Universidad Nacional de La Plata Facultad de Ciencias Naturales y Museo ANTROPOLOGÍA BIOLÓGICA III Profesor Titular: Dr. Gustavo Barrientos Profesor Adjunto: Dr. Claudio Bravi Jefa de Trabajos Prácticos: Dra. Gisel Padula Ayudantes Diplomadas: Dra. Egle Villegas y Lic. Elina Francisco Ciclo Lectivo 2011 Microevolución § La microevolución es la ocurrencia de cambios a pequeña escala en las frecuencias alélicas de una población, a lo largo de unas pocas generaciones. También se conoce como cambio a nivel intraespecífico. § Estos cambios pueden deberse a varios procesos: mutación, selección natural, flujo génico y deriva génica. § La genética de poblaciones es la rama de la biología que proporciona la estructura matemática para el estudio de los procesos de la microevolución. Ley de Equilibrio de Hardy-Weinberg 1) Las frecuencias alélicas en un locus autosómico no cambian de una generación a la siguiente (equilibrio de las frecuencias alélicas). 2) Las frecuencias genotípicas están determinadas de una manera predecible por las frecuencias génicas o alélicas (equilibrio de las frecuencias genotípicas). 3) El equilibrio es neutro. Si se perturba la población, el equilibrio se reestablecerá en una sola generación de apareamiento al azar. Supuestos del Equilibrio de Hardy-Weinberg v la población es infinitamente grande y se aparea al azar (población panmíctica). v no existe selección (cada genotipo puede sobrevivir al igual que el otro, no hay mortalidad diferencial y cada genotipo es capaz de producir progenie). v la población es cerrada, no hay migración ni emigración. v no existe mutación. v existe meiosis normal, el azar es el único factor operativo en la gametogénesis. Agentes Microevolutivos Procesos sistemáticos (se puede predecir la magnitud y la dirección de los cambios en las frecuencias alélicas que introducen en poblaciones mendelianas): v v v Mutación Flujo Génico Selección Procesos dispersivos (su acción magnitud, pero no en dirección): v v Deriva génica Endogamia o consanguinidad es predecible en Efectos de los Agentes Microevolutivos sobre la Variación Genética puede reducirla la aumenta la reduce puede aumentarla Genoma (Winkler 1920) [Gr. “gen” (origen) y “oma” (conjunto completo de unidades); ver Lederberg y McCray 2001]: Conjunto conformado por la totalidad de los genes y por el resto del ADN estructural localizado en el núcleo de una célula. Secuencias del Genoma Humano (≈ 3.000 Mpb): - genes y secuencias relacionadas: 20-30% - secuencias no codificantes (pseudogenes, intrones, fragmentos): >90 % - secuencias codificantes (<10 %) ≈ 1,5 % del total - ADN extragénico: 70-80 % - secuencias moderadas a altamente repetitivas: 20-30 % - secuencias únicas: 70-80 % Secuencias del Genoma Humano Winter et al., 2002 MUTACIONES Mutaciones Fuentes de Datos Observación, Crianza Mutaciones Fuentes de Datos xeroderma pigmentoso Observación Clínica Mutaciones Fuentes de Datos Thomas Hunt Morgan (1866-1945) Drosophila melanogaster Experimentación Secuencia Histórica en el Estudio de las Mutaciones fenotipo cromosomas ADN Mutaciones Nivel cromosómico Nivel molecular Mutaciones a Nivel Molecular v Una mutación puede definirse como una falla en la fidelidad de almacenamiento de la información genética. v Los cambios en la información genética pueden reflejarse en la expresión de esa información (i.e. en las proteínas producidas). En otras palabras, las mutaciones dan cuenta de la variabilidad en la información genética. Errores y Daños del ADN vs. Mutaciones v La cantidad de células del cuerpo humano es de aproximadamente cincuenta billones (i.e. 50 x 1012). vSe calcula que, mediante cambios térmicos, una célula humana acumula por día la pérdida de unas 5000 bases púricas (adenina y guanina). v Análogamente, se estima en 100 los cambios producidos por día mediante la desaminación de la citosina al uracilo. v La acción de la luz ultravioleta del sol puede favorecer la formación de dímeros de timina. v Este elevado número de cambios, producidos en el genoma de las células, necesita de un sistema de reparación que brinde la estabilidad necesaria para que la célula pueda cumplir con sus procesos vitales. v Hoy se sabe que menos del 1‰ de estos cambios accidentales de las bases del ADN provoca una mutación; el resto son eliminados, con una eficacia altísima, mediante el proceso de reparación del ADN. Mutaciones Somáticas y Gaméticas v Las consecuencias de una mutación dependen del lugar en donde ocurren. Algunas mutaciones ocurren en células del cuerpo; estas se denominan mutaciones somáticas. v Algunas mutaciones ocurre, en cambio, en células germinales que producen a las gametas. Éstas se denominan mutaciones gaméticas y son las que tienen importancia evolutiva. Mutaciones Espontáneas e Inducidas v Algunas mutaciones surgen como errores naturales durante la replicación del ADN, o como resultado de reacciones bioquímicas desconocidas. Estas mutaciones se denominan espontáneas. v Las mutaciones pueden también ser causadas por agentes ambientales, denominándose en ese caso inducidas. v Ambos tipos de mutación sólo pueden ser diferenciadas mediante la estimación de la tasa de ocurrencia dentro de una población y su comparación con la tasa estimada para la especie. Cuando es significativamente mayor, puede inferirse su carácter inducido. v Los factores ambientales que causan un incremento en la tasa de mutación se denominan agentes mutagénicos. Agentes Mutagénicos Son aquellos factores del ambiente que producen mutaciones, tales como: v radiaciones electromagnéticas: a) radiaciones ionizantes (rayos X, partículas alfa, beta y gamma de fuentes radiactivas como el radio, uranio, cobalto, rayos cósmicos que aumentan con la disminución de la capa de ozono); b) radiación ultavioleta (UV). v agentes físicos: choques térmicos, ultrasonidos de altísima energía, centrifugación masiva. v agetes químicos: análogos de bases de ácidos nucleicos, ácido nitroso, agentes alquilantes como el gas mostaza, colorantes de acridina (proflavina, acridina), carcinógenos (benzopireno), sulfato de cobre, ácido bórico, ácido fórmico, colchicina, uretano, drogas como el L.S.D., nicotina, edulcorantes como el ciclamato, peróxidos como el agua oxigenada. v agentes biológicos: virus, bacterias, anthrax. Radiación Electromagnética La radiación electromagnética es una combinación de campos eléctricos y magnéticos oscilantes, que se propagan a través del espacio transportando energía de un lugar a otro. no ionizante ionizante Radiaciones No Ionizantes y Ionizantes v Se entiende por radiación no ionizante aquella onda o partícula que no es capaz de arrancar electrones de la materia que ilumina produciendo, como mucho, excitaciones electrónicas. atendiendo a la frecuencia de la radiación serán radiaciones no ionizantes las frecuencias comprendidas entre las frecuencias bajas o radio frecuencias y el ultravioleta, aproximadamente. v Radiaciones ionizantes (rayos X y rayos gamma), son aquellas radiaciones con energía suficiente para ionizar la materia, extrayendo los electrones de sus estados ligados al átomo. Las radiaciones ionizantes pueden provenir de sustancias radiactivas, que emiten dichas radiaciones de forma espontánea, ó de generadores artificiales, tales como los generadores de rayos X y los aceleradores de partículas. Acción Biológica de la Radiación Ionizante Clasificación de las Mutaciones por sus Efectos v Neutrales v Deletéreas v Ventajosas Efectos de la Mutación Cambio en un rasgo morfológico (v.g. variaciones en tamaño o forma). v Variación nutricional o bioquímica (v.g. síntesis de algún aminoácido por supresión o inactivación enzimática). v Cambio en el comportamiento (v.g. comportamiento de apareamiento en Drosophila). v Cambios en la regulación de la actividad génica (v.g. a través de la inactivación de un gen que codifica un factor de transcripción). v v Letalidad (v.g. alelo de Huntington en humanos). Tipos de Mutaciones (a)AAGGCAAACCTACTGGTCTTATGT secuencia original (b) AAGGCAAATCTACTGGTCTTATGT transición (c) AAGGCAAACCTACTGCTCTTATGT transversión deleción (ACCTA) (d) AAGGCAAvCTGGTCTTATGT deleción de ACCTA inserción (AAAGC) (e) AAGGCAAACCTACTvAAAGCvGGTCTTATGT inserción de AAAGC Mutaciones Puntuales (point mutations) A) Sinónimo (synonymous) Ile Cys Ile Lys Ala Leu Val Leu Leu Thr secuencia de aminoácidos ATA TGT ATA AAG GCA CTG GTC CTG TTA ACA secuencia de ADN ATA TGT ATA AAG GCA CTG GTA CTG TTA ACA substitución de base Ile Cys Ile Lys Ala Leu Val Leu Leu Thr aminoácico sinónimo B) Errónea (missense) Ile Cys Ile Lys Ala Asn Val Leu Leu Thr secuencia de aminoácidos ATA TGT ATA AAG GCA AAC GTC CTG TTA ACA secuencia de ADN ATA TGT ATA AAG GCA AAC TTC CTG TTA ACA substitución de base Ile Cys Ile Lys Ala Asn Phe Leu Leu Thr aminoácico con pérdida de sentido C) Sin Sentido (nonsense) Ile Cys Ile Lys Ala Asn Val Leu Leu Thr ATA TGT ATA AAG GCA AAC GTC CTG TTA ACA ATA TGT ATA TAG GCA AAC GTC CTG TTA ACA Ile Cys Ile Ter codón de paro finalización del polipéptido Código Genético El código genético es el conjunto de normas por las que la información codificada en el material genético (secuencias de ADN o ARN) se traduce en proteínas (secuencias de aminoácidos) en las células vivas. El código define la relación entre 61 secuencias de tres nucleótidos, llamadas codones y 20 aminoácidos. Las tres secuencias de tres nucleótidos restantes corresponden a órdenes de fin de secuencia. Causas de Mutaciones Puntuales v Las sustituciones de bases en el ADN se dan de forma tal que fluctuaciones espontáneas raras pero naturales en las uniones entre bases pueden ocurrir. Estas fluctuaciones pueden afectar en forma breve al modo en que las bases forman los puentes de hidrógeno. Por ejemplo, cuando sufre un cambio tautomérico, la citosina puede formar una unión con la adenina. Por ello, cuando el cambio tautomérico ocurre durante la replicación, el nucleótico erróneo puede insertarse en el nuevo ADN sintetizado. Citosina (forma ceto) Timina (forma enol) Timina (forma amina) Citosina (forma imino) Normales Tautómeros Causas de Mutaciones Puntuales v Las sustituciones de bases pueden también ser causadas por modificaciones químicas de las bases. Un tipo de modificación de esta naturaleza es causada por los agentes alquilantes (genotóxicos), tales como el etilmetanoulfonato y el metilmetanosulfonato. Estos agentes donan a las bases grupos alquilos (grupos metil y etil), afectando sus propiedades de unión. Por ejemplo, cuando la guanina se alquila, produciendo 7etilguanina, se une a la timina. Anemia Falciforme o “Sickle Cell” Anemia v Forma falciforme de los rojos. glóbulos v El Ácido Glutámico es reemplazado por Valina debido a una sustitución de bases. Normal Mutación ADN ARNm GAG CTC GTG CUC ARNt GAG GUG Polipéptido aa1…….Glu……….. aa146 aa1..…..Val…….. aa146 Mutaciones por Cambio en el Marco de Lectura (frameshift mutations) A) Deleción Lys Ala Leu Val Leu Leu Thr Ile Cys Ile Ter AAG GCA CTG GTC CTG TTA ACA ATA TGT ATA TAA TACCATCGCAATAGGG AAG GCA CTG vTCC TGT TAA CAATATGTATATAATACCATCGCAATAGGG Lys Ala Leu Phe Cys Ter B) Inserción Lys Ala Asn Val Leu Leu Thr Ile Cys Ile Ter AAG GCA AAC GTC CTG TTA ACA ATA TGT ATA TAA TACCATCGCAATAGGG AAG GCA AACvGvGT CCT GTT AAC AAT ATG TAT ATA ATA CCA TCG CAA AGT Lys Ala Asn Gly Pro Val Asn Asn Met Tyr Ile Ile Pro Ser Gln Ter Causas de Mutaciones por Cambios en el Marco de Lectura v Estas mutaciones pueden ser causadas por agentes intercalantes, que son sustancias químicas que se insertan entre pares de bases adyacentes. La intercalación ocasiona cambios en la conformación de la doble hélice, de modo tal que cuando ocurre la replicación, la conformación aberrante causa pequeñas deleciones o inserciones en el nuevo ADN tras la síntesis. agente intercalante Causas de Mutaciones por Cambios en el Marco de Lectura v La radiación también es capaz de inducir mutaciones en el ADN. La radiación ionizante, tales como los rayos gama y los X, dependiendo de la energía de la radiación, pueden crear radicales libres que resultan en diferentes tipos de problemas en la estructura del ADN. v La radiación ultavioleta (no ionizante), también puede causar mutaciones. Su efecto es la formación de dímeros de pirimidinas (T:T, C:C, T:C) adyacentes en una cadena de ADN. La radiación UV puede promover la formación de una unión covalente entre las dos pirimidinas, afectando sus propiedades de apareamiento, e interrumpiendo el proceso de replicación del ADN. Es la causa principal de cáncer de piel. dímero de timina Dímero de Timina Xeroderma Pigmentoso Afección cutánea rara (≈1:1.000.000-1:100.000) de origen genético, con un patrón de herencia autosómico recesivo, caracterizada por una extrema sensibilidad a la radiación ultravioleta, como la luz del sol. Las personas con xeroderma pigmentoso no pueden curarse del daño de la piel causado por el sol u otras fuentes de radiación ultravioleta y tienen mucho riesgo de padecer alteraciones cutáneas, oculares y sistémicas, incluyendo carcinomas, a edad temprana (primera y segunda décadas de vida). También se llama xeroderma de Kaposi y melanosis lenticular progresiva. Frecuencias de Mutación Es la frecuencia con la que un tipo concreto de mutación se encuentra en una población de células o individuos. v muy frecuentes: 10-1 - 10-3 v frecuentes: 10-4 - 10-7 v detectables: 10-8 - 10-9 Mutaciones Reversibles v La espontaneidad de muchas mutaciones sugiere que su carácter es aleatorio. Las mutaciones no surgen como respuesta a estímulos ambientales específicos; por ejemplo, las bacterias no mutan para convertirse en resistentes a un determinado antibiótico, la mutación ocurre con independencia de las condiciones de selección (i.e. presencia del antibiótico). v Las mutaciones pueden ser reversibles. Si una mutación sólo ocurre una vez en un gen, existe una muy pequeña probabilidad que la base mutada pueda volver a mutar a su forma original. En forma alternativa, existen casos en los cuales una mutación ocurrida en otro gen hace que el fenotipo de un organismo adopte la apariencia original o silveste. Este tipo de mutación se denomina supresora. Tasa de Mutación pn = (1-µ)n po donde pn es la frecuencia del alelo dominante en la generación n µ es la tasa con la que “A” muta a “a” po es la frecuencia de A en la generación inicial y n es el número de generaciones implicado. Tasa de Mutación v Es una medida de la tendencia básica de un gen a mutar. Representa el número de eventos de mutación por gen, gameta u organismo por unidad de tiempo. v La tasa de mutación espontánea varía. Los genes grandes constituyen un blanco de mayor tamaño para las mutaciones, por lo que tienden a mutar más frecuentemente. Datos provenientes de numerosos estudios muestran que los organismos eukariotas exhiben en general una tasa de mutación espontánea de 2-12 x 10-6 mutaciones por gameta por gen. v Dado que el genoma humano contiene entre 30.000 y 25.000 genes, podemos esperar que 1-3 gametas contengan una mutación en algún gen. v La tasa efectiva de mutación en el genoma humano está estimada en al menos 4,2 mutaciones por generación, de las cuales son deletéreas entre 1,6 y 3 mutaciones por persona por generación (Eyre-Walker y Keightley, 1999). http://archive.uwcm.ac.uk/uwcm/mg/hgmd0.html Ectonucleotide pyrophosphatase/phosphodiesterase 1 Gene symbol : ENPP1 Location : 6q Mutations in this gene were first reported in 1999 Pizzuti (1999) Diabetes 48, 1881 Number of entries by mutation type Click on the respective mutation type to view detailed information about the mutations as logged in HGMD. Total number of mutations Mutation type Nucleotide substitutions (missense / nonsense) 1 Nucleotide substitutions (splicing) 0 Nucleotide substitutions (regulatory) 0 Small deletions 0 Small insertions 0 Small indels 0 Gross deletions 0 Gross insertions & duplications 0 Complex rearrangements (including inversions) 0 Repeat variations 0 TOTAL 1 Number of entries by phenotype Phenotype Nucleotide substitutions Micro-lesions Gross lesions Insulin resistance, association with 1 0 0 Enfermedades y Genes: Enfermedoma Nodos: enfermedades Links: genes relacionados K. I. Goh et al. 2007 Patologías Causadas por la Mutación de un Único Gen a) Autosómicas: aniridia 1 c/200.000 gametas retinoblastoma 1 c/43.500 gametas b) Ligadas al Sexo: esclerosis tuberosa 1 c/83.000 gametas enanismo acondroplásico 1 c/23.000 gametas albinismo 1 c/37.700 gametas hemofilia 1 c/31.250 gametas Mutación del Gen de la Cadena Pesada de la Miosina (MYH16) y su Correlación con Cambios Anatómicos en el Linaje Humano (Stedman et al. 2004) Mutación del Gen de la Cadena Pesada de la Miosina (MYH16) y su Correlación con Cambios Anatómicos en el Linaje Humano (Stedman et al. 2004) Músculo Temporal Macaca fascicularis Nature 428: 415-418 Homo sapiens Macaca fascicularis Macaco cangrejero Estructura Muscular Miosina II: 40-50% de las proteínas del músculo. Posee dos cadenas pesadas y cuatro cadenas livianas. Miosina II Mutación del Gen de la Cadena Pesada de la Miosina (MYH16) y su Correlación con Cambios Anatómicos en el Linaje Humano (Stedman et al. 2004) electroforesis Nature 428: 415-418 Electroforesis Es una técnica para la separación de moléculas (proteínas o ácidos nucleicos) según la movilidad de estas en un campo eléctrico a través de una matriz porosa, la cual finalmente las separa por tamaños moleculares y carga eléctrica, dependiendo de la técnica que se use. Los ácidos nucleicos ya disponen de una carga eléctrica negativa, que los dirigirá al polo positivo, mientras que las proteínas se cargan con sustancias como el SDS (detergente) que incorpora cargas negativas de una manera dependiente del peso molecular. Para la separación se usa un gel de agarosa o poliacrilamida (fibras cruzadas, como una malla). Al poner la mezcla de moléculas y aplicar un campo eléctrico, éstas se moverán y deberán ir pasando por la malla, por la que las pequeñas se moverán mejor, más rápidamente. Así, las más pequeñas avanzarán más y las más grandes quedarán cerca del lugar de partida. Mutación del Gen de la Cadena Pesada de la Miosina (MYH16) y su Correlación con Cambios Anatómicos en el Linaje Humano (Stedman et al. 2004) electroforesis Nature 428: 415-418 Mutación del Gen de la Cadena Pesada de la Miosina (MYH16) y su Correlación con Cambios Anatómicos en el Linaje Humano (Stedman et al. 2004) Tipo de locus: Pseudogen; Posición: 7q22.1 p q Cromosoma 7 cambio en el marco de lectura (frameshift mutation) p q Nature 428: 415-418; http://www.genecards.org/cgi-bin/carddisp.pl?gene=MYH16#search Mutación del Gen de la Cadena Pesada de la Miosina (MYH16) y su Correlación con Cambios Anatómicos en el Linaje Humano (Stedman et al. 2004) Nature 428: 415-418 Géneros y Especies de Homínidos (Mioceno, Plioceno, Pleistoceno) Mutación del Gen de la Miosina Músculo Temporal en Homínidos P. troglodites A. afarensis H. habilis H. ergaster H. sapiens P. boisei H. erectus H. floresiensis H. neanderthalensis H. Sapiens actual Revisión de la Edad de la Mutación del Gen de la Cadena Pesada de la Miosina (MYH16) (Perry et al. 2005) Nueva edad calculada para la mutación: 5,3 ma AP. Géneros y Especies de Homínidos (Mioceno, Plioceno, Pleistoceno) Mutación del Gen de la Miosina