View
0
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
5/7/2012
1
GENÒMICA COMPARADAGENÒMICA COMPARADA
Canvis a nivell nucleotídicCanvis a nivell cromosòmic
Mutació
Destí dels nous canvis introduïts al DNA
Neutra PerjudicialBeneficiosa
Fixació per l ió i i
Deriva è i
Eliminació per l ó f dselecció positiva genètica selecció purificadora
Tasa de substitución neutra
5/7/2012
2
Teoria neutralista de l’evolució molecular
La gran majoria de canvis a nivell molecular estan causats per acció de la deriva genètica (atzar) actuant sobre canvis neutres (que no afectenl’eficàcia biològica dels individus).
Mutacions neutres
Teoria neutralista de l’evolució molecular
Taxa de mutació (µ) Taxa d’incorporació de canvis en una seqüèncianucleotídica durant el procés de replicació
Taxa de substitució (k) Taxa amb la que nous canvis es fixen en la població
Si les mutacions són neutres
k = (2n µ) (1/2N) = µ
Nombre de substitucions/generació = (mutacions/generació) (probabilitat de fixació)
( µ) ( / ) µ
Esperem una taxa de substitució constant. La divergència neutra entre espècies depèn del temps de divergència i de la taxa de mutació
5/7/2012
3
Càlcul del nombre de substitucions nucleotídiques
CCAAATGCCGATGACGACCTGCTGCGCCAG
CCAAATGCGGATGACGATCTTCTGCGCCAG
Escherichia coli
Salmonella typhimurium
3 canvis/ ó
l3 4D
proporció de nucleòtids diferents
D és una estima mínima perquè poden existir posicions amb més d’una substitució. Correcció de Jukes i Cantor.
D = 3 canvis
30 posicions= 0,1 canvis/posició
K = ‐ ∙ ln 1 ‐34
4D3
nombre de substitucions / posició
Taxa de substitució per milió d'anys: = K/2T on T és el temps des del avantpassat comú més recent
• El nombre de substitucions nucleotídiques (neutres) en regions no
Comparació entre el genoma humà i el del ratolí
• El nombre de substitucions nucleotídiques (neutres) en regions no funcionals (repeticions ancestrals) és 0,46‐0,47 substitucions per posició (67% identitat).
• El nombre de substitucions nucleotídiques a les terceres posicions dels codons (llocs amb degeneració quàdruple) és 0,46‐0,47 substitucions per posició (67% identitat).
• Almenys el 5% del genoma mostra evidències d'importància y g pfuncional, és a dir, una identitat superior a l'esperada donada la taxa de substitució neutra.
• Aquesta fracció inclou: exons (1.5%), UTR (1%), RNAs que no codifiquen proteïnes, regions reguladores de l'expressió i elements estructurals dels cromosomes.
Waterston et al. 2002 Nature 420:520‐62.
5/7/2012
4
• 481 regions de> 200 bp 100% idèntiques entre humà, rata i ratolí (> 5000 regions de> 100 bp 100%
Regions ultraconservades al genoma humà
rata i ratolí ( 5000 regions de 100 bp 100% idèntiques)
• 111 solapen mRNAs (exòniques)
• 256 no solapen mRNAs (no exons)‐ 100 intròniques‐ 156 intergèniques156 intergèniques
• 114 evidència no concloent.
Bejerano et al. 2004 Science 304: 1321‐1325
*
*
Regiones ultraconservadas exónicas
*
*
*
Regiones ultraconservadas no-exónicas
5/7/2012
5
mel/psemel/buzpse/buz
Negre et al. 2005 Genome Research
Anàlisi comparatiu dels genomes de 29 mamífers
E i l f ió l
Lindblad‐Toh et al. (2011) Nature
Es va estimar la fracció total del genoma sota constrenyiment evolutiu en el 5,4%. Es van detectar 3,6 milions d'elements (mida mitjana 36 bp) que abasten el 4,2% del genoma
5/7/2012
6
Ratio Ka/Ks
Ka = substitucions per posició no‐sinònima
K b i i i ió i ò i
ATGCCACGCGCC…
Met Pro Arg Gly
A les regions codificants podem distingir dos tipus de posicions nucleotídiques:
Ks = substitucions per posició sinònima
La proporció o ratio Ka/Ks ens indica el tipusde selecció que actúa sobre el gen.
Ka/Ks = 1 Totes les substitucions són neutres. Tants canvis sinònims com no‐i ò i P d
Posicions no‐sinònimesPosicions sinònimes
sinònims. Pseudogens.
Ka/Ks < 1 Selecció purificadora. Més canvissinònims que no‐sinònims. Majoria de gens.
Ka/Ks > 1 Selecció positiva. Més canvis no‐sinònims que sinònims. Excepcional.
Comparació entre el genoma humà i el del ratolíAnàlisi de las selecció en 12.845 gens ortòlegs
Amino acid identity (%) KA/KS
% amino acid identity (%) for 1:1 human/mouse ortologues
Amino acid identity (%) KA/KS
5/7/2012
7
Comparació entre el genoma humà i el del ximpanzé
Comparació de 13.454 gens ortòlegs 1:1
KA/KS = 0.23KA/KI = 0.23
585 gens (4.4%) amb KA/KI > 1
Exemples:Glycophorin C,Granulysin,Protamines and semenogelins, Mas‐related gene family
The Chimpanzee Sequencing and AnalysisConsortium 2005 Nature
Anàlisi de las selecció al genome de 29 mamífers
• Forta selecció purificadora (dN/dS < 0,5) per el 84,2% de codons i selecció positiva (dN/dS >1.5) en el 2,4% dels codons (94,1% dels codons amb dN/dS<1 y 5,9% dels codons amb dN/dS >1).
d l• 15.383 codons seleccionats positivament en 4.431 proteïnes. Lesgens es divideixen en tres classes:
‐ 84,8% mostren selecció purificadora alt i uniforme,
‐ 8,9% presenten selecció positiva distribuida a través de la seva longitud i
‐ 6,3% mostren selecció positiva localitzada concentrada en petits grups.
• Categories funcionals:
b l ó d b d ó d l• Gens amb selecció positiva distribuïda: resposta immune, percepció del gust, segregació dels cromosomes meiòtics i regulació de la transcripció.
• Selecció positiva localitzada: processos bioquímics centrals com ara moviment basat als microtúbuls, canvis topològics al ADN i manteniment dels telòmers.
Lindblad‐Toh et al. (2011) Nature
5/7/2012
8
Evidence for negative and positive selection
a b c d e f
a b e f a b c d e f
w x
a b
w x c d e f
z
y z y
Reordenacions cromosòmiques
a b e fDELECIÓ
a b c d e f
a b c d e fINSERCIÓ
a b c d e f a b zTRANSLOCACIÓ
a b c d e f
a b c d e f
a b c d e fc
INSERCIÓ
DUPLICACIÓ
a e d c b f
INVERSIÓ
5/7/2012
9
Unequal crossing over Retroposition
Mecanismes de duplicació gènica
Figure 1. Kaessmann (2010) Genome Research 20: 1313‐1326
Destí d’un gen duplicat
DUPLICACIÓ GÈNICA
S b f i li ió N f i lit ió
PseudogenitzacióConversió d’una còpia en pseudogen i/o eliminació
Sub‐funcionalitzacióRepartiment de funcionsentre les dues còpies
Neo‐funcionalitzacióAdquisició d’una nova funcióper part d’una de les còpies
5/7/2012
10
Duplicacions gèniques funcionals
SUBFUNCIONALITZACIÓGen engrailed al peix zebra
Danio rerio
NEOFUNCIONALITZACIÓOpsines en humans i micos del vell món
Figure 7. Force et al. (1999) Genetics 151: 1531–1545
Red Green
Figure 7. Dulai et al. (1999) Genome Research 9: 629‐638
Duplicació d’un gen
Gens ortòlegs i paràlegs
Present
Especiació
Espècie 1 Espècie 2
PARÀLEGS PARÀLEGS
ORTÒLEGS ORTÒLEGS
HOMÒLEGS
Gens ortòlegs Derivats d’un procés d’especiació
Gens paràlegs Derivats d’una duplicació i membres d’una família multigènica
5/7/2012
11
Guanys de gens: 43
Pèrdues de gens: 28
D. melanogaster
D. simulans
51
5151
51
5151
Evolució d’una família multigènica
Odorant binding proteins (OBP) al gènere Drosophila
Gens funcionals Pseudogens
Pèrdues de gens: 28
Pseudogens: 13 D. sechellia
D. yakuba
D. erecta
D. ananassae
D. pseudoobscura
50 (1)
54 (1)
49 (2)
49 (1)
44 (2)
45
47 51
44
51
53(1)
02(0)
41(1)
13(2)
20(0)
1
40(0)
12(2)
01(1)51
47
50 (1)
54 (1)
49 (2)
49 (1)
44 (2)
45
47 51
44
51
53(1)
02(0)
41(1)
13(2)
20(0)
1
40(0)
12(2)
01(1)51
47
D. persimilis
D. willistoni
D. mojavensis
D. virilis
D. grimshawi
44 (2)
61 (2)
42
40 (1)
45 (3)
47
42
44
162(2)
11(0)
02(1)
85(3)
1(0)
05(0)
2(2)
42
44 (2)
61 (2)
42
40 (1)
45 (3)
47
42
44
162(2)
11(0)
02(1)
85(3)
1(0)
05(0)
2(2)
42
Figura 1. Vieira et al. (2007) Genome Biology 8: R235.
Duplicacionsdel genoma complet
Box 1. Van de Peer et al. (2009) Nature Reviews Genetics 10: 725‐732
5/7/2012
12
Generació d'una inversió cromosòmica per recombinació ectòpica entre còpies d'un transposó
Cáceres et al. 1999 Science
Generació d'una inversió cromosòmica pertrencaments escalonades i reparació (NHEJ)
Ranz et al. 2007 PLoS Biology
5/7/2012
13
Segments sintènics
Les reordenacions cromosòmiques canvien l’ordrei orientació dels segments sintènics
Figure 2. Pevzner and Tesler (2003) PNAS 100: 7672‐7677
Segments sintènics
Segment sintènic Grup de gens situats en el mateix ordre en la comparació de genomes de diferentes espècies
Figure 3. Mouse Genome Sequencing Consortium (2002) Nature 420: 520‐562.
342 segments >300 kb conservats entre els genomes d’humans i ratolí (mida mitjana = 6,9 Mb) que impliquen 295 reordenacions cromosòmiques
5/7/2012
14
La taxa de fixació de reordenacions cromosòmiques varia molt entre llinatges
Taxa de fixació de reordenacions cromosòmiquesTaxa de fixació de reordenacions
Figure 1. Coghlan et al. (2005) Trends in Genetics 21: 673‐682
Taxa de fixació de reordenacions cromosòmiquesOrigen dels cromosomes sexuals
Figure 3. Graves and Peichel (2010) Genome Biology
Recommended