1

Antonio Barbadilla Bioinformatics of Genetic Diversity Research Genomics, Bioinformatics and Evolution group

Departament de Genètica i Microbiologia Universitat Autònoma de Barcelona

POPULATION GENOMICS

2

•El paradigma poblacional.

•Medida de la variación genética y genómica

•Desequilibrio de ligamiento

•Visualización de la variación a lo largo del genoma

•Teoría neutralista

•Selección en el nivel molecular

•Test de selección

2

The golden age of the study of genetic variation

Genetic variation is the cornerstone of biological evolution

R. C. Lewontin

La diversidad genética intraespecífica

3

A G A G T T C T G C T C G

A G G G T T C T G C G C G A G T G T T C T G C G C G

Evolución

Origen y sustitución de

variantes genéticas

4

Naturaleza variación genética

mutación

Polimorfismo

vs

Evolución: origen y substitución de variantes genéticas

Mutación

=

Individuo

Substitución

=

Población

La problemática de la genética de poblaciones es la

descripción y explicación de la variación genética dentro y

entre poblaciones

Theodosious Dobzhansky

La genética poblaciones

5

9

1

3 2

La medida de la variación genética

10

Population Genomics

Drosophila melanogaster

one-dimensional

Adh

6

Distribución heterocigosidad Cromosoma 6 humano

(2001 Nature 409: 928-941)

SNPs

HLA

Tipos de polimorfismos del DNA: secuenciación

7

Medidas de la variabilidad nucleotídica

• Si obtenemos una muestra de n secuencias de una región dada del genoma de una especie, podemos medir la variación nucleotídica mediante dos estimadores:

• Proporción de sitios segregantes:

S = número de sitios segregantes/número total de sitios.

• Diversidad nucleotídica o heterocigosis esperada a nivel nucleotídico:

p = número promedio de diferencias por sitio entre secuencias tomadas a pares.

Variabilidad nucleotídica en el gen Rhodopsin 3 de Drosophila simulans

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

1 T C T A C C T C C T C G G T T A

2 T C C T A C C T C C T G G T T T

3 C T C C C C C T C T T T G C T A

4 C T C C C C C T T C T G A C T T

5 C T C C C T C T T T T G G C C A

6 6 4 7 4 4 4 4 6 6 4 4 4 6 4 6

Muestra = 5 secuencias. Tamaño = 500 nucleótidos.

Proporción de sitios segregantes: S = 16/500 = 0,0320

Diversidad nucleotídica: p = 79/(500 x 10) = 0,0158

8

9

17

Population Genomics

Drosophila melanogaster

one-dimensional multi-dimensional

Adh

Estructura multidimensional de la variabilidad genética en el

genoma humano

A G A G T T C T G C T C G

A G G G T T C T G C G C G A G G G T T A T G C G C G

A G A G T T C T G C T C G A G A G T T C T G C T C G

A G A G T T C T G C T C G

A G A G T T C T G C T C G A G A G T T C T G C T C G

A G G G T T A T G C G C G A G G G T T A T G C G C G A G G G T T A T G C G C G

A G G G T T A T G C G C G

A G G G T T A T G C G C G

SNPs

10

Desequilibrio de ligamiento (D’ Lewontin)

B1 B2 Total

A1 p11 = p1q1 + D p12 = p1q2 - D p1

A2 p21 = p2q1 - D p22 = p2q2 + D p2

Total q1 q2 1

D’ = D / Dmax

SNPs

DAB = pAB - pApB

rAB = D2/ [pA(1-pA) pB(1-pB)]

SNPs

Desequilibrio de ligamiento

B1 B2 Total

A1 9 1 10

A2 2 4 6

Total 11 5 16

D = 0,5625 – 0,625 x 0,6875 = 0,1328

p1 ^ = n1. /2n = 10 / 16 = 0,625

q1 = n.1 /2n = 11 / 16 = 0,6875 ^

11

Recombinación y

Desequilibrio de

ligamiento

Estructura multidimensional de la variabilidad genética en el

genoma humano

SNPs

DAB (t + 1) = (1 – c) DAB (t )

Desequilibrio de ligamiento

Distribución del DL a lo largo del gen de la lipasa lipotroteína

humana (LPL). 66 SNPs en apr. 10 kb de 142 cromosomas

Bloques de

ligamiento o

Tag SNPs

SNPs

12

23

Population Genomics

Drosophila melanogaster

one-dimensional multi-dimensional

Adh

Population genetics studies have been based on

fragmentary and non-random samples of the

genome, providing a partial view, often biased, of

the population genetic processes

Data visualization: The Population Drosophila Browser (PopDrowser)

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Teoría Neutralista

Evolución Molecular

Ronald Fisher J. B. S. Haldane S. Wright

Fundadores

Genética de

Poblaciones

Motoo Kimura

La genética poblaciones: la explicación

Ley del equilibrio de Hardy-Weinberg:

Dada la variación genética existente en una población mendeliana en una generación t, ¿qué pasará con esta variación en las subsiguientes generaciones bajo ciertos supuestos

?

Considera como se relacionan las frecuencias alélicas y genotípicas en una población mendeliana bajo una serie de supuestos ideales •Generaciones discretas y no solapantes •Apareamiento aleatorio •Tamaño de población infinito •No mutación, no migración entre poblaciones •No diferencias en eficacia biológica (selectivas) entre los distintos genotipos

• La distribución de frecuencias genotípicas y alélicas permanecen invariables en el tiempo.

• La constancia o equilibro de las frecuencias se debe al carácter conservativo y regular de la transmisión mendeliana.

14

Teoría neutralista de la evolución molecular

Dos fuerzas determinan la evolución en el

nivel molecular:

La deriva genética aleatoria (determinada por

2N, el censo o tamaño efectivo de la población)

La tasa de generación de mutaciones neutras,

La ley de Hardy-Weinberg parte de una variación dada. No explica por qué existe esa variación. La teoría neutralista de la evolución molecular de Kimura es una hipótesis mínima para dar

cuenta de la variación existente en las poblaciones.

•Tasa de substitución k de mutaciones neutras

k = 2N 1/(2N) =

•Tiempo esperado hasta la fijación de una nueva mutación es 4N generaciones

Teoría neutralista de la evolución molecular

15

Dinámica de sustituciones de mutaciones neutras

Frecuencia

Alélica

Tiempo

1

0

gen.4Nt

1

1/

Reloj molecular

Tiempo

1 2 3 4 5 Taxón

Reloj molecular

16

El polimorfismo es un estado transitorio en el proceso de fijación de

alelos neutros

Motoo Kimura

Teoría neutralista de la evolución molecular

II: Mutaciones selectivamente ventajosas

gen. )2ln(2

Ns

t

Tiempo

Frecuencia

Alélica

1

0

1

μ4Ns

Dinámica de sustituciones de mutaciones

II: Mutaciones selectivamente ventajosas

17

34

Teoría neutralista de la evolución molecular

•El polimorfismo genético es transitorio (El polimorfismo es un

estado transitorio en el proceso de fijación de alelos neutros) •Heterocigosidad en el equilibrio

H = /(1+ ) = 4N •Divergencia y polimorfismo se encuentran acoplados •La selección es principalmente purificadora y muy ocasionalmente direccional positiva

Tiempo

Pasado

Presente

T(2)

T(3)

T(4)

T(5)

Teoría de la coalescencia:

la genealogía de los genes

Supuesto Básico: Todos los alelos de una población provienen de un ancestro común

Watterson, G. A. 1975; Kingman, J. F. C. 1980;

Tajima, F. 1989; Hudson, R. R. 1990.

Supuesto Básico: Todos los alelos de una muestra provienen de un ancestro común

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Test neutralismo

Test de Tajima (1989)

Si la teoría neutralista aplica a una serie de

secuencias, entonces

p =

Estadístico

de

Desviación, D

D sigue una distribución con

media 0 y var. 1

D 0 no neutralismo

D < 0 Selec. Purificadora

D > 0 Selec. equilibradora

d = π - Θ

Test de McDonald y Kreitman

¿Es la evolución adaptativa responsable de la fijación de

diferencias entre las especies en los polimorfismos no

sinónimos?

•Hipótesis neutralista: En las mutaciones neutras

hay correlación entre divergencia y polimorfismo

•Hipótesis adaptativa: las fijaciones adaptativas

pueden dar lugar a un desacoplamiento entre

divergencia y polimorfismo

McDonald, J. H. Y M. Kreitman. 1991. Adaptative protein evolution at

the Adh locus in Drosophila. Nature 351: 652-654.

19

Test de McDonald y Kreitman (MKT)

MKT compares the amount of variation within a species to the

divergence between species at two types of sites, one of which

is putatively neutral and used as the reference to detect

selection at the other type of site.

Example: sites synonymous (putatively neutral) and non-

synonymous sites in a coding region.

McDonald, J. H. Y M. Kreitman. 1991. Adaptative protein evolution at

the Adh locus in Drosophila. Nature 351: 652-654.

Test de McDonald y Kreitman

•Hipótesis nula: la proporción de mutaciones

sinónimas y no sinónimas es la misma tanto

para las variantes fijadas como para las

polimórficas

Di /D0 > Pi /P0

Di /D0 < Pi /P0

20

Test de McDonald y Kreitman

•Hipótesis nula: la proporción de mutaciones

sinónimas y no sinónimas es la misma tanto

para las variantes fijadas como para las

polimórficas

•Test de G o 2: las mutaciones se clasifican

bien en (1) fijadas, o polimórficas; o bien (2)

sinónimas o no sinónimas)

Estructura del gen Adh (256 codones)

Exón 1 Exón 2 Exón 3 Exón 4

3’ 5’

El gen Adh de Drosophila

melanogaster Kreitman, M. 1983. Nucleotide polymorphism at the alcohol

dehydrogenase locus of Drosophila melanogaster. Nature 304:

412-417.

•13 polimorfismos sinónimos (Se

espera 1/4 mutaciones en región

codificante sean sinónimas)

•1 polimorfismo no sinónimo

21

Test de McDonald y Kreitman

Fijada Polimórfica

No sinónima 7 (3,2) 2 (5,8)

Sinónima 17 (20,8) 42 (38,2)

Polimorfismo y divergencia en locus Adh de especies próximas

Drosophila melanogaster, simulans y yakuba

G = 7,43 ó X2

= 8,1

Efecto de la recombinación local sobre

la variación genética Begun, D. J. Y C. F. Aquadro. 1992. Levels of naturally ocurring DNA

polymorphism correlate with recombination rates in D. melanogaster.

Nature 356: 519-520.

Coeficiente de intercambio

Div

ersi

da

d n

ucle

otí

dic

a

20 genes de Drosophila melanogaster

22

Double cost of sex (Maynard-Smith 1978)

Advantage of sex (Crow & Kimura 1965)

Recombination and Hill-

Robertson effect (1966)

Tiempo

Pasado

Presente

T(2)

T(3)

T(4)

T(5)

Teoría de la coalescencia:

la genealogía de los genes

Supuesto Básico: Todos los alelos de una población provienen de un ancestro común

Watterson, G. A. 1975; Kingman, J. F. C. 1980;

Tajima, F. 1989; Hudson, R. R. 1990.

Supuesto Básico: Todos los alelos de una muestra provienen de un ancestro común

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Genealogía de alelos http://bioinformatica.uab.es/divulgacio/animaciones/coalescencia.swf

•SNPs, CNVs, and SNP chip (basic definitions, nucleotide

diversity measures and linkage disequilibrium)

•PDA (Pipeline diversity analysis) (Servicio Web para la

estimación de la variación nucleotídica para cualquier taxón y

gene)

•DnaSP software (software más utilizado para la estimación

de la variación nucleotídica)

•PopDrowser (navegador de genómica de poblaciones)

Direcciónes útiles