Reconstrucción de la historia evolutiva de los genes II: Ejemplos

Puntos a tratar en el Tema 7: Casos paradigmáticos de estudios de variación en un gen La variación en el gen Adh de Drosophila como paradigma de los tres tipos de selección a nivel molecular Test al neutralismo: Test Hudson-Kreitman-Aguadé o HKA (1987) Test de McDonald y Kreitman (1991) Test de Tajima (1989) Test de Fu y Li (1993) La leyenda de una dinastía china: Jingwei DNA mitocondrial y Evolución humana

Casos paradigmáticos de estudios de variación dentro de un gen Kreitman, M. 1983. Nucleotide polymorphism at the alcohol dehydrogenase locus of Drosophila melanogaster. Nature 304: 412-417. Berry, A. J., J. W. Ajioka y M. Kreitman. 1991. Lack of polymorphism on the Drosophila fourth chromosome resulting from selection. Genetics 129: 1111-1117. McDonald, J. H. y M. Kreitman. 1991. Adaptative protein evolution at the Adh locus in Drosophila. Nature 351: 652-654. 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. Long, M. y C. H. Langley. 1993. Natural selection and the origin of jingwei, a chimeric processed functional gene in Drosophila. Science 260: 91-95.

El gen Adh de Drosophila melanogaster Kreitman, M. 1983. Nucleotide polymorphism at the alcohol dehydrogenase locus of Drosophila melanogaster. Nature 304: 412-417. Exón 1 Exón 2 Exón 3 Exón 4 5’ 3’ Estructura del gen Adh (256 codones) 13 polimorfismos sinónimos (Se espera 1/4 mutaciones en región codificante sean sinónimas) 1 polimorfismo no sinónimo

El gen cubitus interruptus de D. melanogaster Berry, A. J., J. W. Ajioka y M. Kreitman. 1991. Lack of polymorphism on the Drosophila fourth chromosome resulting from selection. Genetics 129: 1111-1117. Gen situado en el cromosoma 4, un cromosoma puntual en el que no hay recombinación Ni una variante nucleotídica en 10 alelos secuenciados Divergencia entre D. melanogaster y D. simulans fue del 5%. El test HKA compara la relación entre el polimorfismo/divergencia de este gen y el de la región flanqueante del gen Adh como locus de “referencia”. Hay diferencias significativas Animación del efecto autoestopista

Selección equilibradora en el gen Adh de Drosophila melanogaster Comparación variabilidad entre alelos F/S mediante sliding window

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

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)

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) G = 7,43 ó X2 = 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. 20 genes de Drosophila melanogaster Diversidad nucleotídica Coeficiente de intercambio

Test de Tajima (1989)  =  Estadístico de Desviación, D Si teoría neutralista aplica a una serie de secuencias, entonces  =  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

Origen de nuevos genes

No sinónima/sinónima Retrotransposición 0/0 8/0 4/11 11,0 21/16 23,0 0/18 18 2/8 2/19 19 Adh outgrop Adh teissieri Adh yakuba Jingwei teissieri Jingwei yakuba Análisis filogenético de la evolución de la porción de Jingwei derivada de Adh

In an ancient legend from China (San Hai Jing), Jingwei, a daugther of the Emperor Yande (first Chinese emperor 3000 B.C.), tragically drowned while swimming in the East China Sea. Jingwei was then reincarnated as a beautiful bird that drops stones and wood into the sea in an attempt to fill it, thus preventing others from drowning. We used the name “jingwei” because this gene avoided the usual fate of processed gene (death) and was “reincarnated” into a new structure with novel function

Hipótesis sobre el origen de los humanos modernos Número de diferencias nucleotídicas Tiempo Hipótesis multiregional Hipótesis del reemplazamiento (out of Africa)

Un árbol de genes de 135 haplotipos de DNA mitocondrial en la especie humana (Vigilant et al. 1991)

¡mtDNA DEL HOMBRE DE NEANDERTAL! En el número de Cell del 11 de Julio 1997 aparece un artículo extraordinario: se ha secuenciado un trecho de DNA mitocondrial del hueso de un fósil de Neandertal. Los resultados de la comparación con secuencias homólogas de humanos sugiere que los neandertales se extinguieron sin contribuir al DNA mitocondrial humano.

Caso dental del Florida

Mutante Antennapedia

COMPLEJO DE GENES HOMEÓTICOS

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La filogenia de los Cuentos de Canterbury (Geoffrey Chaucer) Nature (1998) 394:839