Primera Clase3 - Instituto de Ecología

Report
GENETICA DE POBLACIONES
agosto 2013
Luis E. Eguiarte ([email protected],)
Jaime Gasca ([email protected])
Erika Aguirre ([email protected])
Valeria Souza ([email protected])
Laboratorio de Evolución Molecular y Experimental
Instituto de Ecología, UNAM,
teléfono 56229006
página web:
http://web.ecologia.unam.mx/laboratorios/
evolucionmolecular/index.php/es/
cursos-y-talleres/10-genetica-de-poblaciones
GENETICA DE POBLACIONES
Introducción al Curso
La genética de poblaciones explora los niveles de variación
genética dentro y entre las poblaciones que forman a las
especies y explica sus patrones en términos de las fuerzas
evolutivas.
La genética de poblaciones tiene su origen en artículos y libros
de varios investigadores en Inglaterra y Estados Unidos en los
años 30 del siglo pasado (Fisher, 1930; Wright, 1931, 1932;
Haldane, 1932), y ha demostrado ser la herramienta más
poderosa para el estudio de la evolución, haciendo central su
estudio no sólo para los biólogos interesados en evolución y
ecología, sino para cualquier estudioso serio del material
genético y la herencia a todos su niveles.
Como señala Michael Lynch en su libro del 2007, “Nada en
evolución tiene sentido si no es a la luz de la genética de
poblaciones”.
GENETICA DE POBLACIONES
Introducción al Curso II
La evolución a su vez es el estudio de los patrones y procesos que han
producido el cambio de los organismos en el tiempo, y es el resultado
de las fuerzas evolutivas operando sobre la variación genética por mucho
tiempo. Este proceso evolutivo ha generado tanto la adaptación (el ajuste
de los organismos a su medio ambiente), como la gran diversidad de
especies que hay y han existido en el pasado en la tierra (millones de
especies).
La genética de poblaciones inicialmente consideraba explorar, en un solo
gen, el comportamiento de dos alelos que segregan de acuerdo a las
leyes de Mendel. Este caso se analiza de manera sencilla, y el Equilibrio
de Hardy-Weinberg describe cómo se comporta la variación en ausencia
de cualquier fuerza evolutiva, funcionado como modelo nulo de cómo se
comporta la variación genética si no opera ninguna fuerza evolutiva. De
esta manera, modificando los supuestos del Equilibrio de HardyWeinberg se exploran los efectos de las diferentes fuerzas evolutivas
sobre la variación genética: flujo génico, deriva génica, mutación y
selección natural.
GENETICA DE POBLACIONES
Introducción al Curso III
¿Qué pasa al considerar a modelos más realistas (y por lo
tanto más complicados) de la genética?
Recientemente, con los avances en los métodos moleculares
y análisis de secuencias, la disminución de costos y el
incremento en la velocidad de secuenciación y los estudios
genómicos, por fin se puede analizar cientos o miles de
genes en las poblaciones naturales (Genómica de
Poblaciones).
Estos datos, junto con las herramientas teóricas
recientemente desarrolladas, nos permiten reconstruir
finamente la historia evolutiva de las poblaciones y las
especies, tanto en términos selectivos y demográficos (i.e.,
teoría de la coalescencia) como geográficos (i.e., la
filogeografía) y avanzar en resolver una serie de problemas
ecológicos, taxonómicos y evolutivos.
Objetivo del Curso:
En este curso pretendemos que los alumnos
entiendan y puedan aplicar los principios de
la genética de poblaciones, desde sus bases
clásicas hasta los desarrollos más recientes
mencionados arriba, revisando
rigurosamente tanto la teoría como los
patrones empíricos
Evaluación y estructura I:
Son 9 temas.
A cada tema se le dedicará cuando menos 2
clases.
Se espera que todos los alumnos lean y hagan un
resumen de cada uno de los capítulos del libro de
texto que se van a ver en clase.
También deberán hacer y entregar los problemas
del libro de texto (cuando menos la mitad de cada
capítulo).
En este curso NO va a haber seminarios.
Además se van hacer otros ejercicios, tareas y
talleres de computo para aprender a usar los
programas relevantes del estudio empírico de la
Genética de poblaciones.
Evaluación y estructura II:
La evaluación se realizará con los siguiente
elementos: 1) 3 exámenes, 10% c/u, 30% en total.
2) Trabajo semestral (sobre Genética de
Poblaciones!), 20%,
3) Resumenes críticos de los capítulos del libro:
15%, tareas (problemas de cada capítulo).
4) Participación y asistencia a clase: 15%
5) Tareas (incluyendo los Problemas de cada
capítulo y de los Talleres de computo): 20%;
Los alumnos deben de entregar todos los
problemas y presentar todos los exámenes y el
trabajo semestral para aprobar el curso.
El trabajo semestral consistirá en un
buen análisis de datos relacionados a
los temas del curso y se demuestre que
se aprendió a usar e interpretar estos
datos y análisis.
Breve (10 cuartillas) pero de calidad,
original y creativo, y en formato de un
artículo de revista, y se expondrá de
manera breve frente al grupo.
¿Horario y Lugar:
Martes y Jueves de 3:30 PM a 5:30 PM.
Aquí, Auditorio Instituto de Ecología,
UNAM
¿Requisitos?:
Conocimientos básicos de genética y de
evolución.
16 semanas, 32 sesiones, 64 horas.
Referencia y texto básico:
Leer los capítulos y hacer problemas,
o pares o nones
Hedrick, P.W. 2011. Genetics of
populations. Fourth edition. Jones and
Bartlett publishers. Sudbury,
Massachusetts. 675 págs.
Otras referencias que serán usadas en el curso:
Bell, G. 2008. Selection. The Mechanism of evolution. Oxford Universiyt press. Oxford,
UK., 553 págs.
Charelsworth, B. y D. Charelsworth 2010. Elements of Evolutionary Genetics. Roberts and
Company Publishers. Greenwood Village, Colorado, EUA. 734 págs
Eguiarte Luis E., V. Souza y X. Aguirre (Compiladores). 2007. Ecología molecular.
Semanrant, Conabio, Inst. de Ecología UNAM. D. F., México.574 págs. Libro de texto en
español que trata la mayoría de los temas del curso.
Felsenstein J. 2003. Inferring Phylogenies. Sinauer Associates. Sunderland, MA, 664
págs.
Gillespie, J.H. 2004. Population Genetics. A concise guide. Second edition. The John
Hopkins Univesity press. Baltimore, 214 págs. Un texto compacto, relativamente económico y
actualizado.
Hamilton, M. 2009. Population Genetics. Wiley-Blackwell, Oxford, UK. 424 págs.
Hartl D.L. y A. G. Clark. 2006 Principles of population genetics, 4th edition, Sinauer,
Sunderland, Mass. 545 págs. Esta edición es una versión simplificada y ligeramente
actualizada de la segunda, pero también recomendamos la segunda por su mayor detalle.
Lynch, M. 2007. The origins of the genome achitecture. Sinauer, Sunderland,
Massachusetts. 487 págs.494 págs.
Templeton, A.R. 2006. Population genetics and microevolutionary therory. J. Wiley and
sons. N.J., EUA, 705 págs.
Wakeley J. 2009. Coalescent Theory: An Introduction . Roberts & Company Publishers,
Colorado, EUA. 432 págs. Texto avanzado sobre la teoría de la coalescencia.
PROGRAMA:
I. Introducción a la Genética de poblaciones. LEEF y VSS, 3
sesiones. Capítulo 1.
a) Objetivos y metas de las genética de poblaciones.
b) Historia de la genética de poblaciones y de la evolución molecular.
c) Repaso de genética clásica y molecular.
II. El estudio de la variación en las poblaciones naturales y la
ley del equilibrio de Hardy-Weinberg. LEEF y EAP, 4
sesiones. Capítulo 2.
a) Marcadores morfológicos.
b) Alozimas/ Isozimas.
c) Variación a nivel ADN: métodos moleculares (i.e., RFLPs, PCR,
clonación, secuencias, RAPDs, AFLPs, microsatélites, etc.) y patrones.
d) La ley del equilibrio de Hardy-Weinberg.
e) Complicaciones a Hardy-Weinberg: Diferencias entre sexos, genes
ligados al sexo y más de dos alelos.
f) El problema de la estimación empírica de las frecuencias alélicas.
g) Medidas de variación genética y de distancia genética.
PROGRAMA II:
III. La selección natural. LEEF y JGP, 4 sesiones
Capíutlo 3
a) Diferentes tipos de selección natural.
b) El modelo básico de selección.
c) Complicaciones al modelo básico: genes ligados
al sexo y alelos múltiples.
d) Selección en viabilidad.
e) Selección sexual y apareamiento clasificado
negativo (negative assortative mating).
f) Selección gamética y alelos de incompatibilidad.
g) El problema de estimar la intensidad de la
selección en el campo.
h) Modelos ecológicos, variación espacial y
temporal y selección dependiente de la frecuencia.
PROGRAMA III:
IV.- La endogamia: JGP y EAP, 3 sesiones. Capítulo 8.
a) El coeficiente de endogamia y el equilibrio de Hardy-Weinberg.
b) Autofertilización total y parcial: teoría y estimaciones.
c) Estimación de la endogamia a partir de pedigris.
e) La endogamia en las poblaciones naturales.
f) La “depresión” por endogamia.
e) “Kin selection”.
f) Reproducción asexual.
V.- La deriva génica, el tamaño efectivo de las poblaciones.
LEEF y JGP, 3 sesiones. Capítulo 4
a) ¿Que es la deriva génica?
b) Un enfoque de matrices de transición.
c) Efecto de fundador y cuellos de botella.
d) El tamaño efectivo de las poblaciones, definiciones y métodos
ecológicos y genéticos para su estimación.
e) Deriva génica y selección natural.
PROGRAMA IV:
VI. El flujo génico y la estructura de las
poblaciones. EAP y LEEF, 3 sesiones,
Capítulo 7.
a) El modelo contiente-islas de flujo génico.
b) El efecto Wahlund.
c) Estimaciones directas e indirectas de flujo
génico.
d) Los estadísticos F de Wright.
e) Flujo génico y deriva.
f) Flujo génico y selección.
PROGRAMA V:
VII. La mutación. VSS y LEEF, 3 sesiones. Capítulo
5
a) Historia natural de la mutación.
b) Modelos básicos de mutación.
c) Balance selección-mutación.
d) Mutación en poblaciones finitas: el modelo de alelos infinitos y el
modelo de mutaciones por pasos.
e) El problema de la estimación de las tasas de mutación
VIII. Modelos de varios genes. LEEF y VSS, 3
sesiones. Capítulo 9
a) El desequilibrio de ligamiento I: teoría básica y métodos de estimación
b) El desequilibrio de ligamiento II: relación con las fuerzas evolutivas.
c) Selección en varios genes.
d) Hitchiking.
e) Recombinación, sexualidad, “Muller ratchet”, y selección de fondo.
PROGRAMA VI:
IX. Genética de poblaciones molecular. VSS
y LEEF, 4 sesiones. Capíutlo 6.
a) Estimación de variación genética a nivel
molecular.
b) El modelo de sitios infinitos.
c) La prueba de Tajima y otras pruebas
relacionadas.
d) La prueba de Ewens-Watterson.
e) Pruebas HKA y MK.
f) Filogeografía.
g) Análisis de paternidad.
h) ADN fósil.
g) Sesgo en el uso de los codones.
Para la próxima semana:
Leer capítulo 1 del Hedrick, 2011.
Hacer resumen crítico, en un par de
cuartillas. Martes 20
Comenzar a hacer problemas. Pares
o nones, para el Jueves 22.
I. Genética de poblaciones:
a) Objetivos y metas de las genética de
poblaciones.
b) Breve historia de la genética de
poblaciones y de la evolución
molecular.
c) Breve repaso de genética clásica y
molecular.
Material genético: archivo del proceso
evolutivo...
a partir de este archivo, con la teoría
evolutiva, buenos datos y muestreo
y análisis estadístico, podremos
reconstruir al proceso evolutivo y
entender las fuerzas evolutivas que
han modelado la diversidad y
adaptaciones de los
organismos...
Variación genética:
1)
El primer paso en todo estudio evolutiva
2)
Si no hay variación, no pueden actuar las fuerzas
evolutivas
3)
Según el tipo de variación, se va a determinar la
evolución adaptativa y/o aleatoria de las poblaciones
4)
A partir de como se distribuyen dentro y entre las
poblaciones, podemos inferir las fuerzas evolutiva y la
historia pasada (esta sería “la gran ilusión”, pero a
cada vez parece mas seguro que si se puede lograr!!!)
La EVOLUCION es la parte central,
que da estructura y orden a toda la
biología moderna.
La única forma de entender a la
evolución es a través de la
GENETICA DE POBLACIONES
Nada en evolución tiene sentido
si no es a la luz de la
genética de poblaciones.
M. Lynch, 2007
Debido a los nuevos métodos,
se esta acumulando una
cantidad impresionante de
secuencias y de información
genómica, y la mejor forma
de analizarla es usando las
herramientas de la genética
de poblaciones...
GENÉTICA DE POBLACIONES:
(= MICROEVOLUCIÓN)
*COMO SE COMPORTA LA VARIACIÓN GENÉTICA EN LAS
POBLACIONES (DENTRO DE LAS ESPECIES).
*ES EL ESTUDIO DE LAS FUERZAS EVOLUTIVAS QUE CAMBIAN
A LAS ESPECIES EN EL TIEMPO.
ecol. evol
Ecología
Evolución
Genética de
poblaciones
ecol.
molecular
Genética
genética del
desarrollo.
ev. molecular
GENÉTICA DE POBLACIONES:
Aplicaciones:
1) Entender al proceso evolutivo
2) Herramienta ecológica y taxonómica
3) Análisis de enfermedades humanas y otros
organismos.
4) Mejoramiento agronómico y de ganado: bases
genética cuantitativa
5) Conservación de las especies
6) Bancos de germoplasma y recursos genéticos
plantas y animales
7) Fundamentos de la Evolución Molecular,
Bioinformática, Genómica, etc.
GENÉTICA DE POBLACIONES:
Enfoques:
Experimental
Teórico
Empírico
Empírico: análisis de las frecuencias alélicas en
las poblaciones.
Variación genética dentro y entre las poblaciones
y en el tiempo.
Correlaciones con patrones ambientales.
Sugiere problemas e ideas interesantes
Datos: morfológicos, grupos sanguíneos, cromosomas
(inversiones), alozimas, secuencias ADN, otros moleculares...
Experimental
Teórico
Empírico
Experimental: apoya a hipótesis
generadas de datos empíricos:
transplantes recíprocos (efectos
ambientales, adaptación local)
Generaciones múltiples: drosofilas,
bacterias, virus, Arabidopsis
Experimental
Teórico
Empírico
Teórico: Genera modelos adecuados a
los datos empíricos y experimentales.
Da el marco de referencia para generalizar
y entender datos, en términos de las
fuerza evolutivas y parámetros relevantes.
Breve historia de la genética de
poblaciones y de la evolución
molecular.
La teoría de la evolución trata de
explicar dos características
fundamentales de la vida en la tierra: la
diversidad en el número de especies y
la adaptación.
En general podemos resumir las ideas originales de
Charles Darwin en tres grandes puntos:
1) Los organismos actuales son resultado de un
proceso evolutivo, y todos están relacionados entre
si en un gran árbol filogenético.
2) La evolución es gradual.
3) La evolución es resultado del proceso
de selección natural.
Los dos primeros puntos fueron rápidamente
aceptados por la comunidad científica,
pero el tercero fue mucho más controversial.
Proceso de selección natural según Darwin y
Wallace en 4 pasos:
a) Existe variación en las poblaciones naturales,
b) Parte de esta variación tiene que ver con que el
funcionamiento los organismos y es heredable,
c) Dado que los recursos son limitados, se genera
competencia entre los individuos de cada especie, y
d) Como consecuencia automática de los tres
puntos anteriores, tenemos un proceso de selección
natural, donde los organismos van cambiando y de
esta forma produce le proceso de la adaptación.
El proceso es Ecológico (Poblacional)...
Para Darwin entonces, proceso
evolutivo es Ecológico
(POBLACIONAL)...
Este proceso gradual de selección natural
eventualmente genera divergencia
(por competencia) entre las poblaciones
y así se puede explicar
tanto la gran diversidad actual como la
gran adaptación de las especies.
Darwin: ESTAN LAS IDEAS DE POBLACIONES, PERO
FALTA LA GENETICA Y EL DESARROLLO CUANTITATIVO!
El principal problema del modelo Darwiniano original era la
falta de conocimiento de la herencia.
Generalmente se pensaba en modelos estilo “mezcla de
sangre”, aunque Darwin eventualmente propone un modelo
totalmente hipotético de las gémulas para evitar que se
perdiera la variación, y no se descartaba la posibilidad de la
herencia de los caracteres adquiridos (herencia
“lamarquiana”).
Gregor Mendel
(1822-1884)
tenía la clave de la
herencia:
diploides
caracteres discretos
dominantes/ recesivos
AA
Aa
aa
Los Darwinianos originales eran Naturalistas como Darwin, y aceptaban
la idea de cambio, de evolución, e interpretaban, usualmente sin
experimentos ni análisis estadísticos, que las características de los
seres vivos eran resultado de la selección natural y por lo tanto
adaptaciones Ernst
Haeckel: filogenias “imaginarias”
En. 1900 se redescubre la genética y las
ciencias experimentales
comienzan a adquirir un papel fundamental
dentro de la biología.
Los genetistas desde el principio dudaron
sobre la relevancia de la selección natural, y
propusieron que la evolución sucedía gracias
a grandes mutaciones que generaban nuevos
tipos de organismos y atacan la forma de
hacer ciencia de los naturalistas (que se
convierten en Ecólogos y Taxónomos), tensión
que sigue hasta nuestros días.
.
Hugo de Vries
redescubridor
de
las leyes de
Mendel
con
Oenothera
lamarckiana
La biología evolutiva moderna tiene
cuando menos 2 orígenes “sintéticos”.
1) La síntesis original entre las ideas de
Mendel y Darwin que elaboraron de manera
más o menos independiente,
y sin ninguna colaboración relevante con otros
científicos
Ronald A. Fisher, Sewall Wright y J.B.S.
Haldane:
origen de la genética de poblaciones (teórica).
La biología evolutiva moderna tiene cuando menos
2 orígenes “sintéticos”.
2)
Posteriormente viene la segunda fase, en
la que T. Dobzhansky.
Inicia la genética de poblaciones empírica
y experimental.
Esta etapa llamaron (él, Mayr, Simpson,
Stebbins, Huxley) la “síntesis moderna”:
básicamente, popularizar, ampliar y adaptar
las ideas de Fisher Wright y Haldane al
estudio de diferentes grupos de organismos
y subdisciplinas
dentro de la biología.
Fundadores de la Genética de Poblaciones
Teórica:
RA Fisher (1922-1930)
JBS Haldane (1924-1932)
S Wright (1931- 1932)
desarrollan de manera impresionante e
independiente la TEORIA, el “paradigma” y
desarrollan los modelos y conceptos
fundamentales ...
pero casi sin datos
hasta 1966...
Genética de Poblaciones
Clásica:
Trata del comportamiento de genes
mendelianos en un contexto
poblacional.
El modelo básico es el de un locus
con dos alelos: A y a
. frecuencias alélicas p y q varían
Las
dentro y entre poblaciones
p frecuencia alelo A
q frecuencia del alelo a
ESPECIE
poblaciones
AA
Aa
Aa
AA
aa
AA
Aa
AA
AA
A
Aa
A
AA
AA
Aa
AA
AA
Aa
AA
Aa
aa
Aa
aa
a
a
AA
A
A
Aa
aa
Aa
aa
aa
AA
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Aa
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Aa
AA
AA
Aa
Aa aa
AA
Aa
AaAa
Aa
Aa
AA
aa
aa
aa
aa
aa
AA
aa
aa
aa
aa
Frecuencias
genotípicas esperadas
.
Homócigos AA = pxp= p2
Heterócigos Aa = pq +qp= 2pq
Homógcigos aa= q x q=q2
AA
Aa
Aa
AA
aa
AA
Aa
AA
AA
A
Aa
A
AA
AA
Aa
AA
AA
Aa
AA
Aa
aa
Aa
aa
a
a
AA
A
A
Aa
aa
Aa
aa
aa
AA
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Aa
Aa
AA
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Aa
Aa
AA
AA
Aa
Aa aa
AA
Aa
AaAa
Aa
Aa
AA
aa
aa
aa
aa
aa
AA
aa
aa
aa
aa
Evolución:
N individuos
Tiempo 0
Frecuencia de A= p0
N individuos
Frecuencia de A= p1
Cambio de las
frecuencias alélicas
en el tiempo
Tiempo 1
(T. Dobzhansky, 1941)
Equilibro de HardyWeinberg:
N individuos
Frecuencia de A = pt
Tiempo t
En una población ideal
(grande, de reproducción
sexual, diploide, y de
apareamiento aleatorio
entre individuos), las
frecuencia alélicas p y q
no cambian
Las fuerzas evolutivas violan los supuestos del
equilibrio
de Hardy-Weinberg y por lo tanto cambian las
frecuencias
alélicas
Deriva génica (Genetic drift),
Selección natural (Natural selection),
Migración o flujo génico (Migration),
Mutación (Mutation),
Otros procesos evolutivos no cambian las frecuencias
alélicas, pero son importantes:
Sistemas reproductivos /endogamia
(Mating systems/inbreeding)
Recombinación (Recombination)
Ronald A.
Fisher (18901962):
The Genetical
Theory of Natural
Selection (1930)
La Selección
Natural fuerza
más importante
Ronald A. Fisher (1890-1962):
Interés fundamental en evolución:
realizar una síntesis entre
las ideas de Darwin y las
de Mendel, con una
perspectiva estadística.
Obra: Cinco libros sobre métodos
estadísticos para biólogos y
agrónomos, dos sobre evolución y
genética, alrededor de 300 artículos
científicos sobre problemas
estadísticos,
genéticos evolutivo y otros,
y cientos de reseñas de
En 1928 inició la escritura de su obra seminal,
que apareció en 1930: “The
genetical
theory of natural selection”.
Describe como se comporta la
variación genética en poblaciones
naturales y como opera sobre
esta variación las fuerzas
evolutivas, con especial énfasis
en la selección natural.
Analiza el proceso de la
adaptación y para extrapolar el
futuro de las poblaciones
humanas, con una perspectiva
eugenista.
Una importante influencia
para escribir el libro fueron
sus discusiones con Julian
Huxley en los 20s,
El libro de Fisher es el
primero de la síntesis
original, y presenta las ideas
fundamentales para una
síntesis entre Darwinismo y
Mendelismo.
Para Fisher, la fuerza evolutiva fundamental es la
selección natural:
consideraba que la mutación y la deriva génica
eran despreciable, ya que para él las poblaciones
tenían tamaños poblacionales casi infinitos, en
los cuales puede actuar de manera eficiente la
selección aunque sea muy débil.
Carta a Sewall Wright, 13 de agosto de 1929: “Para los
propósitos relevantes, considero que N (el tamaño
efectivo de las poblaciones) generalmente debe de ser el
total de la población en el planeta, enumerada a al
madurez sexual, y al mínimo anual o de otras
fluctuaciones periódicas. Para las aves, el doble del
número de nidos sería razonable”.
Fisher:
Gradualismo: las mutaciones que es más probables que sean
favorables son las más chicas posibles, ya que si fueran más
grandes, seguramente bajarían el funcionamiento del organismo
(metáfora del microscopio), oponiéndose así a las ideas de
evolución por mutación, que eran las dominantes.
“Teorema Fundamental de la Selección Natural”:
Niveles de variación en las poblaciones. En los modelos de
mezcla de sangre, la variación se perdería en cada generación, el
consideraba que las poblaciones eran ricas en variación genética,
y que la: “tasa de incremento de un organismo en
cualquier tiempo es igual a su varianza genética en la
adecuación en ese momento”, o sea que a mayor variación
genética no-neutra, el cambio evolutivo es mayor.
Otras contribuciones a la ecología: el valor reproductivo, la
tasa de adaptación en especies sexuales vs. asexuales, modelos
de selección sexual.
J.B.S. Haldane
(1882-1964)
The Causes of
Evolution (1932)
Un punto de vista
intermedio: no todo
es selección, no
todo es deriva
génica
1921 Cambridge, Readership in Biochemistry, en el Trinity
College, para luego inicia en 1924 una serie de 5 artículos
titulados:
“A mathematical theory of natural and artificial selection”:
análisis de las fuerzas evolutivas y desarrollo de la
Genética de Poblaciones.
En el primer artículo presentó el análisis inicial del de
selección natural direccional: el melanismo industrial en
Biston betularia.
Estos cinco artículos fueron la base conceptual
de su libro “The causes of evolution”,
publicado en 1932.
JBS Haldane,
1957: costo de la selección: para que un alelo
sea completamente reemplazado de una
población , se requiere que se elimina un
número fijo de organismos, entre de 10N a
30N, independientemente de la velocidad a la
que se realice el proceso (o sea de los
coeficientes de selección).
Desarrolla con claridad las ideas de la genética
de poblaciones y de la evolución moderna.
Revisa las evidencias genéticas.
paleontológicas y taxonómicas.
Da estimaciones y métodos para estimar los
parámetros relevantes como los coeficientes
de selección y las tasas de mutación.
Sewall Wright
(1889-1988)
Evolution in
Mendelian
populations (1931)
Papel fundamental
de la Deriva
Génica
Shifting balance
(Topografía
adaptativa)
Contribuciones evolutivas
iniciales:
1)Un extenso artículo
Genetics, publicado en
1931: Evolution in
medelian populations,
2)Un trabajo breve
publicado en las
memorias del VII
congreso Internacional
de genética en Ithaca.
Posteriormente publicó gran cantidad
de estudios sobre evolución, varios
en colaboración con Dobzhansky,
tanto sobre drosofilas como sobre
plantas (Oentohera organenesis,
Linahthus parryae).
En 1950 se retiró de Chicago a la
Universidad de Winsconsin en
Madison, en donde escribió su obra
magna: un tratado en 4 tomos
publicados entre 1968 y 1978:
Evolution and the genetics of
populations y donde continuo activo
hasta su muerte en 1988.
La principales características de sus ideas sobre
evolución es darle un papel muy fuerte al azar,
actuando como la deriva génica y endogamia, y
su interacción con las otra fuerzas evolutivas
dentro de la topografía adaptativa, para genera la
evolución por “shifting balances”.
SN
W
DG
z
x
Evolution in mendelian populations.
1931. Genetics 16: 97-159.
Trata del equilibrio de Hardy-Weinberg, y analiza
los efectos de la mutación y la migración y
la selección básica en las frecuencias
alélicas, discutiendo brevemente lo que sucede
cuando hay más de dos alelos.
Luego introduce los efectos de lo que hoy
llamamos deriva génica
(Random variation in gene frequencies )
y la importancia del número de
individuos en las poblaciones.
The roles of mutation, inbreeding, crosbreeding, and
selection in evolution. 1932. Proceeding of the Sixth
International Congress of Genetics 1: 356-366.
Analiza el papel de cada una de estas fuerza dentro de la
topografía adaptativa.
Básicamente, la idea es que la selección, al eliminar a los
peores genotipos, eleva a las poblaciones en la topografía
adaptativa, mientras que la deriva génica, al generar
combinaciones aleatorias, bajaría a las poblaciones de los
valles adaptativos y les permitiría explorar esta topografía
adaptativa.
Por último, da ejemplos posible de la evolución
por deriva génica y endogamia, en particular los caracoles
terrestres de Hawaii de Gulick.
La motivación original de
Fisher, Wright y Haldane
era demostrar que las
ideas de Darwin y Wallace
eran compatibles con la
Genética Mendeliana y
analizar a las selección
natural de manera
cuantitativa como la
sobrevivencia y
reproducción diferencial
La Selección Natural según Darwin y
Wallace
a) Existe variación en las poblaciones naturales
b) Esta variación incluye caracteres relevante para
la sobrevivencia y la reproducción
c) Parte de esta variación es heredable.
d) Si se cumplen los puntos anteriores, tenemos
automáticamente un proceso
de Selección Natural
que adapta a los organismos
Darwin & Wallace had no idea on the basis of
heredity...
Fisher, Haldane & Wright show that Natural
Selection could be understood considering
differences in the fitness (“efficiency”) of the different
genotypes:
one locus, two alleles: AA, Aa, aa
fitness (adecuación)= W.
We can predict well the behavior of the alleles in
populations in cases with Mendelian inheritance and
clear-cut patterns in W.
Biston betularia: color, 1 locus, 2 alelos
bosque
ciudad
Selección a favor del
recesivo (polillas claras)
Diferentes tipos de Selección Natural
Natural
Selection
Viability
Sexual
selection
Frequency-dependant
Fecundity
Selection
Gametic
Selection
Denso-dependent
Modes o kinds of selection:
1) Stabilizing or Balancing (one locus two alleles)
Eliminates both tails in the distribution
t
2) Directional (Biston betularia) o puryfing (if it elliminates
the products of mutation /genetic load)
Eliminates one of the tails.
t
3) Disruptive selection
Eliminates the modal categories, the tails higher W
o
latter we will see with more
care each Mode of selection...
Wright: Genetic drift
Random changes in the Allelic frequencies,
due to the finite sizes of populations...
Stronger in smaller populations!
Allelic frequency p
1
Ne =9
Genetic Drift
0.5
0
0
10
Generations
20
Allelic frequency p
1
Ne =50
0.5
0
0
10
Generations
20
The smaller the
Ne, the changes
are more
violent and the
populations
diverge and
genetic
variation is lost
at a faster rate.
Genetic Drift
Time 0
Large original population, N
Frequency de A1 = p0
S. Wright basic
model
Small Population
1
9
(Size n)
2
8
3
4
5
6
7
Increases the variance in the allelic
frequencies among populations
(= genetic differentiation)
1.0
p0
Frequency de A1
Time 1
0.5
Reduces the genetic diversity within
each population,
Increase inbreeding, due to the small
size of the populations
0.0
Time
Genetic Drift
H= expected heterocigosity, a measure of
genetic variation
t
Ht = ( 1- 1/2 Ne) Ho
if Ne =1, the genetic variation decreases by
1/2H in one generation
if Ne = infinite, Ht=Ho; no changes
with enough time and Ne finite... Ht= 0:
there is always some decrease in genetic
variation due to drift! (but low if Ne is large)
Genetic Drift:
Differentiation among populations
Vqt = poqo [1-(1-1/2 Ne ) t ]
if Ne infinite, Vqt =0, no divergence among
the populations
if t is very large, Vqt = poqo.
The differentiation is faster/ larger if the
populations are small
(“less than 100 individuals”)
Effective population size Ne:
The size of an ideal population that would
experience the same effects due to genetic
drift than the actual population studied.
Generally assumed to be similar to the number
of reproductive adults, but it is more complex....
Genetic Flow:
In population genetics it is considered a synonym of
migration.
The incorporation of genes into the gene pool
of one population from one or more other populations
(Futuyma, 1986).
m= migration rate,
probability that a randomly
chosen gene in any subpopulation comes from
a migrant.
Modelos de la
estructura
geográfica de las
especies.
Violaciones al modelo básico,
ayudan a entender el papel de
la geografía...
a Island model of migration.
b Stepping-stone model.
c Isolation by distance model.
d Metapopulation model.
In nature, not only do individuals move
between populations, but
also individual populations come and go
over time (t) with the
founding and extinction of entire
populations being an important
component of population structure
Effective population size Ne is usually studied at
the same time that the gene flow:
Ne m = number of migrants per generation.
If Ne m is large (larger than 1) the different
populations behave as a single unit: no divergence due to
drift.
If Ne m is low (smaller than 1): each population
evolves independently by genetic drift.
A single effective migrant per
generation is enough to inhibit
any genetic divergence among
population
A partir de la distribución de las frecuencias alelicas
se pueden hacer inferencias con los datos y
modelos clásicos:
Different indirect methods for the estimate of Nem
from genetic variation (island model):
a) From Fst = 1/ (4 Ne m +1)
b) From the private alleles method of Slatkin (1985):
Average frequency of alleles found in only one population
log10[p(1)] = a log 10 Ne m + b
a and b are constants derived by simulated data
Logic: with high gene flow, the rare alleles should be very rare
c) Isolation by distance analysis (genetic
differentiation as a function of the geographic distance), using
estimates of Ne m for pairs of populations (M), following Slatkin
(1993)
GENETICA DE POBLACIONES
EMPIRICA y EXPERIMENTAL:
Theodosius Dobzhansky
(1900-1975):
10 años más joven que Fisher, Wright
y Haldane, Nació en Meriov, cerca de
Kiev, en Ucrania.
En 1927 Dobzhansky llegó a Estados
Unidos, para realizar una estancia de
investigación con Thomas H. Morgan,
padre de la genética con drosofilas
Dobzhansky decidió utilizar lo
aprendido en el laboratorio de
Morgan para desarrollar un proyecto
de investigación sobre la Genética
de Poblaciones en
D. pseudoobscura:
(Genetics of Natural Populations;
1937)
Cromosomas gigantes/ Inversiones y
cruzas para revelar variación genética
proyecto que inicialmente diseño junto con
Stutervant, con el que luego se peleó, y en
el que siempre quiso involucrar de manera
más activa a Wright.
De sus experimentos y datos
de drosofilas, propone el
“modelo balanceado de
la estructura genética de
las
poblaciones”:
poblaciones e individuos
ricos en variación genética:
cada individuo es rico en loci
heterócigos, mantenidos por
selección balanceadora
(ventaja del heterócigo)
“Modelo balanceado de
la estructura genética de las
poblaciones”:
individuos ricos en variación genética: cada
individuo es rico en loci heterócigos,
mantenidos por selección balanceadora
(ventaja del heterócigo)
Lo contrasta con el
“modelo clásico de las
estructura genética de las
poblaciones”:
las poblaciones, casi sin variación
genética, la mayor parte de las
mutaciones deletéreas, que son
constantemente eliminada por la
selección natural purificadora...
Se lo atribuye a H.J. Muller,
genetista que descubrió el efecto de
los rayos X en generar mutaciones,
etc.
“modelo clásico de las
estructura genética de
las poblaciones”:
las poblaciones, casi sin variación
genética, la mayor parte de las
mutaciones deletéreas, que son
constantemente eliminada por la
selección natural purificadora...
H.J. Muller
Dobzhansky: Los resultados de su programa de
investigación en drosofila ambiguos: no
necesariamente apoyaban al modelo balanceado,
ni la SN como fuerza evolutiva dominante...
1966: Richard Lewontin (su alumno)
Hubby y Harris:
aloenzimas (isoenzimas),
geles de almidón:
sugieren MUCHA
variación
genética
a nivel molecular
¿mantenida por
selección
balanceadora?
Levels of Genetic Variation in Natural Populations
Lewontin y Hubby (1966): average H=
0.12 & P 30%
in 18 loci in D. pseudoobscura... similar high
levels in most organisms!!!
Superficially seem to support the Balanced Model of T.
Dobzhansky:
neodarwinians
happy!!!
Según
Motoo
.
Kimura (19241994): NO!!!!
Si hay mucha variación,
pero es nula para la
selección natural (no la
ve, y si hay, es
purificadora)
Balance entre la Deriva
Génica y la
Mutación (que hacen que se
pierda o se fije la variación
genética)
Fundamentos Evolución
Molecular!!
Kimura es alumno,
indirecto, de Wright y de
Muller...
But the data were not conclusive (could support
any of the models)! 12 years latter,
Kimura Genetic Club Meeting Fukuoka,
November 1967 (Nature, 1968):
Kimura
two observations
a) The rate of evolution in proteins is almost
constant and high. (Zuckerkandl E. y L.
Pauling (1962, 1965) Molecular Clock).
b) High levels of genetic variation in proteins
(Lewontin y Hubby (1966)) (too high to be
maintained only by balancing selection)
KIMURA: Genetic Variation.
Segregational Load.
If all the variation is maintained by Balancing Selection:
If there are 2000 polymorphic genes (reasonable,
considering a total genome of 13,000 genes and a
polymorphism of 30%), and each gene has only and
advantage of s=0.01
The total fraction of eliminated individuals should be
0.9999546, each adult should leave a progeny of 22,000
to maintain the population (at constant size).
I.e., we should be several times dead to maintained the
observed genetic variation (if all due to balancing
selection).
A simple solution: What if the molecular evolution is
controlled by a balance between mutation and drift?
I.e., extend Wright´s ideas to the Molecular World (no
only Mendel´s)
W
K
Crítica:
But Kimura neutraL theory does not work for all
molecular data.
It should be considered as the NULL MODEL, that
describe the evolutionary behavior in terms of
population genetics when there is no selection
Is the corner stone of the study of Molecular Evolution
But the really interesting things happen when it is not
followed by our data!
Heterogeneity in substitution rates among lineages, in
time and among
In general we have less genetic variation than
expected by IAM
There are ample evidences and signals in the sequence
that indicates different kinds do selection: purifying,
balancing and directional!
In species
/population
with a large
Ne we have
far less
genetic
variation than
the predicted
by Infinite
Alleles Model
o sea...
Kimura no es
todo!
Predicted
Observed!!
Estas son las ideas básicas del
curso...
¡Vamos a explorarlas con más
cuidado en el resto de las clases!
GENETICA DE POBLACIONES
Pero en los años 60s, la revolución de la genética molecular
alcanza a ésta área de la biología.
Paralelamente, por un lado se comienzan a aplicar los
métodos de electroforesis en proteínas, que revelan una
riqueza extraordinaria de variación genética.
Por el otro lado se comienzan a acumular los primeros datos
de evolución molecular, en la forma de secuencias de
aminoácidos para algunas proteínas.
Los datos de electroforesis de proteínas se podían interpretar
usando la extraordinaria herramienta analítica derivadas de la
teoría de Fisher, Wright y Haldane, y permitieron analizar la
estructura genética para muchos genes en gran cantidad de
individuos para cualquier especie de organismo.
Sin embargo, pronto resultó claro que ésta
información y la obtenida en los estudios de
evolución molecular no se ajustaban a los modelos o
paradigmas de evolución propuesta hasta ese
momento, y obligó a M. Kimura en 1968 a desarrollar
la “Teoría neutra de la evolución molecular”, que
propone que esta variación genética se comporta,
básicamente, de manera independiente de la
adaptación (era selectivamente “neutra”), y que la
variación es generada por la mutación que se pierde
o conserva simplemente por procesos aleatorios
conocidos como deriva génica y permitía interpretar a
los datos de evolución molecular desde una
perspectiva de genética de poblaciones.
Aunque las propuestas de Kimura fueron
inicialmente muy mal recibidas por la comunidad
científica, eventualmente se ha reconocido que la
mayor parte del material genético se comporta de
esta manera. Esto es una ventaja, ya que simplifica
los análisis e implica que el material genético
funciona como un archivo, un registro viviente del
pasado evolutivo.
Así, a partir de los años 60 hemos visto el desarrollo
de nuevas herramientas moleculares que permiten
analizar directamente la variación genética a nivel
ADN y el desarrollo de nuevos análisis basados en
el comportamiento más fino del material genético en
términos de la genética de poblaciones.
Con el desarrollo del PCR, de protocolos
moleculares sencillos y económicos y de los
secuenciadores automáticos, se ha logrado
abatir los costos y de esta forma se puede
tener gran cantidad de información genética
detallada para cualquier organismo. Al
mismo tiempo, recientemente se han
desarrollado métodos genómicos de
secuenciación masiva y la teoría de la
coalescencia, que representan una nueva
revolución dentro de la genética de
poblaciones.
VI. El flujo génico y la estructura
de las poblaciones.
VII. La mutación.
VIII. Modelos de varios genes
IX. Genética de poblaciones
molecular.

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