variabilidad genetica

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. Efectos 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).


De 6000 loci, 2000 serían polimórficos

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 una
serie completa de cromosomas
Causa: formación de gametos 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 gametos.
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.