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Conceptos básicos de filogenética molecular
Dr. Eduardo A. RODRÍGUEZ TELLO
CINVESTAV-Tamaulipas
18 de julio del 2013
Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) Conceptos básicos de filogenética molecular 18 de julio del 2013 1 / 43
1 Conceptos básicos de filogenética molecularIntroducciónEvolución molecular y filogenética molecularTerminologíaFilogenia de genes y de especiesFormas de representación de árbolesDificultad de encontrar un árbol realProcedimiento
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Conceptos básicos de filogenética molecular Introducción
1 Conceptos básicos de filogenética molecularIntroducciónEvolución molecular y filogenética molecularTerminologíaFilogenia de genes y de especiesFormas de representación de árbolesDificultad de encontrar un árbol realProcedimiento
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Conceptos básicos de filogenética molecular Introducción
Introducción
Como hemos visto en las clases anteriores el análisis desecuencias biológicas está fundamentado en los principios de laevolución
Las Similitudes y divergencias entre secuencias biológicasrelacionadas (reveladas con alineamiento) a menudo requierenser analizadas y visualizadas en el contexto de árbolesfilogenéticos
Por esta razón la filogenética molecular es un área de granimportancia dentro de la bioinformática
En esta clase introduciremos algunos conceptos básicosnecesarios para comprender los métodos de construcción deárboles filogenéticos
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Conceptos básicos de filogenética molecular Evolución molecular y filogenética molecular
1 Conceptos básicos de filogenética molecularIntroducciónEvolución molecular y filogenética molecularTerminologíaFilogenia de genes y de especiesFormas de representación de árbolesDificultad de encontrar un árbol realProcedimiento
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Conceptos básicos de filogenética molecular Evolución molecular y filogenética molecular
Evolución molecular y filogenética molecular
Para iniciar a estudiar los conceptos de filogenética molecularnecesitamos entender qué es evolución
Generalmente se denomina evolución a cualquier proceso decambio en el tiempo
En el contexto biológico, la evolución es un cambio en el perfilgenético de una población de individuos, que puede llevar a laaparición de nuevas especies, a la adaptación a distintosambientes o a la aparición de novedades evolutivas
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Conceptos básicos de filogenética molecular Evolución molecular y filogenética molecular
Evolución molecular y filogenética molecular
La fuerza motriz de la evolución es la selección naturalFormas "no aptas"son eliminadas mediante cambios de lascondiciones ambientales
Sólo se reproducen los más aptos debido a la selección sexual
El mecanismo detrás de la evolución son las mutacionesgenéticas que se producen espontáneamente
Las mutaciones en el material genético proporcionan la diversidadbiológica dentro de una población
Estas determinan la viabilidad de los individuos para sobrevivircon éxito en un entorno determinado
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Conceptos básicos de filogenética molecular Evolución molecular y filogenética molecular
Evolución molecular y filogenética molecular
En otras palabras, la diversidad genética provee la fuente demateria prima para que la selección natural actúe
La filogenia (del griego phylon: “tribu, raza” y geneá: “nacimiento,origen, procedencia”) es la determinación de la historia evolutivade los organismos
La filogenética es el estudio de la filogenia utilizando diagramastipo árbol para representar los ancestros de esos organismos
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Conceptos básicos de filogenética molecular Evolución molecular y filogenética molecular
Evolución molecular y filogenética molecular
La filogenética puede ser estudiada de diversas maneras. Amenudo ha sido estudiada utilizando registros fósiles, quecontienen información sobre la morfología de los antepasados deespecies actuales y la cronología de divergencias
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Conceptos básicos de filogenética molecular Evolución molecular y filogenética molecular
Evolución molecular y filogenética molecular
Sin embargo, el uso de registros fósiles tienen muchaslimitaciones:
Pueden estar disponibles sólo para determinadas especies
Los datos existentes de fósiles puede estar fragmentados
La recolección de datos está limitada por la abundancia, hábitat,rango geográfico, y otros factores
Las descripciones de los rasgos morfológicos son a menudoambiguas (múltiples factores genéticos)
Por todo esto utilizar registros fósiles para determinar relacionesfilogenéticas puede producir sesgos
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Conceptos básicos de filogenética molecular Evolución molecular y filogenética molecular
Evolución molecular y filogenética molecular
Además los fósiles de microorganismos son practicamenteinexistentes, imposibilitando el uso de este enfoque
Afortunadamente, los datos moleculares que están en la forma desecuencias de ADN o de proteínas pueden ser también muy útilespara proporcionar una perspectiva de la evolución de losorganismos
Esto se debe a que a medida en que los organismos evolucionanel material genético (genotipo) acumula las mutaciones quecausan los cambios fenotípicos (expresión del genotipo, rasgosfísicos y conductuales)
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Conceptos básicos de filogenética molecular Evolución molecular y filogenética molecular
Evolución molecular y filogenética molecular
Determinación del carácter color de ojos; genotipo(arriba), yfenotipo (abajo)
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Conceptos básicos de filogenética molecular Evolución molecular y filogenética molecular
Evolución molecular y filogenética molecular
Debido a que los genes son el medio para registrar lasmutaciones acumuladas, éstos pueden servir como “fósilesmoleculares”
A través del análisis comparativo de secuencias de ADN de unaserie de organismos relacionados, la historia evolutiva de losgenes e incluso de los organismos puede ser revelada
La ventaja de la utilización de datos moleculares es que son másnumerosos que los registros fósiles y más fáciles de obtener
Además no hay ningún sesgo de muestreo, como el que hay enlos registros fósiles reales
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Conceptos básicos de filogenética molecular Evolución molecular y filogenética molecular
Evolución molecular y filogenética molecular
Por lo tanto es posible construir árboles filogenéticos másprecisos y robustos utilizando datos moleculares
Debido a que ahora es posible contar con enormes cantidades dedatos de secuencias moleculares la filogenética molecular hatenido un rápido desarrollo
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Conceptos básicos de filogenética molecular Evolución molecular y filogenética molecular
Evolución molecular y filogenética molecular
En resumen la filogenética molecular es un área de granimportancia dentro de la bioinformática
Estudia las mutaciones en las secuencias biológicas (ADN, ARNo proteínas) de una población de individuos con la finalidad dereconstruir su historia evolutiva usando árboles
Relaciones filogenéticas entre 21especies de ranas venenosas(Dendrobatidae) utilizando secuencias deADN
Revela los orígenes de algunas toxinasrepresentativas
Figura tomada de: K.Summers and M. E. Clough, The evolution of coloration and toxicity in the poison frog family (Dendrobatidae), PNAS 2001 98 (11) 6227-6232
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Conceptos básicos de filogenética molecular Evolución molecular y filogenética molecular
Evolución molecular y filogenética molecular
Para utilizar los datos moleculares para reconstruir la historia dela evolución se requiere hacer una serie de suposiciones
Las secuencias moleculares utilizadas en la construcciónfilogenética son homólogas, i.e., comparten un origen común yposteriormente divergen al paso del tiempo
La divergencia filogenética se bifurca, i.e., una rama padre sedivide en dos ramas hijas en cualquier punto dado
Cada posición en una secuencia evoluciona de maneraindependiente
La variabilidad entre secuencias es lo suficientemente informativapara construir árboles filogenéticos precisos
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Conceptos básicos de filogenética molecular Terminología
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Conceptos básicos de filogenética molecular Terminología
Terminología
Árbol filogenético
Árboles generalmente binarioscompuestos por raíz, nodos internos yhojas
Las líneas son llamadas ramas
En las hojas están representadas lassecuencias de especies actuales,conocidas como taxones
Los nodos internos representan unancestro común inferido (evento deespeciación)
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Conceptos básicos de filogenética molecular Terminología
Terminología
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Conceptos básicos de filogenética molecular Terminología
Terminología
Un clado (griego klados: rama) o grupo monofilético es un grupoformado por un solo ancestro común y todos sus descendientes
En un grupo monofilético, dos taxones son hermanos sicomparten un ancestro común no compartido por ningún otrotaxón (e.g., taxones crocodylia y Aves)
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Conceptos básicos de filogenética molecular Terminología
Terminología
Una rama que indica una relación ancestro-descendiente en unárbol es un linaje
Cuando un número de taxones comparten más de un ancestrocomún, no forman un clado, en este caso son referidos comotaxones parafiléticos (e.g., taxones B, C, y D)
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Conceptos básicos de filogenética molecular Terminología
Terminología
Topología es la forma en que se ramifica un árbol
Cuando todas las ramas se bifurcan en un árbol filogenético,éstas son denominadas como una dicotomía
Por el contrario si una rama tiene más de dos descendientesentonces se denomina multifurcación. El árbol conmultifurcaciones se denomina politomía
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Conceptos básicos de filogenética molecular Terminología
Terminología
Un árbol filogenético sin raíz no asume conocimiento de unancestro común, sólo posiciones de los taxones para mostrar susrelaciones relativas (no hay dirección de un camino evolutivo)
Para definir la dirección de la evolución se necesita un árbolfilogenético con raíz donde todas las secuencias bajo estudiotienen un ancestro o nodo raíz común (más informativo)
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Conceptos básicos de filogenética molecular Terminología
Terminología
El reloj molecular es una suposición por la cual las secuenciasmoleculares evolucionan a tasas constantes de manera que lacantidad de mutaciones acumuladas es proporcional al tiempo deevolución
Así la longitud de las ramas del árbol pueden ser usadas paraestimar el tiempo de divergencia
Sin embargo, esta suposición raramente es válida en la realidad
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Conceptos básicos de filogenética molecular Filogenia de genes y de especies
1 Conceptos básicos de filogenética molecularIntroducciónEvolución molecular y filogenética molecularTerminologíaFilogenia de genes y de especiesFormas de representación de árbolesDificultad de encontrar un árbol realProcedimiento
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Conceptos básicos de filogenética molecular Filogenia de genes y de especies
Filogenia de genes y de especies
Estrictamente, la filogenia de un gen (inferida de secuencias degenes o proteínas) sólo describe la evolución de ese gen (oproteína) particular codificado
Esta secuencia puede evolucionar más o menos rápidamente queotros genes o puede tener una historia evolutiva diferente delresto del genoma debido a eventos horizontales de transferenciade genes
La evolución de una secuencia particular no necesariamentecorresponde con el camino evolutivo de las especies
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Conceptos básicos de filogenética molecular Filogenia de genes y de especies
Filogenia de genes y de especies
La evolución de las especies es el resultado combinado de laevolución de múltiples genes
En un árbol de especies, el punto de bifurcación en un nodointerno representa el evento de especiación
Mientras que en un árbol de genes, un nodo interno indica unevento de duplicación de genes
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Conceptos básicos de filogenética molecular Filogenia de genes y de especies
Filogenia de genes y de especies
Los dos eventos pueden o no coincidir
Por esta razón, para obtener una filogenia de especies, esnecesario construir árboles filogenéticos de una variedad defamilias de genes para ofrecer una comparación global de laevolución de las especies
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Conceptos básicos de filogenética molecular Formas de representación de árboles
1 Conceptos básicos de filogenética molecularIntroducciónEvolución molecular y filogenética molecularTerminologíaFilogenia de genes y de especiesFormas de representación de árbolesDificultad de encontrar un árbol realProcedimiento
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Conceptos básicos de filogenética molecular Formas de representación de árboles
Formas de representación de árboles
En un filograma, las longitudes de las ramas representan lacantidad de divergencia evolutiva (están a escala)
Tienen la ventaja de mostrar tanto las relaciones evolutivas comola información sobre el tiempo relativo de divergencia de lasramas
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Conceptos básicos de filogenética molecular Formas de representación de árboles
Formas de representación de árboles
En un cladograma, sin embargo, los taxones externos se alineanclaramente
Las longitudes de sus ramas no son proporcionales al número decambios evolutivos y, por tanto, no tienen ningún significadofilogenético
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Conceptos básicos de filogenética molecular Formas de representación de árboles
Formas de representación de árboles
Para proporcionar información de topología de árbol a losprogramas de computadora sin tener que dibujar el árbol en sí, sedesarrolló una representación especial en texto conocida como elformato Newick
En este formato, los árboles están representados por los taxonesincluidos entre paréntesis anidados
En esta representación lineal, cada nodo interno estárepresentado por un par de paréntesis que encierran todos losmiembros de un grupo monofilético separados por una coma
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Conceptos básicos de filogenética molecular Formas de representación de árboles
Formas de representación de árboles
Para un filograma (ramas a escala), las longitudes de las ramasen unidades arbitrarias se colocan inmediatamente después delnombre del taxón separado por dos puntos
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Conceptos básicos de filogenética molecular Formas de representación de árboles
Formas de representación de árboles
A veces, los métodos de construcción de árboles pueden producirvarios árboles igualmente óptimos
Un árbol de consenso puede ser construido mostrando lasporciones de bifurcación resueltas comúnmente y colapsandoaquellas que no concuerdan entre los árboles
La combinación de los nodos se puede hacer ya sea porconsenso o por la estricta regla de la mayoría
En un árbol de consenso estricto, todos los nodos en conflicto soncolapsados
En un árbol de consenso por regla de la mayoría, los nodos enconflicto que están de acuerdo en más del 50 % de los nodos semantienen, el resto son colapsados en una multifurcación
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Conceptos básicos de filogenética molecular Formas de representación de árboles
Formas de representación de árboles
Un árbol de concenso es derivado de 3 árboles (regla demayoría). Los nodos en conflicto se representan con unamultifurcación
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Conceptos básicos de filogenética molecular Dificultad de encontrar un árbol real
1 Conceptos básicos de filogenética molecularIntroducciónEvolución molecular y filogenética molecularTerminologíaFilogenia de genes y de especiesFormas de representación de árbolesDificultad de encontrar un árbol realProcedimiento
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Conceptos básicos de filogenética molecular Dificultad de encontrar un árbol real
Dificultad de encontrar un árbol real
El objetivo de la filogenética molecular es reconstruircorrectamente la historia evolucionaría basada en la divergenciade secuencias observadas entre organismos
Esto significa encontrar una topología de árbol correcta conlongitudes correctas de las ramas
Esta tarea puede ser extremadamente difícil ycomputacionalmente demandante
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Conceptos básicos de filogenética molecular Dificultad de encontrar un árbol real
Dificultad de encontrar un árbol real
La razón es que el número potencial de topologías de árbolespuede enorme aún con un número moderado de taxones
El número de árboles con raíz (NR) para n taxones está dado porla siguiente fórmula:
NR = (2n − 3)!/2n−2(n − 2)! (1)
El número de topologías para árboles sin raíz (NU ) es:
NU = (2n − 5)!/2n−3(n − 3)! (2)
Para 10 taxones, puede haber 2,027,025 árboles sin raíz y34,459,425 con raíz
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Conceptos básicos de filogenética molecular Dificultad de encontrar un árbol real
Dificultad de encontrar un árbol real
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Conceptos básicos de filogenética molecular Dificultad de encontrar un árbol real
Dificultad de encontrar un árbol real
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Conceptos básicos de filogenética molecular Dificultad de encontrar un árbol real
Dificultad de encontrar un árbol real
Eje y en escala log
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Conceptos básicos de filogenética molecular Procedimiento
1 Conceptos básicos de filogenética molecularIntroducciónEvolución molecular y filogenética molecularTerminologíaFilogenia de genes y de especiesFormas de representación de árbolesDificultad de encontrar un árbol realProcedimiento
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Conceptos básicos de filogenética molecular Procedimiento
Procedimiento
El procedimiento para construir árboles filogenéticos se divide en5 pasos:
1 Elección de los marcadores moleculares2 Alineamiento múltiple de secuencias3 Elección de un modelo de evolución4 Determinación de un método de construcción de árboles5 Verificación de la fiabilidad del árbol construido
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