1
0
4/8=
4
0.5
1–0.5=
0.5
40/20=
2/8=
2
0.25
1–0.25= 0.75
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Efectos de la selección
• Los efectos de la selección varían según a las
eficacias relativas de los genotipos y las
frecuencias alélicas:
– puede eliminar la variación (selección direccional)
o mantenerla (selección balanceadora)
– puede cambiar las frecuencias alélicas o
mantenerlas.
– puede producir divergencia entre poblaciones o
mantener la uniformidad.
• El efecto de la selección es predecible.
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Predicción de la selección
• La eficacia biológica media de la población es
! = p2)11 + 2pq)12 + q2)22
• Al cabo de una generación de selección:
p 2" 11 pq" 12
1
p! = f (A1 )! = f (A1 A1 )! + f (A1 A2 )! =
+
2
"
"
!p = p' - p
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33
Selección contra un carácter recesivo
!q =
-spq 2
1- sq 2
• La selección tiende a eliminar los
caracteres recesivos deletéreos.
• Se pasa de un cambio rápido a
uno lento, ya los alelos a a baja
frecuencia están en heterozigosis.
Fig ura. Selección contra un letal recesivo
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34
Otros modelos de dominancia
• Con otros modelos de
dominancia también se
puede predecir el
cambio de frecuencias
alélicas debidas a la
selección.
• La selección es
direccional con los
caracteres dominantes o
codominantes
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35
Ventaja del heterozigoto
• Cuando el heterozigoto es más eficaz que los dos homozigotos
(heterosis = sobredominancia = superioridad del heterozigoto)
se puede llegar a un equilibrio estable.
• Las frecuencias alélicas en las que se alcanza este equilibrio
depende tan sólo de los coeficientes de selección contra los
homozigotos.
p̂ =
saa
sAA + saa
q̂ =
sAA
sAA + saa
• En este caso la selección es balanceadora: mantiene la
variabilidad.
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36
Anemia falciforme
Fig ura. Anemia falciforme
• En las zonas sin malaria la
frecuencia del alelo Hb-S es muy
baja.
• En las zonas con malaria la
frecuencia del alelo Hb-S puede ser
bastante alta por sobredominancia.
• La sobredominancia mantiene este
polimorfismo.
Fig ura. Distrib ución d e la malaria y d el alelo Hb-S.
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37
Equilibrio mutación – selección
• La selección natural puede reducir la frecuencia de un alelo deletéreo
recesivo. Por otro lado, la mutación produce nuevos alelos y tiende a
incrementar su frecuencia => equilibrio selección – mutación.
• En el caso de selección contra el alelo deletéreo recesivo a:
q̂ =
µ
s
• µ = 10–6 ; s = 0.1, q = 0.0032. Así, la mayoría de los caracteres
deletéreos recesivos permanecerán en la población a bajas frecuencias.
• En el caso de selección contra el alelo deletéreo dominante A :
p̂ =
µ
s
• µ = 10–6 ; s = 0.1, q = 0.0001. Así, la mayoría de los caracteres
deletéreos dominantes son muy raros (no se pueden “esconder” en los
heterozigotos).
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38
Variación genética en espacio y
tiempo
Fig ura. Variación g eog ráfica en tres alelos d el locus LAP en Mytilus edulis.
• La estructura genética de las
poblaciones puede variar en el espacio
y en el tiempo.
• Cuando las frecuencias alélicas
cambian de forma sistemática a lo largo
de un transecto geográfico, hablamos
de una clina.
• En humanos, el 15% de la variación se
debe a diferencias entre poblaciones,
mientras que el 85% de las diferencias
se encuentran dentro de las poblaciones.
• Los patrones de variación son muy
relevantes para la conservación de las
poblaciones y especies.
Fig ura. Variación temp oral en el locus esterasa 4F en el ratón d e camp o Microtus och rogaster.
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39
Variación genética en poblaciones
naturales
• El estudio de la variación genética
de las poblaciones porque ésta
determina el potencial adaptativo, y
porque nos ofrece evidencias sobre
la importancia de los diferentes
procesos evolutivos.
• En la naturaleza existe una gran
variedad fenotípica, pero es difícil
de traducir en variabilidad genética,
ya que existe una influencia del
ambiente y la mayoría de los
caracteres son poligénicos.
Fig ura. Variación fenotíp ica en el caracol árb oreo cub ano.
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40
Alozimas
• Los alozimas permiten diferenciar
los individuos homocigotos (una
banda) de los heterocigotos (dos o
más bandas), de forma que estos
polimorfismos son codominantes.
• La variabilidad proteica es una
subestima de la variabilidad
genética.
• Las especies presentan bastante
variación proteica.
• Parte de esta variación es
mantenida por acción de la
selección natural, mientras que otra
parte es neutra.
Fig ura. Gel d e electroforesis
Fig ura. Gel d e electroforesis p ara la hemog lob ina-A
Fig ura. Variación g enética en alg unos g rup os d e p lantas y animales
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41
RFLPs
Fig ura. Diferencia en RFLP en d os ind ivid uos
Fig ura. P atrones d e restricción en cinco ratones
• Podemos caracterizar los patrones de restricción de
los individuos de una población para varios loci.
• Los RFLPs son codominantes.
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42
Microsatélites (STR) y minisatélites
(VNTRs)
Fig ura. Uso d e microsatélites o minisatélites
como marcad ores g enéticos
• En el ADN existen numerosas
regiones donde se encuentran
secuencias pequeñas repetidas en
tándem.
• Cuando la unidad de repetición
es de 2-4 pb., se denominan STR
(“short tándem repeats) o
microsatélites.
• Cuando la unidad de repetición
es de 10-70 pb., se denominan
VNTR (“variable number tándem
repeats”) o minisatélites.
• Son codominantes y
extremadamente polimórficos.
Fig ura. VNTR
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43
Polimorfismos de DNA amplificados
al azar (RAPDs)
Fig ura. RAP Ds.
• Los RAPDs utilizan cebadores
aleatorios para detectar
diferencias entre los
individuos por PCR como
presencia/ausencia de bandas.
• Suelen ser dominantes.
• Sencillos de genotipar.
• Permiten estudiar muchos loci.
• Pueden ser inconsistentes.
Fig ura. Gel d e RAP Ds.
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44
Polimorfismos de longitud de
fragmentos amplificados (AFLPs)
• Los AFLPs se detectan mediante la
amplificación aleatoria por PCR de fragmentos
genómicos de restricción, utilizando
adaptadores que actúan como cebadores.
• Los AFLPs permiten estudiar en potencia
muchísimos loci.
• Los patrones son más consistentes que con los
RAPDs.
• Se trata de un marcador dominante.
Fig ura. Gel d e AFLP s
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45
Polimorfismos nucleotídicos únicos
(SNPs)
• Los SNPs (“Single Nucleotide
Polymorphisms”) son
marcadores de cambios
únicos en el genoma.
• Se pueden obtener con
técnicas diferentes (de hecho
también con RFLPs o AFLPs).
• En el caso de humanos se ha
automatizado procesos que
permiten el genotipado
masivo de SNPs.
• Ahora son muy usados para
buscar genes y caracterizar
enfermedades.
Fig ura. Genotip ad o d e SNP
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46
Secuencias de DNA
0841r
0992r
3803r
4062r
3802r
ph2f
:
:
:
:
:
:
260
*
280
*
300
*
320
CCTTCAATTTTTATT-----------------------AGAGTTTTAGGAGAAATAAGTATGTG
CCTCCAATTTTTATTAGCTTGCCTACTCCTTTGGGCACAGAGTTTTAGGAGAAATAAGTATGTG
CCTCCAATTTTTATTAGCTTGCCTACTCCTTTGGGCACAGAGTTTTAGGAGAAATAAGTATGTG
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272
213
305
319
282
306
Fig ura. Alineamiento d e secuencias d e DNA
• La secuenciación nos permite obtener toda secuencia de
un fragmento de DNA determinado, para varios
individuos.
• En general se estudian pocas regiones, y el proceso es
costoso.
• Sin embargo nos proporciona la máxima información
“perfecta” sobre el fragmento de DNA bajo estudio.
Genética CC Mar 2004/5 • D. Posada, Universidad de Vigo
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Microvectores de expresión
Fig ura. Microrarray
• Los microvectores de
expresión
(“microarrays”)
cuantifican diferencias
en la expresión génica
en múltiples loci
simultáneamente.
• Técnica muy moderna y
todavía poco aplicada a
la genética de
poblaciones
Genética CC Mar 2004/5 • D. Posada, Universidad de Vigo
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Comparativa
Técnica
Nº loci
Nº alelos/locus
Herencia
Coste
Implementación
Alozimas
Medio
Medio
Codominante
Medio
Sencilla
RFLPs
Alto
Medio
Codominante
Barato
Intermedia
RAPDs
Muy alto
Bajo
Dominante
Barato
Sencilla
AFLPs
Muy alto
Bajo
Dominante
Medio
Intermedia
Microsatélites
Medio
Alto
Codominante
Caro
Complicada
Minisatélites
Medio/Alto
Alto
Codominante
Caro
Complicada
SNPs
Alto
Bajo
Codominante
Barato
Complicada
Secuenciación
Bajo
Medio
Codominante
Caro
Intermedia
Genética CC Mar 2004/5 • D. Posada, Universidad de Vigo
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