Tema 4. Genética y evolución. Variabilidad genética Fuentes de variación en la población: 1. Diferencias en el genotipo: en el ADN, son heredables. 2. Diferencias en el ambiente: afectadas por condiciones ambientales actuales o recientes y pueden cambiar o persistir a lo largo de la vida del organismo. 3. Effectos maternos: determinados por el estado fisiológico y comportamiento de la madre durante la gestación y/o crianza.

Variabilidad genética: polimorfismos Polimorfismo genético: presencia de dos o más fenotipos (= alelos) en una población.

Harmonia axyridis: 15 alelos determinan el color de los élitros

Variabilidad genética: polimorfismos Polimorfismo genético: presencia de dos o más fenotipos (= alelos) en una población.

Harmonia axyridis: 15 alelos determinan el color de los élitros

Theodosius Dobzhansky mostró en Drosophila pseudoobscura que el 10% de los cromosomas son letales en homocigosis → Casi toda mosca silvestre lleva al menos un alelo que es letal en homocigosis. Los polimorfismos con alelos letales son también comunes en humanos. Promedio 3-5 alelos letales/persona (Morton, Crow y Muller 1956)

Demuestra una enorme variabilidad genética en poblaciones naturales

Variabilidad genética: polimorfismos Polimorfismo genético: presencia de dos o más fenotipos (= alelos) en una población.

Harmonia axyridis: 15 alelos determinan el color de los élitros

D. pseudoobscura: 1/3 de los loci son polimórficos y muchos alelos se encuentran en alta frecuencia (Lewontin, Hubby). 

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De 6000 loci, 2000 serían polimórficos

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Lo mismo se da en poblaciones humanas (Harris)

Variabilidad genética: polimorfismos Polimorfismo genético: presencia de dos o más fenotipos (= alelos) en una población.

Harmonia axyridis: 15 alelos determinan el color de los élitros

Variabilidad genética: polimorfismos Polimorfismo genético: presencia de dos o más fenotipos (= alelos) en una población.

Harmonia axyridis: 15 alelos determinan el color de los élitros

Cada individuo en una población con reproducción sexual es genéticamente único → 3000 loci polimórficos (dos alelos) → ¡33000 posibles genotipos! 

Las poblaciones son mucho más diversas de lo que se pensaba No puede haber evolución sin variabilidad genética

Origen de la variabilidad genética: mutaciones Mutación: alteración en la secuencia de ADN

Harmonia axyridis: 15 alelos determinan el color de los élitros

Vieja definición: un cambio en morfología, supervivencia , comportamiento, o alguna otra caracterísca heredada (fenotipo)  Nueva definición: un cambio en la secuencia de ADN 

Sólo nos incumbe si la mutación es heredable

Tipos de mutaciones: 1. Mutaciones puntuales 1. Descripción: Sustitución de una base de ADN a. de reemplazo (no sinónimas) b. silenciosas (sinónimas)

Tipos de mutaciones: 1. Mutaciones puntuales 1. Sustitución de una base de ADN a. de reemplazo (no sinónimas) b. silenciosas (sinónimas) Ejemplo: La primera mutación descripta a nivel molecular: anemia falciforme

Tipos de mutaciones: 1. Mutaciones puntuales 1. Sustitución de una base de ADN a. de reemplazo (no sinónimas) b. silenciosas (sinónimas) 2. Cambio de marco por inserción o eliminación Causas: a. errores azarosos en la síntesis de ADN b. errores al reparar daños en el ADN por radiación de alta frecuencia, o químicos mutagénicos Significancia: Crean nuevos alelos

Tipos de mutaciones: 2. Mutaciones en el cromosoma 1. Inversión: Una sección del cromosoma se da vuelta Significancia: posible efecto de nuevos genes reguladores o promotores 2. Entrecruzamiento intragénico Signficancia: el gen queda inactivo 3. Entrecruzamiento en sitios nohomólogos Significancia: Se duplica el gen. La segunda copia del gen es libre de mutar y puede ganar una nueva función

Tipos de mutaciones: 2. Mutaciones en el cromosoma 4. Translocación: dos cromosomas nohomólogos intercambian segmentos Significancia: gametas no viables, o apareamiento de cromosomas homólogos muy complejo. Posiblemente origen de nuevas especies.

Tipos de mutaciones: 2. Mutaciones en el cromosoma 4. Translocación: dos cromosomas nohomólogos intercambian segmentos Significancia: gametas no viables, o apareamiento de cromosomas homólogos muy complejo. Posiblemente origen de nuevas especies. 5. Fisión y fusión: dos cromosomas no homólogos se unen o uno se divide Significancia: Polimorfismos Posiblemente origen de nuevas especies.

Tipos de mutaciones: 3. Poliploidía 1. Se agrega al genoma un set completo de cromosomas Causa: formación de gametas sin reducción del número de cromosomas Significancia: puede formarse una nueva especie por aislamiento reproductivo del poliploide

Hyla versicolor or H. chrysoscelis

Origen de la variabilidad genética: fuentes externas a la población 1. Hibridización: Cruza entre especies A y B relacionadas pueden dar descendencia fértil H. Cruza entre H y A introduce alelos de B en las poblaciones de A.

Origen de la variabilidad genética: fuentes externas a la población 2. Transferencia horizontal de genes: material genético idéntico se encuentra en especies no emparentadas → virogenes en genomas de vertebrados

3. Simbiosis: Líquenes (algas con hongos); algas endosimbiontes de corales; virus y plásmidos con bacterias; mitocondrias y chloroplastos con células eucariotas.

Tasa de mutación e implicancias evolutivas La tasa es baja, aprox. 10-5 mutaciones por locus → cambios en frecuencia de alelos (evolución de una población) sólo por mutación es poco probable. Pero si el número de genes es alto, aprox. 150.000 en humanos, entonces 10-5 X 105 = 1 mutación por genoma haploide en humanos Entonces, en una población de 500.000 habitantes habrá un millón de nuevas mutaciones cada generación. Mínima fracción favorable → materia prima para adaptación Ayuda a explicar la gran variabilidad genética en poblaciones naturales

Efectos en el fenotipo Varía de nulo a drástico: mutaciones sinónimas; número de pelos en el cuerpo, color de ojos, frecuencia de batido de alas (Drosophila), tamaño de alas o extremidades, mutaciones en genes que afectan desarrollo embriológico (homeóticos).

Limitaciones del efecto de mutaciones Afectan estructuras y procesos ya existentes. Si la base embriológica no existe, la estructura no puede formarse. Esto implica que algunas innovaciones fenotípicas son más probables de evolucionar que otras

Limitaciones del efecto de mutaciones. Ejemplos.

http://geneura.ugr.es/~jmerelo/atalaya/print.cgi? id=/historias/31954&nombre=javarm

Culex pipiens: resistencia a organofosfatos por sobreproducción de una enzima. Secuencia idéntica en Paquistán, Egipto, Congo, Costa de Marfil, California y Texas. Smith y Fonseca 2004, Am J Trop Med Hyg

Una mutación se ha esparcido por migración a pesar de que millones de mosquitos están expuestos a selección para adquirir resistencia

Limitaciones del efecto de mutaciones. Ejemplos. 225 millones de casos de malaria; mueren 781.000 personas. Presente en mas de 100 países en todos los continentes Anemia falciforme: enfermedad de la sangre que, en heterocigosis otorga resistencia a la malaria Sólo se encuentra en África. En Papúa Nueva Guinea, donde se encuentran todas la variedades existentes de malaria en alta frecuencia, la mutación no ha surgido

Limitaciones del efecto de mutaciones. Ejemplos. El “pulgar” del panda: no es un verdadero dedo sino una extensión del hueso sesamoide que le permite sostener el bambú. Una solución “ideal” hubiera sido un pulgar oponible. Las mutaciones (y la selección natural) no inventan soluciones ideales.

Mutaciones como proceso al azar Al azar: Las mutaciones suceden al azar porque no hay nada que las “dirija” hacia un fenotipo u otro. No al azar: Pero hay mutaciones que son mucho más probable que sucedan que otras. Ej. son más comunes las transiciones que las transversiones; es más común la pérdida de una función que su recuperación

Ventajas evolutivas de la reproducción sexual Reproducción sexual: Unión (singamia) de dos genomas seguido por la reducción al número original de cromosomas en gametas. Reproducción asexual: la descendencia surge de la propagación de un grupo de células o de una célula no fecundada (partenogénesis). La meiosis no se produce y la descendencia es idéntica genéticamente a la madre.

Desventajas evolutivas de la reproducción sexual 1. La recombinación destruye combinaciones de genes adaptativas. 2. El sexo es costoso, peligroso y complicado. 3. El sexo requiere más de un individuo: una hembra partenogénica produce el doble de descendencia que una hembra con reproducción sexual. Los individuos asexuales son doblemente ventajosos sobre los sexuales

Hipótesis de las ventajas evolutivas del sexo Pero muchos organismos alternan reproducción sexual y asexual Recombinación 1. Beneficio inmediato La recombinación facilita la reparación de daños del ADN → la creación de nuevas combinaciones es un producto secundario de del mecanismo molecular de reparación. 2. Variación y selección La recombinación disminuye el desequilibrio de ligamiento: aumenta la frecuencia de combinaciones raras

Evolución y desarrollo: campo creciente llamado evo-devo Grandes eventos en la historia de la vida:  Primera célula  Organismos multicelulares  Aparición de cuerpos segmentados  Colonización de la tierra  Animales: origen de las patas  Plantas: origen de flores y semillas semillas  Colonización del aire  origen de las alas

Evolución y desarrollo: campo creciente llamado evo-devo Grandes eventos en la historia de la vida:  Primera célula  Organismos multicelulares  Aparición de cuerpos segmentados  Colonización de la tierra  Animales: origen de las patas  Plantas: origen de flores y semillas semillas  Colonización del aire  origen de las alas

Evolución y desarrollo: campo creciente llamado evo-devo Grandes eventos en la historia de la vida:  Primera célula  Organismos multicelulares  Aparición de cuerpos segmentados  Colonización de la tierra  Animales: origen de las patas  Plantas: origen de flores y semillas semillas  Colonización del aire  origen de las alas

Evolución y desarrollo: campo creciente llamado evo-devo Grandes eventos en la historia de la vida:  Primera célula  Organismos multicelulares  Aparición de cuerpos segmentados  Colonización de la tierra  Animales: origen de las patas  Plantas: origen de flores y semillas semillas  Colonización del aire  origen de las alas ¿Cómo se dan esos cambios? ¿Mecanismos?

¿Qué cambios genéticos fueron responsables de estas innovaciones morfológicas clave?

Embrión en desarrollo. Cada célula recibe señales diferentes

La célula produce factores de transcripción que activan o desactivan otros genes

Cascada de productosseñalesproductos

Embrión en desarrollo. Cada célula recibe señales diferentes

La célula produce factores de transcripción que activan o desactivan otros genes

Cascada de productosseñalesproductos

Las células expresan distintas partes del genoma y se diferencian

Genes homeóticos y diversificación Cuatro dimensiones de desarrollo:

+ Tiempo

Cada célula debe conocer dónde está en sus cuatro dimensiones

Genes homeóticos: Hox – vertebrados HOM – invertebrados MADS-box – plantas

Genes homeóticos y diversificación Indican a las células dónde están en estas 4 dimensiones y no la estructura específica que deben producir

+ Tiempo

Genes homeóticos y diversificación Los genes homeóticos Hox tienen tres características 1. Ocurren en grupos. Probablemente originados por duplicación de genes 2. Colinearidad espacial, temporal, y cuantitativa. Perfecta correlación en el orden 3'-5' en el cromosoma con la ubicación anterio-posterior del embrión. Los genes cercanos al extremo 3' se expresan en la región de la cabeza, más temprano en el desarrollo, y en mayor cantidad 3. Presencia de homeobox. 180 pb que codifican un sector de la proteína que hace que se pegue al ADN → genes reguladores de la transcripción

Patas de los tetrápodos Estructura que existió hace 375 m.a. → la similitud responde a la homología de genes en el desarrollo de esta estructura (homología profunda)

Tiktaalik roseae - 375 m.a.

Patas de los tetrápodos Ancestro de tetrápodos Pez de aletas lobuladas

¿Qué cambios genéticos y embrionarios son responsables de estas diferencias?

Entendamos cómo se desarrollan las patas... Dorsal Borde ectodérmico apical (AER)

Zona de progreso

Primordio

AER

Ventral

Zona de actividad polarizante (ZPA)

Entendamos cómo se desarrollan las patas... Dorsal Borde ectodérmico apical (AER) Primordio

Zona de progreso

Eje proximal-distal FGF 4 y 8

AER

Ventral

Zona de actividad polarizante (ZPA) Eje dorsal-ventral Wnt7a

Eje antero-posterior producto del gen shh

Entendamos cómo se desarrollan las patas...

Entendamos cómo se desarrollan las patas...

Cambios en el momento y localización de la expresión de genes ssh y Hox produjeron los cambios evolutivos en patas de tetrápodos

Entendamos cómo se desarrollan las patas... Dos conclusiones: 1. Patas de tetrápodos → Genes y vías embriológicas homólogas 2. Cambios en el tiempo, localización y nivel de expresión → cambios evolutivos en las patas de tetrápodos

Embrión en desarrollo. Cada célula recibe señales diferentes

La célula produce factores de transcripción que activan o desactivan otros genes

Cascada de productosseñalesproductos

Las células expresan distintas partes del genoma y se diferencian

Embrión en desarrollo. Cada célula recibe señales diferentes

La célula produce factores de transcripción que activan o desactivan otros genes

Los grandes cambios en la historia evolutiva de los organismos fueron Cascada de causados por mutaciones que productoscambiaron secuencias y vías del señalesproductos desarrollo embriológico

Las células expresan distintas partes del genoma y se diferencian

Embrión en desarrollo. Cada célula recibe señales diferentes

La célula produce factores de transcripción que activan o desactivan otros genes

Los grandes cambios en la historia evolutiva de los organismos fueron Cascada de causados por mutaciones que productoscambiaron secuencias y vías del señalesproductos desarrollo embriológico Una vez que surge una via de desarollo embriológico para una estructura particular, se elabora y modifica a través de la evolución y produce diferentes Las células fenotipos expresan distintas partes del genoma y se diferencian

Epigenética Estudio de cambios heredables en la expresión de los genes causados por mecanismos diferentes al cambio en la secuencia de ADN en sí. Por ejemplo, la metilación del ADN o desacetilación de histonas sirven para silenciar genes sin cambiar la secuencia de ADN de esos genes. Pueden persistir entre generaciones de células → factores no-genéticos causan a los genes a expresarse de manera diferente.