Leccin 1 Introduccin y conceptos generales LECCIN 1

Lección 1 Introducción y conceptos generales

LECCIÓN 1 • • 1) Un poco de historia: hacia la nueva síntesis y el neutralismo 2) La base de todo: la variabilidad 3) Consecuencias de la selección natural 4) Evolución molecular: ¿qué está pasando en el DNA y las proteínas? • 5) Evolución y desarrollo

LECCIÓN 1 • 1) Un poco de historia: hacia la nueva síntesis y el neutralismo • 2) La base de todo: la variabilidad • 3) Consecuencias de la selección natural • 4) Evolución molecular: ¿qué está pasando en el DNA y las proteínas? • 5) Evolución y desarrollo

LA SELECCIÓN NATURAL PUNTOS DE PARTIDA: -1858 Artículos de Darwin y Wallace -1859 “El origen de las especies”, Darwin PLANTEAMIENTO: -a) Análisis morfológico: las distintas especies de seres vivos parecen interrelacionarse en forma de árbol → origen común y descendencia con modificación -b) Los seres vivos muestran adaptaciones a su entorno físico y biológico -c) Distribución geográfica de especies relacionadas ¿CÓMO EXPLICARLO? -1) Hay variabilidad en los seres vivos y en parte se hereda -2) Sólo una fracción de los seres vivos de cada generación deja descendientes: selección natural y sexual (1871 “El origen del hombre”, Darwin) -3) El dejar esos descendientes depende de variabilidad heredable CONSECUENCIAS: -1) La selección natural y sexual causa los cambios y explica las adaptaciones -2) Los cambios pueden llevar a esterilidad en los cruces: especiación (lecc. 10) -3) Todos estos procesos tienen lugar en las POBLACIONES

PRIMEROS PROBLEMAS Dos serias objeciones durante el siglo XIX: -1) La evolución por selección natural requiere bastante tiempo porque es un proceso de acúmulo gradual de cambios no muy grandes. Cálculos del físico Lord Kelvin: para que la Tierra haya llegado a su T actual hacen falta pocos miles de años → no es tiempo suficiente -2) No hay una idea clara de cómo funciona la herencia. Herencia por mezcla → los cambios no se conservan con los cruces SOLUCIONES APARECEN EN EL SIGLO XX: -1) La radioactividad ha enlentecido el enfriamiento de la Tierra → ahora hay disponibles muchos millones de años -2) Se redescubren los trabajos de Mendel: herencia particulada, no por mezcla NUEVO PROBLEMA: ¿la herencia mendeliana apoya más el cambio a saltos (MUTACIONISMO) que el gradual de la selección natural?

HACIA LA “NUEVA SÍNTESIS” Trabajos teóricos 1920 s-1930 s: -1) El mendelismo y la evolución gradual a través de la selección natural SON COMPATIBLES -2) Descripción matemática de cómo puede tener lugar el proceso: GENÉTICA DE POBLACIONES ¿QUIÉNES LO HACEN? Tres autores que llegan a conclusiones similares: -En Inglaterra: -R. A. Fisher. Pone más énfasis en las poblaciones grandes. También desarrolla principios de genética cuantitativa -J. B. S. Haldane. Aplica los modelos al sistema de Biston betularia -En USA: -S. Wright. Trabaja mucho sobre la deriva y poblaciones pequeñas y en interacciones entre genes

LA “NUEVA SÍNTESIS” ¿Esos modelos teóricos se ajustan a lo que pasa en la naturaleza? FIGURA ESENCIAL QUE LO APOYA: Th. Dobzhansky (de la escuela rusa de genética): 1937 “Genetics and the origin of species” → estudios en poblaciones naturales de especies de Drosophila Expansión por toda la biología de la nueva síntesis o teoría sintética de la evolución: J. Huxley “Evolution: the modern synthesis” (1942) E. Mayr “Systematics and the origin of species” (1942) G. G. Simpson “Tempo and mode in evolution” (1944) G. L. Stebbins “Variation and evolution in plants” (1950) Acúmulo de datos sobre la variabilidad molecular en los seres vivos → TEORÍA NEUTRALISTA: ¿qué proporción de la variabilidad molecular no tiene efecto selectivo? 1968 M. Kimura predijo que mucha. Neutralismo: alelos desfavorables → selección -; resto alelos → deriva, raramente selección + (lecc. 2, 7, 12) ELEMENTOS DE LA “NUEVA SÍNTESIS”: Punto de partida: La evolución es un cambio en la frecuencias de alelos en las poblaciones (debe haber variabilidad genética)

GENÉTICA DE POBLACIONES RECORDEMOS QUE PARA QUE SOBRE UN CARÁCTER ACTÚE LA SN: -1)Debe estar controlado genéticamente -2)Debe haber variantes del carácter -3)Algunas variantes deben conferir ventaja SIGNIFICATIVA a los individuos que las portan (si es muy pequeña serán variantes neutras) Población mendeliana: grupo de individuos que se reproducen entre ellos ¿Qué pasa en estas poblaciones con las frecuencias de alelos y genotipos para los distintos loci del genoma de los individuos? ¿Cómo cambian con el tiempo? ¿De qué dependen esos cambios, si los hay? IMPORTANTE CONSECUENCIA DEL MODO EN QUE SE GENERAN LOS GAMETOS EN LA MEIOSIS: Frecuencia ALELOS en la población en generación 1 = Frecuencia ALELOS en el conjunto de los gametos = Frecuencia ALELOS en la población en generación 2 Las frecuencias de los ALELOS en una población no variarán de generación en generación siempre que esta sea suficientemente grande (sin efectos aleatorios: deriva), no haya SN, mutación ni inmigrantes de otras poblaciones

GENÉTICA DE POBLACIONES ¿Y qué pasa con las frecuencias de los GENOTIPOS? Dependerá del modo en que los gametos se combinen para dar cigotos en la especie en estudio: del sistema de apareamiento (“mating system”) (lecc. 8) Algunos posibles sistemas de apareamiento: -Al azar (“random mating”) -Consanguíneo (“inbreeding”) -Homogamia, preferencia por individuos de fenotipo ≈ -Heterogamia, preferencia por individuos de fenotipo ≠ IMPORTANTE PARA LOS 2 ÚLTIMOS: dentro de una especie el sistema de apareamiento puede ser ≠ para ≠ caracteres (en humanos suele ser al azar para el grupo sanguíneo, pero homogámico para el peso o la altura) Con apareamiento al azar (lecc. 3) las frecuencias de los genotipos alcanzan el equilibrio de Hardy-Weinberg (NO CAMBIAN), con otros sistemas suelen alcanzarse equilibrios con menor frecuencia de heterocigotos que en H-W Estos equilibrios SÓLO si no hay SN, mutación, migración o efectos aleatorios (deriva): modelos matemáticos (simplificaciones) para describir los cambios que producen en las frecuencias de alelos y genotipos (lecc. 4, 5, 6, 7)

LOS GENES NO ESTÁN SOLOS Lo más simple es estudiar la evolución de un único gen, pero … Muchos caracteres de interés evolutivo están controlados por varios genes: Hay que conocer los métodos de la genética cuantitativa (lecc. 9) En cualquier ser vivo hay muchos genes y cada gen NO es un mundo aparte: Los cambios evolutivos de un gen no sólo dependen de las condiciones del entorno del ser vivo, también de los alelos del resto de genes en el genoma de un individuo (entorno genómico)

COADAPTACIÓN ENTRE GENES Drosophila equinoxialis y D. tropicalis, dos especies similares que viven en las mismas zonas Frecuencias típicas de alelos del locus Mdh-2: En D. equinoxialis alelo 86: 0, 005; alelo 94: 0, 992 En D. tropicalis alelo 86: 0, 995; alelo 94: 0, 004 ¿Por qué esas diferencias? EXPERIMENTO CON ALELO 94: poblaciones de laboratorio en que se seleccionan individuos para que las poblaciones de D. equinoxalis tengan ↓ frecuencia del alelo y las de D. tropicalis ↑ Luego se dejan pasar varias generaciones en IGUALES condiciones ambientales y ocurre: D. equinoxialis D. tropicalis Se vuelve a las frecuencias típicas del alelo en cada especie. PROBABLE EXPLICACIÓN: el alelo 94 funciona mejor en el genoma que hay normalmente en D. equinoxialis y peor en el de D. tropicalis Los productos de los genes no funcionan aislados sino en el contexto de los productos del resto de los genes de ese organismo

REDES DE GENES Tiempo Red de genes para TFs que controlan la inhibición del crecimiento de hojas de Arabidopsis en respuesta a estrés osmótico. Algunos son represores (ERF 8 y 9) para controlar que no se exagere la respuesta Cambios evolutivos en unos genes de la red probablemente deban estar coordinados con los del resto ya que unos afectan a la transcripción de otros Cambio de expresión

LECCIÓN 1 • 1) Un poco de historia: hacia la nueva síntesis y el neutralismo • 2) La base de todo: la variabilidad • 3) Consecuencias de la selección natural • 4) Evolución molecular: ¿qué está pasando en el DNA y las proteínas? • 5) Evolución y desarrollo

LA VARIABILIDAD Selección Reproducción Sin variabilidad: no hay evolución (nada cambia) Sin variabilidad de base genética: no hay evolución Con variabilidad de base genética: evolución

VARIABILIDAD Y SELECCIÓN La selección puede conseguir grandes efectos en poco tiempo si hay suficiente variabilidad de partida

ORIGEN DE LA VARIABILIDAD -La fuente de variabilidad es la mutación (lecc. 2) -Constantemente hay daños y alteraciones en el DNA y errores en la replicación -Datos de humanos: >10. 000 daños en el DNA de CADA célula CADA día -Los seres vivos han desarrollado sistemas de detección y reparación de daños y errores -Esos sistemas son costosos: >10. 000 moléculas de ATP para reparar UNA rotura de doble hebra -Esos sistemas no son infalibles CONSECUENCIAS: -Constantemente aparecen nuevos alelos → VARIABILIDAD -La variabilidad surge al azar → NO en respuesta a lo que se necesita ERROR: la inversión surgió para que se heredaran en bloque ciertos alelos CORRECTO: los individuos con la inversión son los que han terminado primando en la población

DESTINO DE LA VARIABILIDAD Mutación: ↑ Migración: ↑ “Pool” de alelos en nueva población “Pool” de alelos en una población Selección: ↓ Deriva: ↓

LECCIÓN 1 • 1) Un poco de historia: hacia la nueva síntesis y el neutralismo • 2) La base de todo: la variabilidad • 3) Consecuencias de la selección natural • 4) Evolución molecular: ¿qué está pasando en el DNA y las proteínas? • 5) Evolución y desarrollo

RESULTADO DE LA SELECCIÓN Disminuye la variabilidad (se eliminan alelos de efectos desfavorables) PERO: si la presión selectiva varía, ≠ alelos pueden persistir; algunos tipos de selección no eliminan alelos → puede mantenerse la variabilidad Seres vivos adaptados a su entorno y que funcionan bien PERO: la selección natural es un proceso histórico → depende de la historia previa de selecciones CONSECUENCIA: no NECESARIAMENTE se puede alcanzar un óptimo (el mejor diseño; la mejor adaptación) → los seres vivos llegan con la selección a máximos de eficacia, pero pueden ser locales, no globales EJEMPLOS: -1) respiración de mamíferos, aves y réptiles acuáticos: pulmones, no branquias

RESULTADO DE LA SELECCIÓN EJEMPLOS: -2) la replicación del DNA: complicaciones de hebra líder y retrasada (5’ → 3’), fragmentos de Okazaki (necesidad de cebador)

LECCIÓN 1 • 1) Un poco de historia: hacia la nueva síntesis y el neutralismo • 2) La base de todo: la variabilidad • 3) Consecuencias de la selección natural • 4) Evolución molecular: ¿qué está pasando en el DNA y las proteínas? • 5) Evolución y desarrollo

EVOLUCIÓN MOLECULAR Posibles consecuencias de hacer cambios en un gen: Viabilidad media -1) estropearlo (mutaciones deletéreas) → lo más probable -2) sin efecto o casi (mutaciones neutras) → más raro -3) mejorarlo (mutaciones ventajosas) → muy raro Mukai et al. (1972): ↓ la viabilidad en 3 grupos de 25 poblaciones de Drosophila que acumulan mutaciones. Por tanto: La mayoría de las mutaciones son deletéreas Generaciones

EVOLUCIÓN MOLECULAR Posibles consecuencias de hacer cambios en un gen: -1) estropearlo (mutaciones deletéreas) → lo más probable -2) sin efecto o casi (mutaciones neutras) → más raro -3) mejorarlo (mutaciones ventajosas) → muy raro Cambios detectados en el gen BRCA 1 que causan cáncer en humanos → LO ESTROPEAN (datos de 2003): Tipo de mutación Nº Cambios nt en región codificante 126 Inserciones/delecciones pequeñas 223 Delecciones grandes 20 Inserciones y duplicaciones grandes 2 Reorganizaciones grandes (incluyendo inversiones) 3 Cambios nt en zonas de splicing 34 Estas variantes normalmente serán eliminadas por la selección ya que causan problemas

CAMBIOS Y SELECCIÓN Selección Cambios fuertes de aa Cambios en regiones reguladoras Susceptibles de selección (positiva o negativa) Cambios aa similares Cambios sinónimos Cambios regiones no funcionales Evolucionan al azar Azar No toda la variabilidad molecular es sensible a la selección. Balance selección/deriva depende de la fuerza del efecto funcional de las variantes → compatible con neutralismo (lecc. 7, 12) También influye el tamaño de las poblaciones: < deriva en las grandes (lecc. 7)

EVOLUCIÓN MOLECULAR Secuencia de parte del gen BRCA 1 en varios mamíferos Wombat Opossum Armadillo Perezoso Dugongo Damán Cerdo hormiguero Tenrec Rinoceronte Cerdo Erizo Hombre Rata Liebre Estas variantes del gen NO han sido eliminadas por la selección

¿CÓMO SE LLEGA A ESO? Tiempo (Seminarios) Secuencias diferentes en cada especie Secuencia original (en un antepasado común) Diferentes mutaciones se fijan en cada especie a lo largo del tiempo, por la selección o al azar

EVOLUCIÓN MOLECULAR Secuencia de la proteína BRCA 1 en la misma zona Wombat Opossum Armadillo Perezoso Dugongo Damán Cerdo hormiguero Tenrec Rinoceronte Cerdo Erizo Hombre Rata Liebre

EVOLUCIÓN MOLECULAR Cambios sinónimos suelen: -Ser en 3ª posición codones -Ser transiciones Cambios sinónimos en 4 codones

EVOLUCIÓN MOLECULAR Wombat Opossum Armadillo Perezoso Dugongo Damán Cerdo hormiguero Tenrec Rinoceronte Cerdo Erizo Hombre Rata Liebre Cambios conservativos (entre aminoácidos similares): -R o K (aas básicos) -I, L, V, M (aas hidrofóbicos)

EVOLUCIÓN MOLECULAR Wombat Opossum Armadillo Perezoso Dugongo Damán Cerdo hormiguero Tenrec Rinoceronte Cerdo Erizo Hombre Rata Liebre Delecciones de múltiplos de 3 nt: no se rompe la fase de lectura En mutaciones causantes de cáncer SÍ las hay que rompen la fase

EVOLUCIÓN MOLECULAR Wombat Opossum Armadillo Perezoso Dugongo Damán Cerdo hormiguero Tenrec Rinoceronte Cerdo Erizo Hombre Rata Liebre No la tienen los marsupiales ¿fue delección en ellos o inserción en los placentarios? Sólo la tiene el oposum: probablemente fue delección en su línea Sólo la tienen esas cuatro especies: probablemente fue delección en su línea → tienen algo en común (grupo Afrotheria también con elefantes, topos dorados y musarañas elefantes)

CAMBIOS NO SÓLO EN LOS CDS (Li et al. Cell 2017) Cambio de un nt en el promotor hace que se una fuertemente el TF MYBS 1 El hongo induce la expresión del gen Bsr-d 1 cuyo producto es un TF MYBS 1 no permite la inducción de Bsr-d 1 por el hongo El TF BSR-D 1 induce la expresión de peroxidasas No se inducen peroxidasas ↓ [H 2 O 2] reduce las defensas de la planta al hongo ↑ [H 2 O 2] activa las defensas de la planta al hongo Cultivar de arroz sensible al hongo Cultivar de arroz resistente al hongo

¿BASE MOLECULAR DE LA EVOLUCIÓN? Se ve con mayor claridad en sistemas simples como las respuestas de tumores a medicamentos. Se han desarrollado medicamentos que matan las células tumorales. Pero tras cierto tiempo suelen dejar de ser efectivos. Secuenciación del genoma de los tumores resistentes descubre la razón de ello: muchos posibles cambios de secuencia pueden alterar los sistemas de señalización. Algunos casos:

RESISTENCIAS DE TUMORES -Cáncer de pulmón: ≈ 10% tienen mutación activadora de EGFR (receptor de membrana): EGFR* Señal Membrana EGFR Señalización permanente EGFR* Iressa X Señalización EGFR* (T 790 M) X Iressa Señalización permanente Inhibidores de EGFR: -en 2003 Geftinib (Iressa). A los pocos meses aparecieron pacientes que dejaron de responder. Causa: mutación adicional en EGFR* T 790 → M -en 2015 Osimertinilo (Tagrisso) inhibe el EGFR*(T 790→M). En el mismo año aparece nueva mutación adicional C 797 → S resistente al nuevo inhibidor

RESISTENCIAS DE TUMORES -Cáncer de próstata: Típico tratarlos con medicamentos que previenen síntesis o actividad de andrógenos X Andrógenos X Crecimiento Receptor Resistencias observadas: -1) Mutaciones que activan la señalización aguas abajo (y crecimiento) sin necesidad de andrógenos -2) Mutaciones en p 53 y RB o PTEN (genes supresores de tumores) → se activa el TF Sox 2 → las células toman identidad similar a células embrionarias → crecen sin necesidad de andrógenos

RESISTENCIAS DE TUMORES -Inmunoterapia contra melanomas Objetivo: usar los linfocitos T para matar las células tumorales MUERE Linfocito T Célula tumoral Efecto citotóxico (interferón …) Problema: El sistema PD-1/PD-L 1 “frena” al sistema inmunitario para evitar problemas de sobreactuación En muchas células tumorales se expresa PD-L 1 y bloquea la actuación de los linfocitos T Ligando PD-L 1 Receptor PD-1 Interacción SOBREVIVE Linfocito T ↓ efecto citotóxico linfocitos T Célula tumoral

RESISTENCIAS DE TUMORES -Solución en inmunoterapia contra melanomas: Bloquear interacción entre PD-1 y PD-L 1 con el medicamento Nivolumab (Opdivo) X Receptor PD-1 Ligando PD-L 1 Interacción MUERE Linfocito T X ↓ efecto citotóxico linfocitos T Célula tumoral Resistencia observada: Mutaciones de pérdida de función en Janus kinases 1 o 2 (JAK 1 o JAK 2): interferón inactivo JAK 1, 2 Interferón Linfocito T XX Muerte Célula tumoral

RESISTENCIAS DE TUMORES -Inmunoterapia contra linfomas: Introducir en el paciente linfocitos T activos contra la proteína de superficie CD 19 necesaria para el crecimiento de los linfocitos B Anti CD 19 X CD 19* Interacción Linfocito T X Linfocitos T matan a los B Linfocito B Resistencia observada: Mutación del sistema de splicing → proteína CD 19 sin exón 2 → proteína CD 19 activa pero sin el epitopo reconocido por anti CD 19 → los linfocitos T inactivos contra los B

LECCIÓN 1 • • 1) Un poco de historia: hacia la nueva síntesis y el neutralismo 2) La base de todo: la variabilidad 3) Consecuencias de la selección natural 4) Evolución molecular: ¿qué está pasando en el DNA y las proteínas? • 5) Evolución y desarrollo

GENES Y DESARROLLO Suelen estar conservados durante la evolución Genes reguladores (TF/proteínas señalizadoras) (lecc. 11) Suelen ser más variables durante la evolución Genes realizadores

PAX 6 Y EL DESARROLLO DEL OJO PAX 6 es un TF

EL DESARROLLO DEL OJO EN DROSOPHILA Y MAMÍFEROS wt -/- Gen eyeless Ambos genes son TF muy similares Gen Pax 6 Aniridia en humanos (sin iris): heterocigotos para mutación en Pax 6. Embriones homocigotos son similares a los de ratón

EYE/PAX 6 ES UN GEN “MASTER” Expresión ectópica de eye: ojos casi completos y normales con fotoreceptores activos en alas, antenas y patas. Estructura y forma casi normal de facetas en ojos ectópicos en antenas y bajo las alas

CONSERVACIÓN DE EYE/PAX 6 Aspectos similares de los ojos ectópicos en Drosophila causados por la expresión de eye o de Pax 6 de ratón Science (1995) 267: 1788 -1792

GENES Y DESARROLLO Aquí hay que hacer un ojo TF Pax 6 = desde el origen de los animales Cómo hacer el ojo Genes para hacer ojos ≠ según las especies y sus tipos de ojos Entre ellos de las proteínas cristalinas: afectan a la refracción de la luz para su enfoque en el ojo. Se han originado a partir de genes que codificaban para enzimas que hacían otras cosas y son ≠ especies, pero con propiedades ópticas similares

GENES PARA CRISTALINAS Un cambio importante: sus promotores ahora tienen dianas para TF activos en el ojo (incluyendo Pax 6)

NO SÓLO EN EL DESARROLLO Medicago trunculata TFs tipo b. HLH (subgrupo IVa) Saponinas (triterpenoides) Mt. TSAR 1 y 2 Cr. BIS 1 y 2 Los TF de una especie puestos en la otra regulan los genes de la ruta “huésped” Mt. TSAR 1 y 2 Cr. BIS 1 y 2 Iridoides (monoterpenoides) Catharanthus roseus Nuevas rutas usando los mismos TF reguladores pero reclutando nuevos genes realizadores poniendo dianas para ellos en sus promotores

¿FUERTES CAMBIOS RÁPIDO? Mostaza silvestre Brassica oleracea Cambios sutiles en TF clave del desarrollo pueden generar importantes cambios morfológicos: ¿posibilidad de saltos evolutivos, no sólo lentos y graduales?

Algunas cosas que conviene tener claras al final de esta lección

- Quiénes, y cómo, responden a los problemas planteados al darwinismo hacia el final del siglo XIX - Qué tiene que ocurrir para que sobre un carácter pueda actuar la SN - Qué pasa con las frecuencias de alelos y genotipos en una población - Factores que afectan a la variabilidad, aumentándola y disminuyéndola - ¿Las mutaciones surgen para favorecer al individuo? - Actuación de la SN y de la deriva ante diferentes tipos de mutaciones. “Seleccionismo”: la SN es la principal fuerza sobre los alelos (salvo los neutros). Neutralismo: la SN elimina los alelos desfavorables, pero la mayoría del resto se fijan más por deriva que por SN - Genes reguladores y genes realizadores durante el desarrollo del cuerpo de los seres vivos y su diferente evolución