GENETICA DE POBLACIONES agosto 2013 Luis E. Eguiarte ( luis.eguiarte@gmail ,)

1. GENETICA DE POBLACIONES agosto 2013 Luis E. Eguiarte (luis.eguiarte@gmail.com,) Jaime Gasca (jaimegasca@yahoo.com) Erika Aguirre (eaplanter@gmail.com) Valeria Souza (souza@unam.mx) Laboratorio de Evolución Molecular y Experimental Instituto de Ecología, UNAM, teléfono 56229006 página web: http://web.ecologia.unam.mx/laboratorios/ evolucionmolecular/index.php/es/ cursos-y-talleres/10-genetica-de-poblaciones

2. GENETICA DE POBLACIONES Introducción al Curso La genética de poblaciones explora los niveles de variación genética dentro y entre las poblaciones que forman a las especies y explica sus patrones en términos de las fuerzas evolutivas. La genética de poblaciones tiene su origen en artículos y libros de varios investigadores en Inglaterra y Estados Unidos en los años 30 del siglo pasado (Fisher, 1930; Wright, 1931, 1932; Haldane, 1932), y ha demostrado ser la herramienta más poderosa para el estudio de la evolución, haciendo central su estudio no sólo para los biólogos interesados en evolución y ecología, sino para cualquier estudioso serio del material genético y la herencia a todos su niveles. Como señala Michael Lynch en su libro del 2007, “Nada en evolución tiene sentido si no es a la luz de la genética de poblaciones”.

3. GENETICA DE POBLACIONES Introducción al Curso II La evolución a su vez es el estudio de los patrones y procesos que han producido el cambio de los organismos en el tiempo, y es el resultado de las fuerzas evolutivas operando sobre la variación genética por mucho tiempo. Este proceso evolutivo ha generado tanto la adaptación (el ajuste de los organismos a su medio ambiente), como la gran diversidad de especies que hay y han existido en el pasado en la tierra (millones de especies). La genética de poblaciones inicialmente consideraba explorar, en un solo gen, el comportamiento de dos alelos que segregan de acuerdo a las leyes de Mendel. Este caso se analiza de manera sencilla, y el Equilibrio de Hardy-Weinberg describe cómo se comporta la variación en ausencia de cualquier fuerza evolutiva, funcionado como modelo nulo de cómo se comporta la variación genética si no opera ninguna fuerza evolutiva. De esta manera, modificando los supuestos del Equilibrio de Hardy-Weinberg se exploran los efectos de las diferentes fuerzas evolutivas sobre la variación genética: flujo génico, deriva génica, mutación y selección natural.

4. GENETICA DE POBLACIONES Introducción al Curso III ¿Qué pasa al considerar a modelos más realistas (y por lo tanto más complicados) de la genética? Recientemente, con los avances en los métodos moleculares y análisis de secuencias, la disminución de costos y el incremento en la velocidad de secuenciación y los estudios genómicos, por fin se puede analizar cientos o miles de genes en las poblaciones naturales (Genómica de Poblaciones). Estos datos, junto con las herramientas teóricas recientemente desarrolladas, nos permiten reconstruir finamente la historia evolutiva de las poblaciones y las especies, tanto en términos selectivos y demográficos (i.e., teoría de la coalescencia) como geográficos (i.e., la filogeografía) y avanzar en resolver una serie de problemas ecológicos, taxonómicos y evolutivos.

5. Objetivo del Curso: En este curso pretendemos que los alumnos entiendan y puedan aplicar los principios de la genética de poblaciones, desde sus bases clásicas hasta los desarrollos más recientes mencionados arriba, revisando rigurosamente tanto la teoría como los patrones empíricos

6. Evaluación y estructura I: Son 9 temas. A cada tema se le dedicará cuando menos 2 clases. Se espera que todos los alumnos lean y hagan un resumen de cada uno de los capítulos del libro de texto que se van a ver en clase. También deberán hacer y entregar los problemas del libro de texto (cuando menos la mitad de cada capítulo). En este curso NO va a haber seminarios. Además se van hacer otros ejercicios, tareas y talleres de computo para aprender a usar los programas relevantes del estudio empírico de la Genética de poblaciones.

7. Evaluación y estructura II: La evaluación se realizará con los siguiente elementos: 1) 3 exámenes, 10% c/u, 30% en total. 2) Trabajo semestral (sobre Genética de Poblaciones!), 20%, 3) Resumenes críticos de los capítulos del libro: 15%, tareas (problemas de cada capítulo). 4) Participación y asistencia a clase: 15% 5) Tareas (incluyendo los Problemas de cada capítulo y de los Talleres de computo): 20%; Los alumnos deben de entregar todos los problemas y presentar todos los exámenes y el trabajo semestral para aprobar el curso.

8. El trabajo semestral consistirá en un buen análisis de datos relacionados a los temas del curso y se demuestre que se aprendió a usar e interpretar estos datos y análisis. Breve (10 cuartillas) pero de calidad, original y creativo, y en formato de un artículo de revista, y se expondrá de manera breve frente al grupo.

9. ¿Horario y Lugar: Martes y Jueves de 3:30 PM a 5:30 PM. Aquí, Auditorio Instituto de Ecología, UNAM ¿Requisitos?: Conocimientos básicos de genética y de evolución. 16 semanas, 32 sesiones, 64 horas.

10. Referencia y texto básico: Leer los capítulos y hacer problemas, o pares o nones Hedrick, P.W. 2011. Geneticsofpopulations. Fourthedition. Jones and Bartlett publishers. Sudbury, Massachusetts. 675 págs.

11. Otrasreferenciasqueseránusadas en el curso: Bell, G. 2008. Selection. The Mechanism of evolution. Oxford Universiyt press. Oxford, UK., 553 págs. Charelsworth, B. y D. Charelsworth 2010. Elements of Evolutionary Genetics. Roberts and Company Publishers. Greenwood Village, Colorado, EUA. 734 págs Eguiarte Luis E., V. Souza y X. Aguirre (Compiladores). 2007. Ecología molecular. Semanrant, Conabio, Inst. de Ecología UNAM. D. F., México.574 págs. Libro de texto en español que trata la mayoría de los temas del curso. Felsenstein J. 2003. Inferring Phylogenies. Sinauer Associates. Sunderland, MA, 664 págs. Gillespie, J.H. 2004. Population Genetics. A concise guide. Second edition. The John Hopkins Univesity press. Baltimore, 214 págs. Un texto compacto, relativamente económico y actualizado. Hamilton, M. 2009. Population Genetics. Wiley-Blackwell, Oxford, UK. 424 págs. Hartl D.L. y A. G. Clark. 2006 Principles of population genetics, 4th edition, Sinauer, Sunderland, Mass. 545 págs. Esta edición es una versión simplificada y ligeramente actualizada de la segunda, pero también recomendamos la segunda por su mayor detalle. Lynch, M. 2007. The origins of the genome achitecture. Sinauer, Sunderland, Massachusetts. 487 págs.494 págs. Templeton, A.R. 2006. Population genetics and microevolutionary therory. J. Wiley and sons. N.J., EUA, 705 págs. Wakeley J. 2009. Coalescent Theory: An Introduction . Roberts & Company Publishers, Colorado, EUA. 432 págs. Texto avanzado sobre la teoría de la coalescencia.

12. PROGRAMA: I. Introducción a la Genética de poblaciones. LEEF y VSS, 3 sesiones. Capítulo 1. a) Objetivos y metas de las genética de poblaciones. b) Historia de la genética de poblaciones y de la evolución molecular. c) Repaso de genética clásica y molecular. II. El estudio de la variación en las poblaciones naturales y la ley del equilibrio de Hardy-Weinberg. LEEF y EAP, 4 sesiones. Capítulo 2. a) Marcadores morfológicos. b) Alozimas/ Isozimas. c) Variación a nivel ADN: métodos moleculares (i.e., RFLPs, PCR, clonación, secuencias, RAPDs, AFLPs, microsatélites, etc.) y patrones. d) La ley del equilibrio de Hardy-Weinberg. e) Complicaciones a Hardy-Weinberg: Diferencias entre sexos, genes ligados al sexo y más de dos alelos. f) El problema de la estimación empírica de las frecuencias alélicas. g) Medidas de variación genética y de distancia genética.

13. PROGRAMA II: III. La selección natural. LEEF y JGP, 4 sesiones Capíutlo 3 a) Diferentes tipos de selección natural. b) El modelo básico de selección. c) Complicaciones al modelo básico: genes ligados al sexo y alelos múltiples. d) Selección en viabilidad. e) Selección sexual y apareamiento clasificado negativo (negative assortative mating). f) Selección gamética y alelos de incompatibilidad. g) El problema de estimar la intensidad de la selección en el campo. h) Modelos ecológicos, variación espacial y temporal y selección dependiente de la frecuencia.

14. PROGRAMA III: IV.- La endogamia: JGP y EAP, 3 sesiones. Capítulo 8. a) El coeficiente de endogamia y el equilibrio de Hardy-Weinberg. b) Autofertilización total y parcial: teoría y estimaciones. c) Estimación de la endogamia a partir de pedigris. e) La endogamia en las poblaciones naturales. f) La “depresión” por endogamia. e) “Kin selection”. f) Reproducción asexual. V.- La deriva génica, el tamaño efectivo de las poblaciones. LEEF y JGP, 3 sesiones. Capítulo 4 a) ¿Que es la deriva génica? b) Un enfoque de matrices de transición. c) Efecto de fundador y cuellos de botella. d) El tamaño efectivo de las poblaciones, definiciones y métodos ecológicos y genéticos para su estimación. e) Deriva génica y selección natural.

15. PROGRAMA IV: VI. El flujo génico y la estructura de las poblaciones. EAP y LEEF, 3 sesiones, Capítulo 7. a) El modelo contiente-islas de flujo génico. b) El efecto Wahlund. c) Estimaciones directas e indirectas de flujo génico. d) Los estadísticos F de Wright. e) Flujo génico y deriva. f) Flujo génico y selección.

16. PROGRAMA V: VII. La mutación. VSS y LEEF, 3 sesiones. Capítulo 5 a) Historia natural de la mutación. b) Modelos básicos de mutación. c) Balance selección-mutación. d) Mutación en poblaciones finitas: el modelo de alelos infinitos y el modelo de mutaciones por pasos. e) El problema de la estimación de las tasas de mutación VIII. Modelos de varios genes. LEEF y VSS, 3 sesiones. Capítulo 9 a) El desequilibrio de ligamiento I: teoría básica y métodos de estimación b) El desequilibrio de ligamiento II: relación con las fuerzas evolutivas. c) Selección en varios genes. d) Hitchiking. e) Recombinación, sexualidad, “Muller ratchet”, y selección de fondo.

17. PROGRAMA VI: IX. Genética de poblaciones molecular. VSS y LEEF, 4 sesiones. Capíutlo 6. a) Estimación de variación genética a nivel molecular. b) El modelo de sitios infinitos. c) La prueba de Tajima y otras pruebas relacionadas. d) La prueba de Ewens-Watterson. e) Pruebas HKA y MK. f) Filogeografía. g) Análisis de paternidad. h) ADN fósil. g) Sesgo en el uso de los codones.

18. Para la próxima semana: Leer capítulo 1 del Hedrick, 2011. Hacer resumen crítico, en un par de cuartillas. Martes 20 Comenzar a hacer problemas. Pares o nones, para el Jueves 22.

19. Genética de poblaciones: a) Objetivos y metas de las genética de poblaciones. b) Breve historia de la genética de poblaciones y de la evolución molecular. c) Breve repaso de genética clásica y molecular.

20. Material genético: archivo del proceso evolutivo... • a partir de este archivo, con la teoría evolutiva, buenos datos y muestreo y análisis estadístico, podremos reconstruir al proceso evolutivo y entender las fuerzas evolutivas que han modelado la diversidad y adaptaciones de los organismos...

21. Variación genética: • El primer paso en todo estudio evolutiva • Si no hay variación, no pueden actuar las fuerzas evolutivas • Según el tipo de variación, se va a determinar la evolución adaptativa y/o aleatoria de las poblaciones • A partir de como se distribuyen dentro y entre las poblaciones, podemos inferir las fuerzas evolutiva y la historia pasada (esta sería “la gran ilusión”, pero a cada vez parece mas seguro que si se puede lograr!!!)

22. La EVOLUCION es la parte central, que da estructura y orden a toda la biología moderna. • La única forma de entender a la evolución es a través de la GENETICA DE POBLACIONES • Nada en evolución tiene sentido si no es a la luz de la genética de poblaciones. • M. Lynch, 2007

23. Debido a los nuevos métodos, se esta acumulando una cantidad impresionante de secuencias y de información genómica, y la mejor forma de analizarla es usando las herramientas de la genética de poblaciones...

24. GENÉTICA DE POBLACIONES: (= MICROEVOLUCIÓN) *COMO SE COMPORTA LA VARIACIÓN GENÉTICA EN LAS POBLACIONES (DENTRO DE LAS ESPECIES). *ES EL ESTUDIO DE LAS FUERZAS EVOLUTIVAS QUE CAMBIAN A LAS ESPECIES EN EL TIEMPO. ecol. evol Ecología Evolución Genética de poblaciones genética del desarrollo. ev. molecular ecol. molecular Genética

25. GENÉTICA DE POBLACIONES: Aplicaciones: Entender al proceso evolutivo Herramienta ecológica y taxonómica Análisis de enfermedades humanas y otros organismos. Mejoramiento agronómico y de ganado: bases genética cuantitativa Conservación de las especies Bancos de germoplasma y recursos genéticos plantas y animales Fundamentos de la Evolución Molecular, Bioinformática, Genómica, etc.

26. Experimental Teórico Empírico GENÉTICA DE POBLACIONES: Enfoques: Empírico:análisis de las frecuencias alélicas en las poblaciones. Variación genética dentro y entre las poblaciones y en el tiempo. Correlaciones con patrones ambientales. Sugiere problemas e ideas interesantes Datos: morfológicos, grupos sanguíneos, cromosomas (inversiones), alozimas, secuencias ADN, otros moleculares...

27. Experimental Teórico Empírico Experimental: apoya a hipótesis generadas de datos empíricos: transplantes recíprocos (efectos ambientales, adaptación local) Generaciones múltiples: drosofilas, bacterias, virus, Arabidopsis

28. Experimental Teórico Empírico Teórico: Genera modelos adecuados a los datos empíricos y experimentales. Da el marco de referencia para generalizar y entender datos, en términos de las fuerza evolutivas y parámetros relevantes.

29. Breve historia de la genética de poblaciones y de la evolución molecular. • La teoría de la evolución trata de explicar dos características fundamentales de la vida en la tierra: la diversidad en el número de especies y la adaptación.

30. En general podemos resumir las ideas originales de Charles Darwin en tres grandes puntos: 1) Los organismos actuales son resultado de un proceso evolutivo, y todos están relacionados entre si en un gran árbol filogenético. 2) La evolución es gradual. 3) La evolución es resultado del proceso de selección natural. Los dosprimeros puntos fueron rápidamente aceptados por la comunidad científica, pero el tercero fue mucho más controversial.

31. Proceso de selección natural según Darwin y Wallace en 4 pasos: a) Existe variación en las poblaciones naturales, b) Parte de esta variación tiene que ver con que el funcionamiento los organismos y es heredable, c) Dado que los recursos son limitados, se genera competencia entre los individuos de cada especie, y d) Como consecuencia automática de los tres puntos anteriores, tenemos un proceso de selección natural, donde los organismos van cambiando y de esta forma produce le proceso de la adaptación. El proceso es Ecológico (Poblacional)...

32. Para Darwin entonces, proceso evolutivo es Ecológico (POBLACIONAL)... Este proceso gradual de selección natural eventualmente genera divergencia (por competencia) entre las poblaciones y así se puede explicar tanto la gran diversidad actual como la gran adaptación de las especies.

33. Darwin: ESTAN LAS IDEAS DE POBLACIONES, PERO FALTA LA GENETICA Y EL DESARROLLO CUANTITATIVO! El principal problema del modelo Darwiniano original era la falta de conocimiento de la herencia. Generalmente se pensaba en modelos estilo “mezcla de sangre”, aunque Darwin eventualmente propone un modelo totalmente hipotético de las gémulas para evitar que se perdiera la variación, y no se descartaba la posibilidad de la herencia de los caracteres adquiridos (herencia “lamarquiana”).

34. GregorMendel (1822-1884) tenía la clave de la herencia: diploides caracteres discretos dominantes/ recesivos AAAaaa

35. Los Darwinianos originales eran Naturalistas como Darwin, y aceptaban la idea de cambio, de evolución, e interpretaban, usualmente sin experimentos ni análisis estadísticos, que las características de los seres vivos eran resultado de la selección natural y por lo tanto adaptaciones Ernst Haeckel: filogenias “imaginarias”

36. En 1900 se redescubre la genética y las ciencias experimentales comienzan a adquirir un papel fundamental dentro de la biología. Los genetistas desde el principio dudaron sobre la relevancia de la selección natural, y propusieron que la evolución sucedía gracias a grandes mutaciones que generaban nuevos tipos de organismos y atacan la forma de hacer ciencia de los naturalistas (que se convierten en Ecólogos y Taxónomos), tensión que sigue hasta nuestros días. .

37. Hugo de Vries redescubridor de las leyes de Mendel con Oenothera lamarckiana .

38. La biología evolutiva moderna tiene • cuando menos 2 orígenes “sintéticos”. • 1) La síntesis original entre las ideas de Mendel y Darwin que elaboraron de manera más o menos independiente, • y sin ninguna colaboración relevante con otros científicos • Ronald A. Fisher, Sewall Wright y J.B.S. Haldane: • origen de la genética de poblaciones (teórica).

39. La biología evolutiva moderna tiene cuando menos 2 orígenes “sintéticos”. • 2) Posteriormente viene la segunda fase, en la que T. Dobzhansky. • Inicia la genética de poblaciones empírica • y experimental. • Esta etapa llamaron (él, Mayr, Simpson, Stebbins, Huxley) la “síntesis moderna”: básicamente, popularizar, ampliar y adaptar las ideas de Fisher Wright y Haldane al estudio de diferentes grupos de organismos y subdisciplinas • dentro de la biología.

40. Fundadores de la Genética de Poblaciones Teórica: • RA Fisher (1922-1930) • JBS Haldane (1924-1932) • S Wright (1931- 1932) • desarrollan de manera impresionante e independiente la TEORIA, el “paradigma” y desarrollan los modelos y conceptos fundamentales ... • pero casi sin datos • hasta 1966...

41. Genética de PoblacionesClásica: Trata del comportamiento de genes mendelianos en un contextopoblacional. El modelobásicoes el de un locus con dos alelos: A y a

42. Aa AA aa Aa aa Aa AA Aa aa aa aa AA Aa AA AA AA Aa aa Aa aa AA Aa aa AA AA Aa Aa Aa AA AA Aa AA AA Aa AA AA AA aa AA Aa aa aa Aa Aa aa Aa AA aa Aa aa AA aa AA Aa aa Aa Aa aa Aa aa Las frecuenciasalélicaspyqvaríandentroyentre poblaciones pfrecuenciaalelo A qfrecuencia del alelo a . ESPECIE poblaciones

43. Aa AA aa Aa aa Aa AA Aa aa aa aa AA Aa AA AA AA Aa aa Aa aa AA Aa aa AA AA Aa Aa Aa AA AA Aa AA AA Aa AA AA AA aa AA Aa aa aa Aa Aa aa Aa AA aa Aa aa AA aa AA Aa aa Aa Aa aa Aa aa Frecuenciasgenotípicasesperadas HomócigosAA = pxp= p2 HeterócigosAa = pq +qp= 2pq Homógcigosaa= qxq=q2 .

44. Evolución: Cambio de lasfrecuenciasalélicas en el tiempo (T. Dobzhansky, 1941) Equilibro de Hardy-Weinberg: En unapoblación ideal (grande, de reproducción sexual, diploide, y de apareamientoaleatorio entre individuos), lasfrecuenciaalélicasp y q no cambian N individuos Tiempo 0 Frecuencia de A= p0 N individuos Tiempo 1 Frecuencia de A= p1 N individuos Tiempo t Frecuencia de A = pt

45. Las fuerzasevolutivasviolan los supuestos del equilibrio de Hardy-Weinberg ypor lo tantocambianlasfrecuencias alélicas Derivagénica (Genetic drift), Selección natural (Natural selection), Migraciónoflujogénico (Migration), Mutación (Mutation), Otrosprocesosevolutivos no cambianlasfrecuencias alélicas, pero son importantes: Sistemasreproductivos /endogamia (Mating systems/inbreeding) Recombinación (Recombination)

46. Ronald A. Fisher (1890-1962): The GeneticalTheory of Natural Selection (1930) La Selección Natural fuerzamásimportante

47. Ronald A. Fisher (1890-1962): Interés fundamental en evolución: realizar una síntesis entre las ideas de Darwin y las de Mendel, con una perspectiva estadística. Obra: Cinco libros sobre métodos estadísticos para biólogos y agrónomos, dos sobre evolución y genética, alrededor de 300 artículos científicos sobre problemas estadísticos, genéticos evolutivo y otros, y cientos de reseñas de libros.

48. . En 1928 inició la escritura de su obra seminal, que apareció en 1930: “Thegeneticaltheoryof natural selection”. Describe como se comporta la variación genética en poblaciones naturales y como opera sobre esta variación las fuerzas evolutivas, con especial énfasis en la selección natural. Analiza el proceso de la adaptación y para extrapolar el futuro de las poblaciones humanas, con una perspectiva eugenista.

49. . Una importante influencia para escribir el libro fueron sus discusiones con Julian Huxley en los 20s, El libro de Fisher es el primero de la síntesis original, y presenta las ideas fundamentales para una síntesis entre Darwinismo y Mendelismo.

50. Para Fisher, la fuerza evolutiva fundamental es la selección natural: consideraba que la mutación y la deriva génica eran despreciable, ya que para él las poblaciones tenían tamaños poblacionales casi infinitos, en los cuales puede actuar de manera eficiente la selección aunque sea muy débil. Carta a Sewall Wright, 13 de agosto de 1929: “Para los propósitos relevantes, considero que N (el tamaño efectivo de las poblaciones) generalmente debe de ser el total de la población en el planeta, enumerada a al madurez sexual, y al mínimo anual o de otras fluctuaciones periódicas. Para las aves, el doble del número de nidos sería razonable”.