ANTROPOLOGÍA BIOLÓGICA III

Profesor Adjunto Núcleo Específico: Dr. Gustavo Barrientos Profesor Adjunto Temas Integrados: Dr. Claudio Bravi

Jefe de Trabajos Prácticos: Dras. Gisel PadulaAyudantes Diplomadas: Egle Villegas y Elina Francisco

Ciclo Lectivo 2011

Universidad Nacional de La Plata Facultad de Ciencias Naturales y Museo

Efectos de los Agentes Microevolutivos sobre la Variación Genética

v Mutaciónv Flujo génicov Selección natural

Sistemáticos (se puede predecir la magnitud y ladirección de los cambios en las frecuencias alélicasque introducen en poblaciones mendelianas):

v Deriva génica

Dispersivos (su acción es predecible en magnitud,pero no en dirección):

Agentes Microevolutivos

Selección Natural

Unidades de Selección:

v organismo individual (Darwin 1859)

v grupos de organismos (Wynne-Edwards 1962; cf. Sober y Wilson 1998)

v gen (Williams 1966)

v grupo de organismos emparentados (Hamilton 1964)

v especie (Stanley 1975)

Unidad de Adaptación:

v organismo individual (Darwin 1859)

Unidades de Selección y Adaptación

Estructura de la Teoría Evolutiva Darwiniana

Ernst Mayr (1988) What is Darwinism? En Towards a New Philosophy of Biology, pp. 196-214. Harvard University Press, Cambridge, Mass.

Núcleo Constituidopor 5 Teorías Principales

vEvolución como tal: Esta teoría se refiere a que el mundo no esestable, no es resultado de una creación reciente ni esperpetuamente cíclico, sino que se encuentra en constantemodificación y que los organismos se transforman a través deltiempo.vDescendencia común: Esta teoría se refiere a que cada grupo deorganismos decienden de un antepasado común y que todos losgrupos de organismos, en última instancia, poseen un único origen.vMultiplicación de las especies: Esta teoría explica el origen de laenorme diversidad orgánica. Postula que las especies se multiplican,ya sea a través de la separación de especies hijas, o a través delestablecimiento de poblaciones fundadoras geográficamenteaisladas, que evolucionan hacia nuevas especies.vGradualismo: De acuerdo a esta teoría, el cambio evolutivo tienelugar a través del cambio gradual de las poblaciones y no a través dela repentina (i.e. saltacional) producción de nuevos individuos querepresentan un nuevo tipo.vSelección natural: De acuerdo a esta teoría, el cambio evolutivose realiza mediante la producción de abundante variabilidad en cadageneración, de la cual sólo una parte sobrevive gracias a unacombinación particularmente bien adaptada de caracteresheredables, dando origen a la siguiente generación.

Origen y Desarrollo de la Síntesis Neo-DarwinistaFuentes: Blanc 1982; Goodwin 1994; Gould 2002; Kauffman 1993; Mayr 1998

DarwinHuxleyWallaceGaltonHaeckel

Weismann

Mendel

De Vries Bateson

Johannsen

WhitmanThompson

FisherHaldaneWright

DobzhanskyMayr

SimpsonHuxleyRensch

StebbinsAyala

WilliamsHamiltonTriversWilson

Maynard-SmithDawkins

FASE DE RESTRICCIÓN

FASE DE ENDURECIMIENTO

FASE DE CRÍTICA Y RENOVACIÓN

+ PLURALISMO(azar, multidimensionalidad, jerarquía,

estructura,emergencia, auto-organización)

+ REDUCCIONISMO(seleccionismo, geneticismo)

CL

CONS

HET

CarsonLewontinKimuraStanleyGould

Eldredge

KauffmanGoodwin

IN

“Como nacen muchos más individuos que losque tienen posibilidad de sobrevivir y, porlo tanto, como hay una lucha por laexistencia que se repite constantemente,se deduce que todo ser, por poco que varíede un modo que le sea provechoso, tendráuna mayor probabilidad de sobrevivir bajolas complejas y a veces cambiantescondiciones de vida, viéndose asíseleccionado por la naturaleza. En razóndel fuerte principio de la herencia, todavariedad seleccionada tenderá a propagarsu nueva forma modificada” (Darwin,Origin of Species, Introducción, 1859).

(1809-1882)

Hecho1:las poblaciones tienen potencial para aumentar exponencialmente

Hecho2:estabilidad de las poblaciones en estado estacionario

Hecho3:limitación de recursos en la naturaleza

Inferencia 1:lucha por la existencia entre individuos

Hecho 4:carácter único del individuo

Hecho 5: heredabilidad de gran parte de la variación individual

Inferencia 2:supervivencia diferencial (selección natural)

Inferencia 3:evolución a través de las generaciones

Evolución por Selección Natural

Selección Natural

v “Denomino Selección Natural a la conservación de lasvariaciones favorables y al rechazo de las variacionesperjudiciales” (Darwin 1859: 81).

v La selección natural consiste en la retencióntransgeneracional no aleatoria de parte de la variaciónque existe en una generación. (Mayr 1988).

v Para DARWIN y sus continuadores másinmediatos, la selección natural era unaspecto de la mortalidad diferencial y,según este concepto, se destacaba el valorde vida o muerte que pueden tener losdistintos caracteres en la lucha por laexistencia.

v Para la síntesis neodarwiniana, el conceptode selección denota la reproduccióndiferencial y determinista (i.e. no fortuita ualeatoria) de diferentes fenotipos.

v En ésta intervienen: viabilidad, longevidad,fecundidad, vagilidad diferencial (i.e. diferentecapacidad de migración) y diferente aptitudpara el apareamiento.

v Existen dos mecanismos principales através de los cuales algunos fenotipos puedendejar más (o menos) descendientes que otros:

1° Un individuo puede dejar un mayor número dedescendientes porque es más capaz que otrosde resistir una condición ambiental adversa yasí sobrevivir, hasta la vida adulta o hasta lamadurez sexual. En este caso, el efecto semanifiesta a través de una supervivenciadiferencial (o bien una mortalidad diferencial)respecto de los demás individuos de lapoblación.

Es importante recordar que la supervivencia y la fertilidad se miden en

relación con un ambiente específico.

2° Puede haber diferencias en el número dedescendientes, esto es una fertilidaddiferencial. Ambos mecanismos, supervivenciay fertilidad diferencial, deben ser tomadosen cuenta ya que el número de descendientesdepende de ambos.

Fitness o Eficacia Biológica

v Éxito reproductivo individual, medido por elnúmero de descendientes vivos que cadaindividuo produce durante su vida.

v Éxito genético, medido por el número decopias de sus alelos que cada individuo aporta ala siguiente generación.

v El fitness o eficacia biológica o valoradaptativo se simboliza con W. Como es un valorrelativo al genotipo más favorable, a éste se leasigna un valor de W=1. A los restantesgenotipos se los expresa como fraccionesdecimales de ese patrón. Resulta claro que losgenotipos de menor valor adaptativo habránsido afectados por una presión de selección, quese mide por el coeficiente s de selección.

v Hay que tener en cuenta que la selecciónactúa sobre los fenotipos y no directamentesobre los genotipos.

v Esto implica que los alelos mutantesrecesivos no están expuestos a la selecciónhasta que sus frecuencias sonsuficientemente altas en la población comopara que se produzcan individuoshomocigotas.

v Según la relación de dominancia de los alelosconsiderados, la selección puede ser :

a) Selección contra dominantes: conduce a ladesaparición del alelo en cuestión.

b) Selección contra recesivos: disminuye lafrecuencia del alelo a una velocidad cada vezmenor.

c) Selección favorable a heterocigotos: queconduce a un polimorfismo equilibrado.

v La mayor parte de los rasgos mendelianosclásicos, controlados por un solo locus génico, sondiscontinuos, i.e., diferentes genotipos producenfenotipos muy distintos, con poca o ningunasuperposición.

Rasgos de Variación Discontinua

v Supongamos que de tres posibles genotipos,AA, Aa, aa, en el que A es el dominante, losindividuos homocigotas recesivos producenmenos descendencia que los individuosposeedores de los otros genotipos.

Selección en Contra del Homocigoto Recesivo: Un Locus con Dos Alelos, A y a

Genotipo Total

AA Aa aa

Frec.genotípica

p2 2pq q2 1

Eficaciabiológica (W)

wAA

1wAa

1waa

1-sProp. trasselección

p2 2pq q2(1-s) 1-sq2 = w

Frec.genotípicastras selección

p2/w 2pq/w q2(1-s)/w 1

s = coeficiente selección

v El valor de s para este caso puede variarentre 0 y 1. Cuando s vale 0, es porque elhomocigota recesivo no ofrece ningunadesventaja selectiva, mientras que cuando svale 1, significa que el homocigota recesivo esletal.

v Los distintos genotipos poseen distinto valoradaptativo en determinadas condiciones delmedio.

v Mientras persista la misma presión deselección, se producirán cambios en lacomposición génica (i.e. alélica) de la poblacióninvolucrada.

Genotipo Total

AA Aa aa

Frec.genotípica

p2 2pq q2 1

Eficaciabiológica (W)

wAA

1-s1

wAa

1waa

1-s2

Prop. trasselección

p2(1-s1) 2pq q2(1-s2) 1-s1p2-s2q2 = w

Frec.genotípicastras selección

p2(1-s1)/w 2pq/w q2(1-s2)/w 1

Selección a Favor de los Heterocigotas

Anemia Falciforme y

Malaria

La anemia falciforme esbastante frecuente enalgunas regiones deAfrica y Asia donde lamalaria es endémica.

v La anemia falciformees una enfermedadhereditaria producidapor la presencia de unavariante anormal de lahemoglobina (Hbs), unaproteína presente enlos glóbulos rojos y queposibilita el transportede oxígeno y de dióxidocarbónico a través dela sangre.

Anemia Falciforme

Cambios structurales en la hemoglobina al captar y liberar oxígeno (formas oxi y

desoxihemoglobina)

v Esta forma de hemoglobina, surgida a partir de unamutación del gen que codifica por la proteína normal,produce alteraciones en los glóbulos rojos que adquierenforma de hoz, de donde proviene el nombre falciforme. Lascélulas falciformes obstruyen los vasos sanguíneos pequeños,interfiriendo de este modo en el flujo normal de la sangre.Algunos glóbulos rojos se destruyen, produciendo anemia.

v Las hemoglobinas se encuentran entre las proteínasmás comunes del cuerpo. La más común (alrededor del98%) es hemoglobina A, un tetrámero que consta de doscadenas polipeptídicas α y dos β, codificadas pordiferentes loci.

v La cadena β de la hemoglobina consta de 146aminoácidos. La única diferencia entre individuosnormales y pacientes con anemia falciforme es que la βnormal tiene ácido glutámico en la posición seis,mientras que la β falciforme tiene valina en estaposición.

Variante normal (HbA) y mutante

(HbS) de la hemoglobina

ADN GAGCTCARNm

GAG

GTGCAC

GUG

Normal Mutación

Polipéptido

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

ARNt

v El ácido glutámico (Glu) está codificado porcualquiera de los codones GAA y GAG,mientras que la valina (Val) está codificada porcualquiera de los cuatro codones, GUU, GUC,GUA o GUG.

v Por lo tanto, una mutación que cambia lasegunda A en una U en el triplete que codificapara el ácido glutámico, originará un tripleteque codifique para la valina, siendo asíresponsable del fenotipo de la anemiafalciforme.

v Esta diferencia, aparentemente trivial, tieneserias consecuencias sobre la salud: alrededor de100.000 personas mueren cada año en el mundodebido a que son homocigotas para el alelofalciforme.

v La condición anémica de los pacientesfalciformes se debe a las propiedadesdiferenciales de la valina y el ácido glutámico.

v Las proteínas tienen configuraciones plegadas,con algunos aminoácidos situados en el interior dela molécula y otros hacia el exterior. El ácidoglutámico (exterior) es un aminoácido hidrófilo,mientras que la valina es un aminoácido hidrófobo.

v Cuando en la 6ª posición de la cadena β estápresente una valina, la solubilidad de lahemoglobina disminuye considerablemente, almenos bajo condiciones de baja presión parcialde oxígeno.

v En los estrechos capilares sanguíneos, lahemoglobina falciforme tiende a cristalizar ylos glóbulos rojos de la sangre a romperse,produciéndose una severa anemia.

v Los individuos homocigotas para el alelofalciforme, normalmente mueren antes dealcanzar la edad adulta.

v Los síntomas aparecen a los seis meses deedad y consisten en la distensión del abdomen yla dilatación del corazón, así como edema en lasmanos y los pies. También puede retrasarse lamaduración sexual en la adolescencia.

v Los afectados son proclives a padecerinfecciones y úlceras en las piernas yaccidentes cerebro-vasculares, debido altrastorno del flujo sanguíneo asociado con elpadecimiento.

v Debido a la magnitud de los efectos, laanemia falciforme produce una mortalidadtemprana, generalmente en la segunda otercera década de vida.

Porcentajes de Prevalencia de la Hemoglobina S a Escala Mundial

Distribución Geográfica del Alelo Hbs y de la Malaria Falciparum

Los síntomas son muy variados, empezando con fiebre8 a 30 días después de la infección, acompañada, o no,de dolor de cabeza, dolores musculares, escalofrios,diaforesis, anorexia, nauseas, lasitud, artralgias,diarrea, decaimiento y tos.

Anopheles Gambiae Plasmodium falciparum malaria

Malaria Falciparum

Ciclo de la Malaria

v La resistencia a la malaria de los heterocigotaspara el gen de la hemoglobina, deriva de queproducen ambas formas de hemoglobina, A y S.

v La hemoglobina A, normal, les permitefuncionar normalmente, aunque tienden a mostrarfatiga más fácilmente cuando hacen ejerciciosviolentos.

v Por otra parte, los glóbulos rojos de la sangreque contienen hemoglobina S tienden a romperse.

Herencia de laAnemia Falciforme

1 y 5 estándares de hemoglobina; 2 adulto normal; 3neonato normal; 4 homocigota HbS; 6 y 8 heterocigotas; 7individuo enfermo de anemia falciforme.

Electroforesis

v En consecuencia, el parásito de la malaria,que se multiplica en los glóbulos rojos y sealimenta de la hemoglobina, encuentra unambiente mucho menos favorable en losindividuos que contienen hemoglobina S que enaquellos que sólo tienen hemoglobina A. De ahíla menor incidencia de la malaria entre losprimeros.

Otros Genes que ConfierenResistencia a la Malaria

Gen Duffy (FY) FY*0/FY*0completamente protegidos.FY*0/FY*NParcialmente protegidos.Ningún genotipo posee consecuencias adversas para la salud.

Otros genesNOS2A,HLA,DRB1.

Glucosa-6-fosfato-dehidrogenasa (G6PD)La carencia de G6PD es la deficiencia enzimática más común.Incrementa el stress oxidativo en los eritrocitos.Resulta en anemia neonatal.Confiere alguna resistencia a la infección.

Frecuencias del alelo FY*O

El alelo FY*O, que confiere resistencia a la malaria producida por P.vivax, es prevalente en muchas poblaciones africanas, habiéndoseincluso fijado en algunas de ellas. Sin embargo, se encuentravirtualmente ausente fuera de África.

Gen Duffy (FY)

v Los rasgos cuantitativos tales como la estatura varíanen forma continua, i.e., todos los valores dentro de unrango (v.g. 125-200 cm) son posibles.

v Estos rasgos, multifactoriales y poligénicos, estáncontrolados por los efectos aditivos de varios locigénicos y por los efectos de factores ambientales.

Rasgos de Variación Continua

1 : 4 : 6 : 4 : 1

Genes con efectos aditivos que controlan un rasgo hipotético

(2 loci con 2 alelos c/u)

v Los genes no actúan aisladamente: un gen nodetermina por sí solo un fenotipo, lo hace en conjuncióncon otros genes y el ambiente.

v Los ejemplos genéticos normalmente identifican unfenotipo a un genotipo dado de un gen. Esto es solamentea efectos de facilitar el análisis genético, de disecar,aislar y estudiar los componentes individuales decualquier proceso biológico.

Genética Cualitativa Genética Cuantitativa1. Caracteres de clase.2. Variación discontinua, diferentes clases fenotípicas.3. Efectos patentes de un solo gen. Genes mayores.4. Se estudian apareamientos individuales y su progenie.5. El análisis es por medio de cálculos de proporciones y relaciones.

1. Caracteres de grado.2. Variación continua. Las determinaciones fenotípicas muestran un espectro o gama.3. Control poligénico, los efectos de los genes individuales son difícilmente detectables. Genes menores.4. Se estudian poblaciones y todos los tipos de cruzamientos.5. El análisis es de tipo estadístico, proporcionando cálculos aproximados de los parámetros de las poblaciones.

Herencia Poligénica: rasgos cuya variaciónresponde a los efectos combinados demúltiples genes.

Herencia Multifactorial: rasgos causadospor efectos aditivos de genes y por factoresambientales.

Muchos caracteres cuantitativos (estatura, presión arterial, etc), aquellos que se miden en una escala numérica continua,

son multifactoriales y tienden a seguir una distribución normal.

Control Poligénico vs. Pleiotropía

pleiotropía

controlpoligénico

un locus controla varios rasgos

varios loci controlan un rasgo

Los genes individuales que determinan unrasgo multifactorial siguen los principiosmendelianos de segregación y distribuciónindependiente. Pero muchos de ellosactúan juntos para influir sobre el rasgo.

Control Poligénico

Medición de la Variación Continua

Los rasgos que varían en forma continuapueden ser descriptos por su media y suvarianza, asumiendo una distribución normal(v.g. xi= mediciones individuales de estaturade n casos).

Media= x = Σ (xi) / n

Varianza= Σ (xi- x )2 / (n-1)

_

_

La varianza fenotípica total es igual a la suma de lavarianza debida a todas las causas implicadas, talescomo el ambiente (A), las interacciones genético-ambientales (IGA), los efectos genéticos aditivos(EGA), los efectos genéticos dominantes (EGD) y lasinteracciones epistáticas (IE) entre los diferentesgenes que participan en el control del rasgo en cuestión:

Vtotal= Vfenotípica= Vf = VA + VIGA + VEGA + VEGD + VIE

En forma simplificada:

Vf = VA + VG

Componentes de la Varianza

Heredabilidad

Es la proporción de la varianza fenotípica totalcausada por todos los factores genéticos. Mide elgrado en que las diferencias entre individuos de unapoblación están causadas por diferencias genéticas.

v Heredabilidad en sentido amplio

H 2B = VG / Vf = VG / (VA + VG)

v Heredabilidad en sentido estricto

H 2N = VEGA / Vf

Tipos de Selección Tipos de Selección de Rasgos Poligénicosde Rasgos Poligénicos

estabilizadoradisrruptivadireccional