Test de McDonald y Kreitman

POPULATION
GENOMICS
Antonio Barbadilla
Bioinformatics of Genetic Diversity Research
Genomics, Bioinformatics and Evolution group
Departament de Genètica i Microbiologia
Universitat Autònoma de Barcelona
•El paradigma poblacional.
•Medida de la variación genética y genómica
•Desequilibrio de ligamiento
•Visualización de la variación a lo largo del genoma
•Teoría neutralista
•Selección en el nivel molecular
•Test de selección
2
1
The golden
age of the
study of
genetic
variation
La diversidad genética intraespecífica
Genetic variation is
the cornerstone of
biological evolution
R. C. Lewontin
2
Evolución
Origen y
sustitución de
variantes
genéticas
AGAGTTCTG C TC G
A
AG
GG
TGTTCTGCGCG
3
Naturaleza variación genética
Evolución: origen y substitución de variantes genéticas
Polimorfismo
vs
mutación
Mutación
=
Individuo
Substitución
=
Población
La genética poblaciones
La problemática de la genética
de poblaciones es la
descripción y explicación de la
variación genética dentro y
entre poblaciones
Theodosious Dobzhansky
4
La medida de la variación genética
1
2
3
9
Population Genomics
Adh
Drosophila melanogaster
one-dimensional
10
5
SNPs
Distribución heterocigosidad Cromosoma 6 humano
(2001 Nature 409: 928-941)
HLA
Tipos de polimorfismos del DNA:
secuenciación
6
Medidas de la variabilidad
nucleotídica
• Si obtenemos una muestra de n secuencias
de una región dada del genoma de una
especie, podemos medir la variación
nucleotídica mediante dos estimadores:
• Proporción de sitios segregantes:
S = número de sitios segregantes/número
total de sitios.
• Diversidad nucleotídica o heterocigosis
esperada a nivel nucleotídico:
p = número promedio de diferencias por
sitio entre secuencias tomadas a pares.
Variabilidad nucleotídica en el gen
Rhodopsin 3 de Drosophila simulans
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12 13 14 15 16
T
T
C
C
C
6
C
C
T
T
T
6
T
C
C
C
C
4
A
T
C
C
C
7
C
A
C
C
C
4
C
C
C
C
T
4
T
C
C
C
C
4
C
T
T
T
T
4
C
C
C
T
T
6
T
C
T
C
T
6
C
T
T
T
T
4
G
G
T
G
G
4
G
G
G
A
G
4
T
T
C
C
C
6
T
T
T
T
C
4
A
T
A
T
A
6
Muestra = 5 secuencias. Tamaño = 500 nucleótidos.
Proporción de sitios segregantes: S = 16/500 = 0,0320
Diversidad nucleotídica: p = 79/(500 x 10) = 0,0158
7
8
Population Genomics
Adh
Drosophila melanogaster
one-dimensional
multi-dimensional
17
SNPs
Estructura multidimensional de la variabilidad genética en el
genoma humano
AGAGTTCTGCTCG
AGAGTTCTGCTCG
AGAGTTCTGCTCG
AGAGTTCTGCTCG
AGAGTTCTGCTCG
AGGGTTC
AT G C G C G
AG G GTTAT G C G C G
AG G GTTAT G C G C G
AG G GTTAT G C G C G
AG G GTTAT G C G C G
AG G GTTAT G C G C G
9
SNPs
Desequilibrio de ligamiento (D’ Lewontin)
B1
B2
Total
A1
p11 = p1q1 + D
p12 = p1q2 - D
p1
A2
p21 = p2q1 - D
p22 = p2q2 + D
p2
Total
q1
q2
1
DAB = pAB - pApB
D’ = D / Dmax
rAB = D2/ [pA(1-pA) pB(1-pB)]
SNPs
Desequilibrio de ligamiento
B1
B2
Total
A1
9
1
10
A2
2
4
6
Total
11
5
^p1 = n1. /2n = 10 / 16 = 0,625
q^ = n.1 /2n = 11 / 16 = 0,6875
16
1
D = 0,5625 – 0,625 x 0,6875 = 0,1328
10
SNPs
Estructura multidimensional de la variabilidad genética en el
genoma humano
Recombinación y
Desequilibrio de
ligamiento
DAB (t + 1) = (1 – c) DAB (t )
SNPs
Desequilibrio de ligamiento
Bloques de
ligamiento o
Tag SNPs
Distribución del DL a lo largo del gen de la lipasa lipotroteína
humana (LPL). 66 SNPs en apr. 10 kb de 142 cromosomas
11
Population Genomics
Adh
Drosophila melanogaster
one-dimensional
multi-dimensional
Population genetics studies have been based on
fragmentary and non-random samples of the
genome, providing a partial view, often biased, of
the population genetic processes
23
Data visualization:
The Population Drosophila Browser (PopDrowser)
12
La genética poblaciones: la explicación
Fundadores
Genética de
Poblaciones
Ronald Fisher
J. B. S. Haldane
S. Wright
Teoría Neutralista
Evolución Molecular
Motoo Kimura
Ley del equilibrio de Hardy-Weinberg:
Dada la variación genética existente en una población mendeliana en una generación t,
¿qué pasará con esta variación en las subsiguientes generaciones bajo ciertos supuestos
?
Considera como se relacionan las frecuencias alélicas y genotípicas
en una población mendeliana bajo una serie de supuestos ideales
•Generaciones discretas y no solapantes
•Apareamiento aleatorio
•Tamaño de población infinito
•No mutación, no migración entre poblaciones
•No diferencias en eficacia biológica (selectivas) entre los
distintos genotipos
•
•
La distribución de frecuencias genotípicas y
alélicas permanecen invariables en el tiempo.
La constancia o equilibro de las frecuencias se
debe al carácter conservativo y regular de la
transmisión mendeliana.
13
La ley de Hardy-Weinberg parte de una variación dada. No
explica
por qué existe
La teoría
neutralista de la
Teoría
neutralista
deesa
la variación.
evolución
molecular
evolución molecular de Kimura es una hipótesis mínima para dar
cuenta de la variación existente en las poblaciones.
Dos fuerzas determinan la evolución en el
nivel molecular:
La deriva genética aleatoria (determinada por
2N, el censo o tamaño efectivo de la población)
La tasa de generación de mutaciones neutras, 
Teoría neutralista de la evolución molecular
•Tasa de substitución k de mutaciones
neutras
k = 2N  1/(2N) = 
•Tiempo esperado hasta la fijación de una
nueva mutación es 4N generaciones
14
Dinámica de sustituciones de
mutaciones neutras
t  4N gen.
1

1
Frecuencia
Alélica
0
Tiempo
  1/
Reloj
molecular
Reloj molecular
Tiempo
1
2
3 4
5
Taxón
15
Teoría neutralista de
la evolución molecular
El polimorfismo es un
estado transitorio en el
proceso de fijación de
alelos neutros
Motoo Kimura
Dinámica de sustituciones de mutaciones
II: Mutaciones selectivamente ventajosas
II: Mutaciones selectivamente ventajosas
2
t  ln(2 N ) gen.
s
1

1
Frecuencia
Alélica
0
Tiempo
  4Nsμ
16
Teoría neutralista de la evolución
molecular
•El polimorfismo genético es transitorio (El polimorfismo es un
estado transitorio en el proceso de fijación de alelos neutros)
•Heterocigosidad en el equilibrio
H = /(1+ )   = 4N 
•Divergencia y polimorfismo se encuentran acoplados
•La selección es principalmente purificadora y muy
ocasionalmente direccional positiva
34
Teoría de la coalescencia:
la genealogía de los genes
Watterson, G. A. 1975; Kingman, J. F. C. 1980;
Tajima, F. 1989; Hudson, R. R. 1990.
Supuesto Básico: Todos los alelos de una población provienen de un ancestro común
Supuesto Básico: Todos los alelos de una muestra provienen de un ancestro común
Pasado
T(2)
Tiempo
T(3)
T(4)
T(5)
Presente
17
Test neutralismo
Test de Tajima (1989)
Si la teoría neutralista aplica a una serie de
secuencias, entonces
p =
d=π-Θ
Estadístico
de
Desviación, D
D sigue una distribución  con
media 0 y var. 1
D  0 no neutralismo
D < 0 Selec. Purificadora
D > 0 Selec. equilibradora
Test de McDonald y Kreitman
McDonald, J. H. Y M. Kreitman. 1991. Adaptative protein evolution at
the Adh locus in Drosophila. Nature 351: 652-654.
¿Es la evolución adaptativa responsable de la fijación de
diferencias entre las especies en los polimorfismos no
sinónimos?
•Hipótesis neutralista: En las mutaciones neutras
hay correlación entre divergencia y polimorfismo
•Hipótesis adaptativa: las fijaciones adaptativas
pueden dar lugar a un desacoplamiento entre
divergencia y polimorfismo
18
Test de McDonald y Kreitman (MKT)
McDonald, J. H. Y M. Kreitman. 1991. Adaptative protein evolution at
the Adh locus in Drosophila. Nature 351: 652-654.
MKT compares the amount of variation within a species to the
divergence between species at two types of sites, one of which
is putatively neutral and used as the reference to detect
selection at the other type of site.
Example: sites synonymous (putatively neutral) and nonsynonymous sites in a coding region.
Test de McDonald y Kreitman
•Hipótesis nula: la proporción de mutaciones
sinónimas y no sinónimas es la misma tanto
para las variantes fijadas como para las
polimórficas
Di /D0 > Pi /P0
Di /D0 < Pi /P0
19
Test de McDonald y Kreitman
•Hipótesis nula: la proporción de mutaciones
sinónimas y no sinónimas es la misma tanto
para las variantes fijadas como para las
polimórficas
•Test de G o 2: las mutaciones se clasifican
bien en (1) fijadas, o polimórficas; o bien (2)
sinónimas o no sinónimas)
El gen Adh de Drosophila
Kreitman, M. 1983. melanogaster
Nucleotide polymorphism at the alcohol
dehydrogenase locus of Drosophila melanogaster. Nature 304:
412-417.
Exón 1
Exón 2
Exón 3
Exón 4
3’
5’
Estructura del gen Adh (256 codones)
•13 polimorfismos sinónimos (Se
espera 1/4 mutaciones en región
codificante sean sinónimas)
•1 polimorfismo no sinónimo
20
Test de McDonald y Kreitman
Polimorfismo y divergencia en locus Adh de especies próximas
Drosophila melanogaster, simulans y yakuba
Fijada
Polimórfica
No sinónima
7 (3,2)
2 (5,8)
Sinónima
17 (20,8)
42 (38,2)
2
G = 7,43 ó X = 8,1
Efecto de la recombinación local sobre
la variación genética
Begun, D. J. Y C. F. Aquadro. 1992. Levels of naturally ocurring DNA
polymorphism correlate with recombination rates in D. melanogaster.
Nature 356: 519-520.
Diversidad nucleotídica
20 genes de Drosophila melanogaster
Coeficiente de intercambio
21
Double cost of sex (Maynard-Smith 1978)
Recombination and HillRobertson effect (1966)
Advantage of sex (Crow & Kimura 1965)
Teoría de la coalescencia:
la genealogía de los genes
Watterson, G. A. 1975; Kingman, J. F. C. 1980;
Tajima, F. 1989; Hudson, R. R. 1990.
Supuesto Básico: Todos los alelos de una población provienen de un ancestro común
Supuesto Básico: Todos los alelos de una muestra provienen de un ancestro común
Pasado
T(2)
Tiempo
T(3)
T(4)
T(5)
Presente
22
http://bioinformatica.uab.es/divulgacio/animaciones/coalescencia.swf
Genealogía de alelos
Direcciónes útiles
•SNPs, CNVs, and SNP chip (basic definitions, nucleotide
diversity measures and linkage disequilibrium)
•PDA (Pipeline diversity analysis) (Servicio Web para la
estimación de la variación nucleotídica para cualquier taxón y
gene)
•DnaSP software (software más utilizado para la estimación
de la variación nucleotídica)
•PopDrowser (navegador de genómica de poblaciones)
23