ANTROPOLOGÍA BIOLÓGICA III

Profesor Titular: Dr. Gustavo Barrientos Profesor Adjunto: Dr. Claudio Bravi

Jefa de Trabajos Prácticos: Dra. Gisel PadulaAyudantes Diplomadas: Dra. Egle Villegas y Lic. Elina Francisco

Ciclo Lectivo 2011

Universidad Nacional de La Plata Facultad de Ciencias Naturales y Museo

§ La microevolución es la ocurrencia de cambios apequeña escala en las frecuencias alélicas de unapoblación, 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 derivagénica.

§ La genética de poblaciones es la rama de la biologíaque proporciona la estructura matemática para elestudio de los procesos de la microevolución.

Microevolución

Ley de Equilibrio de Hardy-Weinberg

1) Las frecuencias alélicas en un locusautosómico no cambian de unageneración a la siguiente (equilibrio delas frecuencias alélicas).

2) Las frecuencias genotípicas estándeterminadas de una manera predeciblepor las frecuencias génicas o alélicas(equilibrio de las frecuenciasgenotípicas).

3) El equilibrio es neutro. Si se perturbala población, el equilibrio sereestablecerá en una sola generación deapareamiento al azar.

Supuestos del Equilibrio de Hardy-Weinbergv la población es infinitamente grande y se aparea

al azar (población panmíctica).

vno existe selección (cada genotipo puedesobrevivir al igual que el otro, no hay mortalidaddiferencial y cada genotipo es capaz de producirprogenie).

v la población es cerrada, no hay migración niemigración.

vno existe mutación.

vexiste meiosis normal, el azar es el único factoroperativo en la gametogénesis.

Agentes Microevolutivos

v Mutaciónv Flujo Génicov Selección

Procesos sistemáticos (se puede predecir la magnitud y ladirección de los cambios en las frecuencias alélicas queintroducen en poblaciones mendelianas):

v Deriva génicav Endogamia o consanguinidad

Procesos dispersivos (su acción es predecible enmagnitud, pero no en dirección):

Efectos de los Agentes Microevolutivos sobre la Variación Genética

puede reducirla

la reduce

puede aumentarla

la aumenta

Genoma (Winkler 1920) [Gr. “gen” (origen) y “oma” (conjuntocompleto de unidades); ver Lederberg y McCray 2001]:Conjunto conformado por la totalidad de los genes y por el resto del ADNestructural 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

Observación, Crianza

MutacionesFuentes de Datos

xeroderma pigmentoso

Observación Clínica

MutacionesFuentes de Datos

Experimentación

Thomas Hunt Morgan(1866-1945)

MutacionesFuentes de Datos

Drosophila melanogaster

fenotipo

cromosomas

ADN

Secuencia Histórica en el Estudio de las

Mutaciones

Nivel molecularNivel cromosómico

Mutaciones

v Una mutación puede definirse como una falla en la fidelidadde almacenamiento de la información genética.

v Los cambios en la información genética pueden reflejarse enla expresión de esa información (i.e. en las proteínasproducidas). En otras palabras, las mutaciones dan cuenta de lavariabilidad en la información genética.

Mutaciones a Nivel Molecular

v La cantidad de células del cuerpo humano es de aproximadamentecincuenta billones (i.e. 50 x 1012).vSe calcula que, mediante cambios térmicos, una célula humanaacumula por día la pérdida de unas 5000 bases púricas (adenina yguanina).v Análogamente, se estima en 100 los cambios producidos por díamediante la desaminación de la citosina al uracilo.v La acción de la luz ultravioleta del sol puede favorecer la formaciónde dímeros de timina.v Este elevado número de cambios, producidos en el genoma de lascélulas, necesita de un sistema de reparación que brinde la estabilidadnecesaria para que la célula pueda cumplir con sus procesos vitales.v Hoy se sabe que menos del 1‰ de estos cambios accidentales de lasbases del ADN provoca una mutación; el resto son eliminados, con unaeficacia altísima, mediante el proceso de reparación del ADN.

Errores y Daños del ADN vs. Mutaciones

v Las consecuencias de una mutación dependen del lugar endonde ocurren. Algunas mutaciones ocurren en células delcuerpo; estas se denominan mutaciones somáticas.

v Algunas mutaciones ocurre, en cambio, en célulasgerminales que producen a las gametas. Éstas se denominanmutaciones gaméticas y son las que tienen importanciaevolutiva.

Mutaciones Somáticas y Gaméticas

v Algunas mutaciones surgen como errores naturales durantela replicación del ADN, o como resultado de reaccionesbioquímicas desconocidas. Estas mutaciones se denominanespontáneas.

v Las mutaciones pueden también ser causadas por agentesambientales, denominándose en ese caso inducidas.

v Ambos tipos de mutación sólo pueden ser diferenciadasmediante la estimación de la tasa de ocurrencia dentro de unapoblación y su comparación con la tasa estimada para la especie.Cuando es significativamente mayor, puede inferirse sucarácter inducido.

v Los factores ambientales que causan un incremento en latasa de mutación se denominan agentes mutagénicos.

Mutaciones Espontáneas e Inducidas

Son aquellos factores del ambiente que producen mutaciones, talescomo:v radiaciones electromagnéticas: a) radiaciones ionizantes (rayosX, partículas alfa, beta y gamma de fuentes radiactivas como elradio, uranio, cobalto, rayos cósmicos que aumentan con ladisminución de la capa de ozono); b) radiación ultavioleta (UV).v agentes físicos: choques térmicos, ultrasonidos de altísimaenergía, centrifugación masiva.v agetes químicos: análogos de bases de ácidos nucleicos, ácidonitroso, agentes alquilantes como el gas mostaza, colorantes deacridina (proflavina, acridina), carcinógenos (benzopireno), sulfatode cobre, ácido bórico, ácido fórmico, colchicina, uretano, drogascomo el L.S.D., nicotina, edulcorantes como el ciclamato, peróxidoscomo el agua oxigenada.v agentes biológicos: virus, bacterias, anthrax.

Agentes Mutagénicos

Radiación Electromagnética

no ionizante ionizante

La radiación electromagnética es una combinación de campos eléctricosy magnéticos oscilantes, que se propagan a través del espaciotransportando energía de un lugar a otro.

v Se entiende por radiación no ionizante aquella onda opartícula que no es capaz de arrancar electrones de la materiaque ilumina produciendo, como mucho, excitacioneselectrónicas. atendiendo a la frecuencia de la radiación seránradiaciones no ionizantes las frecuencias comprendidas entrelas frecuencias bajas o radio frecuencias y el ultravioleta,aproximadamente.

v Radiaciones ionizantes (rayos X y rayos gamma), sonaquellas radiaciones con energía suficiente para ionizar lamateria, extrayendo los electrones de sus estados ligados alátomo. Las radiaciones ionizantes pueden provenir desustancias radiactivas, que emiten dichas radiaciones deforma espontánea, ó de generadores artificiales, tales comolos generadores de rayos X y los aceleradores de partículas.

Radiaciones No Ionizantes y Ionizantes

Acción Biológica de la Radiación Ionizante

Clasificación de las Mutacionespor sus Efectos

v Neutrales

v Deletéreas

v Ventajosas

v Cambio en un rasgo morfológico (v.g. variaciones en tamaño oforma).

v Variación nutricional o bioquímica (v.g. síntesis de algúnaminoácido por supresión o inactivación enzimática).

v Cambio en el comportamiento (v.g. comportamiento deapareamiento en Drosophila).

v Cambios en la regulación de la actividad génica (v.g. a travésde la inactivación de un gen que codifica un factor detranscripción).

v Letalidad (v.g. alelo de Huntington en humanos).

Efectos de la Mutación

(a)AAGGCAAACCTACTGGTCTTATGT secuencia original

(b) AAGGCAAATCTACTGGTCTTATGT transición

(c) AAGGCAAACCTACTGCTCTTATGT transversión

deleción (ACCTA)(d) AAGGCAAvCTGGTCTTATGT deleción de ACCTA

inserción (AAAGC)(e) AAGGCAAACCTACTvAAAGCvGGTCTTATGT inserción

de AAAGC

Tipos de Mutaciones

A) Sinónimo (synonymous)Ile Cys Ile Lys Ala Leu Val Leu Leu Thr secuencia de aminoácidosATA TGT ATA AAG GCA CTG GTC CTG TTA ACA secuencia de ADNATA TGT ATA AAG GCA CTG GTA CTG TTA ACA substitución de baseIle 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 aminoácidosATA TGT ATA AAG GCA AAC GTC CTG TTA ACA secuencia de ADNATA TGT ATA AAG GCA AAC TTC CTG TTA ACA substitución de baseIle 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 ThrATA TGT ATA AAG GCA AAC GTC CTG TTA ACAATA TGT ATA TAG GCA AAC GTC CTG TTA ACA codón de paroIle Cys Ile Ter finalización del polipéptido

Mutaciones Puntuales(point mutations)

El código genético es el conjunto de normas por las que la informacióncodificada en el material genético (secuencias de ADN o ARN) se traduce enproteínas (secuencias de aminoácidos) en las células vivas.El código define la relación entre 61 secuencias de tres nucleótidos, llamadascodones y 20 aminoácidos. Las tres secuencias de tres nucleótidos restantescorresponden a órdenes de fin de secuencia.

Código Genético

v Las sustituciones de bases en el ADN se dan de forma tal quefluctuaciones espontáneas raras pero naturales en las unionesentre bases pueden ocurrir. Estas fluctuaciones pueden afectaren forma breve al modo en que las bases forman los puentes dehidrógeno. Por ejemplo, cuando sufre un cambio tautomérico, lacitosina puede formar una unión con la adenina. Por ello, cuandoel cambio tautomérico ocurre durante la replicación, elnucleótico erróneo puede insertarse en el nuevo ADNsintetizado.

Causas de Mutaciones Puntuales

Citosina (forma ceto) Timina (forma enol)

Timina (forma amina) Citosina (forma imino)

Normales Tautómeros

v Las sustituciones de bases pueden también ser causadas pormodificaciones químicas de las bases. Un tipo de modificación deesta naturaleza es causada por los agentes alquilantes(genotóxicos), tales como el etilmetanoulfonato y elmetilmetanosulfonato. Estos agentes donan a las bases gruposalquilos (grupos metil y etil), afectando sus propiedades deunión. Por ejemplo, cuando la guanina se alquila, produciendo 7-etilguanina, se une a la timina.

Causas de Mutaciones Puntuales

Anemia Falciforme o “Sickle Cell” Anemia

v Forma falciforme de los glóbulosrojos.v El Ácido Glutámico es reemplazadopor Valina debido a una sustitución debases.

ADN GAGCTCARNm

GAG

GTGCUC

GUG

Normal Mutación

Polipéptido

aa1…….Glu……….. aa146 aa1..…..Val…….. aa146

ARNt

A) DeleciónLys Ala Leu Val Leu Leu Thr Ile Cys Ile TerAAG GCA CTG GTC CTG TTA ACA ATA TGT ATA TAA TACCATCGCAATAGGGAAG GCA CTG vTCC TGT TAA CAATATGTATATAATACCATCGCAATAGGGLys Ala Leu Phe Cys Ter

B) InserciónLys Ala Asn Val Leu Leu Thr Ile Cys Ile TerAAG GCA AAC GTC CTG TTA ACA ATA TGT ATA TAA TACCATCGCAATAGGGAAG GCA AACvGvGT CCT GTT AAC AAT ATG TAT ATA ATA CCA TCG CAA AGTLys Ala Asn Gly Pro Val Asn Asn Met Tyr Ile Ile Pro Ser Gln Ter

Mutaciones por Cambio en el Marco de Lectura(frameshift mutations)

v Estas mutaciones pueden ser causadas por agentesintercalantes, que son sustancias químicas que se insertanentre pares de bases adyacentes. La intercalación ocasionacambios en la conformación de la doble hélice, de modo talque cuando ocurre la replicación, la conformación aberrantecausa pequeñas deleciones o inserciones en el nuevo ADN trasla síntesis.

Causas de Mutaciones por Cambios en el Marco de Lectura

agente intercalante

v La radiación también es capaz de inducir mutaciones en el ADN. Laradiación ionizante, tales como los rayos gama y los X, dependiendo dela energía de la radiación, pueden crear radicales libres que resultanen diferentes tipos de problemas en la estructura del ADN.

v La radiación ultavioleta (no ionizante), también puede causarmutaciones. Su efecto es la formación de dímeros de pirimidinas (T:T,C:C, T:C) adyacentes en una cadena de ADN. La radiación UV puedepromover la formación de una unión covalente entre las dospirimidinas, afectando sus propiedades de apareamiento, einterrumpiendo el proceso de replicación del ADN. Es la causaprincipal de cáncer de piel.

dímero de timina

Causas de Mutaciones por Cambios en el Marco de Lectura

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 unaextrema sensibilidad a la radiación ultravioleta, como la luz del sol. Laspersonas con xeroderma pigmentoso no pueden curarse del daño de lapiel causado por el sol u otras fuentes de radiación ultravioleta ytienen mucho riesgo de padecer alteraciones cutáneas, oculares ysistémicas, incluyendo carcinomas, a edad temprana (primera ysegunda décadas de vida). También se llama xeroderma de Kaposi ymelanosis lenticular progresiva.

Es la frecuencia con la que un tipo concreto demutación se encuentra en una población de células oindividuos.

Frecuencias de Mutación

v muy frecuentes:10-1 - 10-3

v frecuentes: 10-4 - 10-7

v detectables: 10-8 - 10-9

v La espontaneidad de muchas mutaciones sugiere que sucarácter es aleatorio. Las mutaciones no surgen comorespuesta a estímulos ambientales específicos; por ejemplo, lasbacterias no mutan para convertirse en resistentes a undeterminado antibiótico, la mutación ocurre con independenciade las condiciones de selección (i.e. presencia del antibiótico).

v Las mutaciones pueden ser reversibles. Si una mutación sóloocurre una vez en un gen, existe una muy pequeña probabilidadque la base mutada pueda volver a mutar a su forma original.En forma alternativa, existen casos en los cuales una mutaciónocurrida en otro gen hace que el fenotipo de un organismoadopte la apariencia original o silveste. Este tipo de mutaciónse denomina supresora.

Mutaciones Reversibles

Tasa de Mutación

pn = (1-µ)n po

donde pn es la frecuencia del alelo dominante en la generación nµ es la tasa con la que “A” muta a “a”po es la frecuencia de A en la generación inicialy n es el número de generaciones implicado.

v Es una medida de la tendencia básica de un gen a mutar. Representael número de eventos de mutación por gen, gameta u organismo porunidad de tiempo.v La tasa de mutación espontánea varía. Los genes grandesconstituyen un blanco de mayor tamaño para las mutaciones, por lo quetienden a mutar más frecuentemente. Datos provenientes denumerosos estudios muestran que los organismos eukariotas exhibenen general una tasa de mutación espontánea de 2-12 x 10-6 mutacionespor 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 algúngen.v La tasa efectiva de mutación en el genoma humano está estimada enal menos 4,2 mutaciones por generación, de las cuales son deletéreasentre 1,6 y 3 mutaciones por persona por generación (Eyre-Walker yKeightley, 1999).

Tasa de Mutación

Number of entries by phenotype

PhenotypeNucleotidesubstitutions Micro-lesions Gross lesions

Insulin resistance, association with 1 0 0

http://archive.uwcm.ac.uk/uwcm/mg/hgmd0.htmlEctonucleotide pyrophosphatase/phosphodiesterase 1

Gene symbol : ENPP1Location : 6q

Mutations in this gene were first reported in 1999Pizzuti (1999) Diabetes 48, 1881Number of entries by mutation typeClick on the respective mutation type to view detailed information about the mutations as logged in HGMD.

Mutation type Total number of mutations

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

K. I. Goh et al. 2007

Nodos: enfermedadesLinks: genes relacionados

Enfermedades y Genes: Enfermedoma

enanismo acondroplásico

1 c/23.000 gametas

aniridia1 c/200.000

gametas

retinoblastoma1 c/43.500

gametas

esclerosis tuberosa

1 c/83.000gametas

albinismo1 c/37.700

gametas

hemofilia1 c/31.250gametas

Patologías Causadas por la Mutación de un Único Gen

a) Autosómicas:

b) Ligadas al Sexo:

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)

Macaca fascicularis Homo sapiens

Músculo Temporal

Nature 428: 415-418Macaca fascicularisMacaco cangrejero

Miosina II

Estructura Muscular

Miosina II: 40-50% de las proteínas del músculo. Posee dos cadenas pesadas y cuatro cadenas livianas.

Nature 428: 415-418

electroforesis

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)

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 matrizporosa, la cual finalmente las separa por tamaños moleculares y cargaeléctrica, dependiendo de la técnica que se use. Los ácidos nucleicos yadisponen 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 delpeso molecular. Para la separación se usa un gel de agarosa o poliacrilamida(fibras cruzadas, como una malla). Al poner la mezcla de moléculas y aplicarun campo eléctrico, éstas se moverán y deberán ir pasando por la malla, por laque las pequeñas se moverán mejor, más rápidamente. Así, las más pequeñasavanzarán más y las más grandes quedarán cerca del lugar de partida.

Electroforesis

Nature 428: 415-418

electroforesis

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; http://www.genecards.org/cgi-bin/carddisp.pl?gene=MYH16#search

cambio en el marco de lectura(frameshift mutation)

Tipo de locus: Pseudogen; Posición: 7q22.1

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)

Cromosoma 7

q

p

p q

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)

Mutación del Gen de la Miosina

Géneros y Especies de Homínidos(Mioceno, Plioceno, Pleistoceno)

P. troglodites A. afarensis P. boisei

H. habilis H. ergaster H. erectus H. neanderthalensis

H. sapiens H. floresiensisH. Sapiens

actual

Músculo Temporal en Homínidos

Nueva edad calculada para la mutación: 5,3 ma AP.

Revisión de la Edad de la Mutación del Gen de la Cadena Pesada de la Miosina (MYH16)

(Perry et al. 2005)

Géneros y Especies de Homínidos(Mioceno, Plioceno, Pleistoceno)

Mutación del Gen de la Miosina