ORÍGEN Y EVOLUCIÓN DE LOS STRs Yeny Posada. USO DE STRs EN POBLACIONES Utilidad de estos marcadores para investigar la variación genética de las poblaciones.

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1 ORÍGEN Y EVOLUCIÓN DE LOS STRs Yeny Posada

2 USO DE STRs EN POBLACIONES Utilidad de estos marcadores para investigar la variación genética de las poblaciones humanas. Falta de asociación entre distancias genéticas y lingüísticas o geográficas. La alta correlación negativa entre He y distancias génicas promedio por población demuestran que la mayor parte de la variación interpoblacional puede ser explicada en función del grado de diversidad intrapoblacional. Es decir, las distancias genéticas no reflejan relaciones filogenéticas, lingüísticas o geográficas, sino más bien eventos demográficos recientes tales como cuellos de botella genético, efecto fundador o migración externa masiva. Alta tasa de mutación.

3 DESIGUAL CRUZAMIENTO DURANTE LA MEIOSIS Recombinación entre cromosomas homólogos que alinean imperfectamente. Debido a la presencia de repetidos que incrementan la probabilidad de un mal alineamiento entre homólogos. MECANISMOS DE MUTACIÓN

4 TEORIA DEL CORRIMIENTO DE LA POLIMERASA O MAL APAREAMIENTO (Polymerase slippage or slipped-strand mispairing) SSM  Queda excluida una unidad repetida o se adicionan mas.  Pequeños cambios en el número de repetidos.  Producción de nuevos alelos. MECANISMOS DE MUTACIÓN

5 Modelos teóricos de mutación El conocimiento de la dinámica mutacional tiene aplicación directa en los estudios evolutivos; la inferencia filogenética, requiere de una medida adecuada de las distancias génicas.

6 Modelo de Alelos infinitos: (IA) Cada mutación crea aleatoriamente un nuevo alelo. En microsatélites, las mutaciones alteran el número de repeticiones, por ejemplo un alelo con 12 repeticiones se considera genéticamente tan cercano a uno con 15 como a uno con 16 repeticiones. Es decir, la proximidad en términos del número de repeticiones no indica una mayor relación filogenética. Es el modelo clásico de SewallWright, para el cuál propuso el uso de los estadísticos FST.

7 FST Estima la proporción de variación genética que se encuentra dentro y entre las poblaciones. Wright (1951) introdujo un método para partir el coeficiente de endogamia en una población subdividida (FIT) entre el componente debido a apareamientos no aleatorios dentro de poblaciones (FIS) y la subdivisión entre poblaciones (FST). Coeficiente de endogamia.

8 FST Los estadísticos F pueden ser vistos como la correlación entre genes homólogos tomados de un nivel de la subdivisión en relación con cualquier otro nivel superior: la correlación entre los genes de los individuos (I) y los de la población total (T) es representada por FIT, que corresponde a la endogamia total. La correlación entre los genes de los individuos y los de la subpoblación (S) es representada por FIS, mientras que la correlación entre los genes de la subpoblación y los de la población total está representada por FST (Excoffer 2001).

9 FST La estimación de la FST es más fácil de visualizar siguiendo la definición de Nei (1973), quien considera la probabilidad de heterocigosis en función de la autocigosis: Su interpretación es sencilla: si es de 0, indica que las frecuencias alélicas son iguales en todas la poblaciones, no ha habido diferenciación. El máximo posible es de 1. donde HT es el promedio de la heterocigosis esperada en la población total para todos los loci y HS es el promedio de la heterocigosis esperada dentro de subpoblaciones para todos los loci. FST mide la reducción en la heterocigosis debida a diferenciación genética entre poblaciones.

10 Modelo de mutación por pasos: Stepwise mutation model (SMM) Cuando un microsatélite muta, gana o pierde una repetición, esto implica que dos alelos que difieren solo en una repetición, es decir, comparten un ancestro común más reciente, están más relacionados, que aquellos que difieren en varias unidades. Montgomery Slatkinen 1995 (46), propuso una medida de la diferenciación genética: RST, similar a los FST de Wright (1951) y los GST de Nei de 1973, pero basados en el modelo SMM. El modelo es útil para estimar relaciones entre individuos y estructura poblacional, excepto en presencia de homoplasia, es decir cuando dos alelos son idénticos por estado pero no por descendencia. La homoplasia puede afectar los estudios poblacionales. El modelo descrito por Slatkin está basado en rasgos de distribuciones continuas, número de pares de bases o número de repeticiones y agrupa individuos de acuerdo al número de repeticiones.

11 Homoplasia - Homoplasmia Imposibilidad de determinar el origen evolutivo de un alelo STR; Dos alelos diferentes en tamaño y origen, mutan hacia un misma forma alélica (idénticos por estado).

12 RST, similar a los FST de Wright (1951) y los GST de Nei de 1973 Existen diversas formas de calcular la FST y sus equivalentes. Wright (1951) la definió solo para un locus con dos alelos. Nei (1973) amplió la definición para poder incluir un número ilimitado de alelos por loci, en términos de la comparación de la heterocigosis y la llamó GST. Diferencias en los tamaños alélicos Microsatélites (RST), se debe calcular la matriz de distancias entre los diferentes alelos. Necesita el número de repeticiones con el fin de definir una métrica de distancia, mientras que Fst simplemente considera cualesquiera dos alelos como igual o diferente.

13 Modelo de dos fases: Two phase model (TP) Di Rienzoen 1994, introdujo este modelo como un complemento del modelo SMM para estudios sobre microsatélites. En el se establece que la mayoría de eventos mutacionales resultan en un incremento o disminución de una unidad de repetición, aunque también pueden ocurrir, en menor proporción, alteraciones que involucren grandes números de repeticiones.

14 Modelo de K-alelos: (KA) Crow y Kimuraen 1970 propusieron un modelo que asume, que si existen exactamente en un locus dado k posibles alelos, entonces la probabilidad de que un alelo dado mute en cualquier otro es μ/k-1, donde μ es la tasa de mutación.

15 PREGUNTAS

16 1. Bajo que casos se toma el modelo de alelos infinitos en una investigación? La mayoría de las medidas de distancia genética clásicas están basadas en el modelo con infinitos alelos (IAM –Infinite Allele Model-) de Kimura y Crow (1964), Si bien el IAM parece ajustar razonablemente el comportamiento de marcadores genéticos tradicionales como polimorfismos de grupos sanguíneos y proteínas (Nei, 1987), la irrupción de los microsatélites como marcadores elegidos en la mayoría de estudios sobre diversidad genética ha forzado la aparición de otra serie de distancias que explotan más adecuadamente el modelo evolutivo que mejor se ajustaría a este tipo de marcadores, el SMM (Stepwise Mutation Model, Ohta y Kimura, 1973).

17 Las distancias genéticas más habituales suelen estar basadas en dos tipos de información: frecuencias y tamaños alélicos, desarrollándose estas últimas como respuesta a la utilización cada vez más habitual de los microsatélites 1. Bajo que casos se toma el modelo de alelos infinitos en una investigación?

18 Las distancias se calculan sin tomar en cuenta el número de repeticiones en que difieren dos estados alélicos. Esto implica que el tamaño no importa. La distancia basada en el modelo IAM más utilizada es la distancia es- tándar de Nei (1972), que también ha demostrado ser adecuada para el análisis de microsatélites (Takezaki y Nei, 2008) Comprende a aquellas que se basan en modelos evolutivos, donde la variación es atribuida principalmente a la acción de la mutación y la deriva, asumiendo que los marcadores utilizados no están sujetos a la selección natural.

19 1. Bajo que casos se toma el modelo de alelos infinitos en una investigación? La distancia de Nei ha sido formulada a partir de los siguientes supuestos: tasa de mutación constante e igual para todos los loci; poblaciones con tamaños efectivos iguales y constantes a través de las generaciones; las poblaciones están en equilibrio mutación-deriva (Nei, 1972). Bajo el modelo de alelos infinitos se supone que la distancia se incrementa de manera lineal con respecto al tiempo, en caso de que se mantenga un balance mutación-deriva a través del proceso evolutivo investigado

20 1. Bajo que casos se toma el modelo de alelos infinitos en una investigación? Otra de las distancias basadas en el modelo IAM, muy utilizadas es la de co-ancestralidad de Reynolds (Reynolds et al., 1983). A diferencia de la distancia de Nei, parte del supuesto de ausencia de mutación. La deriva génica es la única fuerza actuando sobre las frecuencias alélicas de las poblaciones y el incremento en las distancias génicas depende en forma lineal del tamaño de la población, que no es constante y varia entre poblaciones.

21 Esta distancia es eficiente para comparaciones entre poblaciones con pequeños tamaños efectivos y que han divergido hace un número relativamente bajo de generaciones (Weir, 1996). En el caso de microsatélites, la distancia de Reynolds parece inapropiada debido a que estos polimorfismos poseen una tasa de mutación demasiado alta como para desdeñar su efecto. 1. Bajo que casos se toma el modelo de alelos infinitos en una investigación?

22 2. Que quiere decir “expressed sequence tags”? Marcador de secuencia expresada Es una pequeña subsecuencia de una secuencia nucleotídica transcrita (codificante de una proteína o no). Se pueden usar para identificar genes que se transcriben y en el descubrimiento de genes, y para determinación de secuencias. La identificación de los EST ha progresado rápidamente, con aproximadamente 52 millones de ESTs disponibles en las bases públicas (por ejemplo GenBank mayo de 2008, todas las especies). Las ESTs son potentes herramientas al reducir el tiempo para identificar la ubicación de un gen determinado dentro del genoma, los científicos han demostrado mediante la utilización de las ESTs se podido aislar de manera rápida los genes que causan la enfermedad de Alzheimer y el cáncer de colon.

23 2. Que quiere decir “expressed sequence tags”? Las EST pueden asignarse a ubicaciones específicas del cromosoma utilizando técnicas de mapeo físico, tales como FISH. El entendimiento actual de los genes del genoma humano incluye la existencia de miles de genes basados solamente en evidencia de EST.1 En este sentido, las EST se convierten en un instrumento para afinar la transcripciones predichas de esos genes, lo que lleva a la predicción de sus productos proteicos, y finalmente, de su función.

24 3. Cual es la diferencia entre RST y FST y en que casos se aplica cada uno? Resuelto atrás.

25 4. Como funciona el modelo best linear unbiased prediction (BLUP)? Mejor predicción lineal no sesgada. BLUP se derivó por Charles Roy Henderson en 1950 Por convención BLUP se conocen como las predicciones. Cuando se monta un modelo de efectos mixtos, lo que se estimó inicialmente son la media y la varianza (y, posiblemente, la covarianza) de los efectos aleatorios. El efecto aleatorio para una unidad de estudio determinado (por ejemplo un estudiante) se calcula posteriormente de la media y la varianza estimada, y los datos.

26 5. Tabla 1

27 Una medida que resulta fácil de calcular y conceptualmente útil es la Nm, que es la multiplicación del tamaño efectivo (Ne) por la tasa de migración (m), y nos habla del número de “migrantes efectivos”. Si Nm o el número de migrantes efectivos es mayor que 1, teóricamente el flujo génico supera los efectos de la deriva génica y previene la diferenciación local. Si Nm es menor que 1 entonces se puede decir que la deriva actúa independientemente en cada una de las poblaciones. Si es mayor de 4 entonces las poblaciones se comportan como una gran población más o menos panmíctica. 5. Tabla 1