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Detección de la evolución adaptativa linaje específica de los genes expresados en el cerebro humano, utilizando macaco rhesus como grupo
externo.
(Detecting lineage-specific adaptive evolution of brain-expressed genes
in human using rhesus macaque as outgroup
Alumno: Muñoz Herrera David
Profesora: Dra. María Benita Fernández Salgado Semestre 2014/2
Divergencias genéticas responsables de
las características humanas
P/identificación de genes que se sometieron a
selección darwiniana positiva durante la evolución
humana. Se llevo a cabo análisis basados en filogenia
de genes expresados en el cerebro humano utilizando macaco rhesus como grupo externo.
Comparación de secuencias de genes ortólogos de humanos y
chimpancés. Concluye que los genes con selección positiva en
humanos tienen funciones biológicas, como: olfato, la percepción
sensorial, y el transporte.
Genes implicados en la percepción sensorial y el sistema
inmunológico tienden a evolucionar con rapidez debido a la
selección positiva.
Los genes implicados en la apoptosis, la gametogénesis, y en el
proceso de defensa / inmunidad tienden a evolucionar bajo la
selección positiva en humanos.
Adquisición secuencia codificantes ortólogas
Se utilizaron:
Los resultados GeneWise con una puntuación > 35 .
Los mejores punto de corte (longitud de la proteína emparejada / longitud total de proteína) e identidad (longitud de la proteína
/ longitud total emparejada con concordancia exacta), de la proteína humana y una secuencia especifica correspondiente a
ADN de chimpancé.
Se obtuvieron secuencias de codificación homólogas en el chimpancé 9, 134 (89,6%) .
Otro criterio , si la ubicación en genoma del segmento emparejado corresponde a un gen humano, la secuencia de
codificación de chimpancé fue entonces considerado como la secuencia de codificación ortólogos del gen humano . Un total de
7.070 genes ( 69,4 %) se obtuvieron después de esto. Finalmente 2633 secuencias de genes ortólogos se
obtuvieron después de buscar en el genoma de macaco rhesus.
Secuencias de humanos obtenidas de la secuencia de
Referencia del NCBI
Información de expresión de la base de datos de NCBI,
UniGene.
TBLASTN, secuencias de proteínas humanas fueron comparadas contra
el genoma del chimpancé.
SOLAR (Sorting Out Local AlignmentResults) analizó los resultados
TBLASTN
Secuencia de la proteína humana se
comparó con la secuencias de
segmentos de ADN del chimpancé por
utilizando
GeneWise.
10,184 secuencias
Inferencia de secuencias ancestrales y Ka / Ks
Las secuencias ancestrales humano-chimpancé se infiere utilizando el Programa baseml. Utilizando las
secuencias de ortólogos de humanos, chimpancés, macacos y ratón. Los sitios de la secuencia con diferentes
nucleótidos en las tres especies comparadas se eliminaron del análisis.
El programa yn00 fue empleado para estimar la relación Ks y Ka. Para probar si la proporción Ka / Ks fue
significativamente mayor que 1 , se aplicó el modelo branchsite A.
La relación de Ka/Ks. (relación entre el número de sustituciones no sinónimas y el número de sustituciones
sinonimas) mide la presión selectiva en el nivel molecular, una alta relación de Ka/Ks inidica que la evolución
esta bajo selección positiva.
Análisis de categorías funcionales
Categorías funcionales se obtuvieron a partir del software PANTHER. Los genes se seleccionaros sólo si la
puntuación era mejor que la E -3 y clasificaciones funcionales se mantuvieron para el análisis sólo si la categoría
constaba de al menos 20 genes. Se identificaron un total de 71 categorías de procesos biológicos y 61
categorías de función molecular .
Adquisición de genes expresados mayoritariamente en el cerebro (BME).
Los datos de la expresión de los 2,633 genes humanos fueron tomadas del Atlas de Expresión Génica, que contiene los datos de expresión de 79 tejidos humanos. Esos genes con los valores máximos en la corteza prefrontal , todo el cerebro adulto, y el cerebro fetal se consideraban como los genes mayoritariamente expresados en el cerebro.
Las pruebas de significación estadística
Para evaluar si las relaciones Ka / Ks de genes BME en el linaje humano fueron más altos que en el linaje del chimpancé , se utilizó el Wilcoxon , prueba evalúa la probabilidad de la hipótesis nula de que dos grupos de pares de datos se extrajeron de la misma distribución subyacente.
Se obtuvieron las secuencias de codificación de 2,633 genes ortólogos en humanos, chimpancés, macaco rhesus y ratón con
criterios rigurosos.
Usando macaco rhesus como grupo externo, inferimos las secuencias ancestrales del ser humano y el chimpancé, La presión
selectiva se medio por la relación de Ka/Ks. Que fue de 0,22 para el linaje humano y 0,25 para el linaje del chimpancé, lo que
indica que en general las presiones selectivas sobre los genes expresados en el cerebro son similares entre humanos y
chimpancés.
Patrón evolutivo de los Genes BME
Se obtuvieron los perfiles de expresión, los genes con la máxima expresión en el cerebro fueron seleccionados. Después de la
eliminación de los genes sin sustituciones ( Ka = 0 , Ks = 0 ) , se seleccionaron un total de 129 genes humanos y de 134 genes de
chimpancé con la máxima expresión en el cerebro, se compararon las relaciónes de Ka/Ks de los genes de BME con los genes no
BME en los linajes de humanos y chimpancés, respectivamente . Los resultados indicaron que las proporciones de Ka / Ks de los
genes BME en chimpance son significativamente mas bajos que los no BME (selección negativa de los genes BME). Esta
diferencia implica una evolución más rápida de los genes de BME en el linaje humano que en el linaje de chimpancé ( Tabla 1 ) , lo
que podría ser causado por cualquiera de selección darwiniana positiva.
Categorías funcionales de los genes que evolucionan rápidamente
Se obtuvieron la categorías funcionales de los 2633 genes basado en el sistema de clasificación Panther. Se
eliminaros 360 genes humanos y de 448 genes de chimpancé sin sustituciones para el análisis. Muchos de los genes
con el proceso biológico desconocido estuvieron implicados en varias categorías de funciones moleculares conocidas
como factores de transcripción. Varios genes agrupados en " función molecular sin clasificar" se clasificaron en
categorías de procesos biológicos conocidos , incluido el tráfico intracelular de proteínas y la espermatogénesis y
la motilidad.
Tanto en el los linajes del chimpancé y humano , los genes relacionados con la defensa inmune evolucionaron
rápidamente. Los genes relacionados con la defensa tienden a estar bajo la selección positiva. Otras categorías que
habían sido identificados como bajo la selección positiva anteriormente también fueron observados en nuestro
estudio, incluyendo la adhesión celular, la matriz extracelular , y el factor de transcripción en dedo de zinc. Mediadores
de las vías de señalización son genes que evolucionan rápidamente. Involucrados en el sistema inmunológico, la
rápida evolución de estos genes confirmó la propuesta de selección positiva de los genes relacionados con la función
inmunitaria.
El análisis de los 47 genes considerados de selección positiva en el linaje humano
Se detectaros 47 genes con importantes relaciones Ka / Ks > 1 en el linaje humano. Después del análisis
estadístico no se mostraron diferencias significatióvas. Por lo tanto , el uso de macaco rhesus como la especie
del grupo externo es más sensible para detectar los genes seleccionados positivamente.
Para los genes 47 considerados:
◦ 6 están implicados en la gametogénesis y el proceso de desarrollo.
◦ 6 en el metabolismo del ácido nucleico.
◦ 8 en la señal transducción.
◦ 4 en la inmunidad.
Sólo 2 genes relacionados con el sistema nervioso están en la lista de candidatos (NPY , EPS15 ) , NPY también
está implicado en la transducción de señales. Lo que sugiere que el número de genes relacionados con
neurofuncion que contributen a la capacidad cognitiva humana durante la evolución puede ser muy pequeña .
Comparación de los efectos de la utilización de un grupo externo diferente
De los 47 genes considerados, 3 genes fueron mostraron ser seleccionados positivamente en el linaje humano.
La discrepancia podría ser causada por el uso de un conjunto de datos diferente ( por ejemplo, la longitud de los
genes puede ser diferente) y/o el uso de diferentes grupos externos.
Se realizó un análisis comparativo con los diferentes grupos externos, con raton y macaco rhesus, para ver si el
uso de los diferentes grupos externos tiene algún efecto en la detección de genes seleccionados positivamente
en los seres humanos. Las secuencias de los genes fueron editadas de modo que todos los genes tienen la
misma longitud, tanto en el grupo humano-chimpancé-macaco (HCR) y el grupo humano-chimpancé-ratón
(MCH). Un total de de 333 y 276 genes con Ka / Ks > 1 fueron detectados en HCR y HCM , respectivamente; 28
y 26 genes fueron estadísticamente significativos . Sin embargo , de estos genes , sólo 16 fueron compartidos
entre HCR y HCM, lo que implica que el uso de los diferentes grupos externos dar lugar a diferentes inferencias.
Esta diferencia podría deberse a diferentes a la profunda divergencia entre los humano el chimpancé y el ratón.
Un grupo externo estrechamente relacionados (macaco) sirve mejor para inferir patrones de evolución molecular
y para identificar genes sometidos a la evolución adaptativa .
Se demostró que la restricción selectiva es muy fuerte para los genes de BME en el linaje del chimpancé con el uso de macacos rhesus como grupo externo y que los genes expresados en el sistema nervioso mostraron un aumento relativo de la tasa de evolución en humanos en comparación con el chimpancé .
Los genes de la defensa inmune evolucionan rápidamente en los seres humanos y los chimpancés . Sin embargo, hay tres categorías relacionadas con la función inmunitaria (células T mediada por la inmunidad, la inmunidad y la defensa, y proteínas de defensa) que muestran una rápida evolución en el linaje del chimpancé, pero sólo uno (proteína de defensa) en el linaje humano, lo que implica que puede haber más genes relacionados con la inmunidad en chimpancé sometidos a la evolución adaptativa.
Se identificaron 47 genes que habían sido sometidos a selección positiva en el linaje humano. Estos genes están implicados en la gametogénesis , el desarrollo , la transducción de señales , y la defensa inmune. Además , se detecto la evidencia de selección positiva en el NPY ( neuropéptido Y ) y EPS15 (relacionado con la liberación de neurotransmisores) , dos genes relacionados con el sistema nervioso, que no se había informado anteriormente .
“El NPY tiene una actividad vasoconstrictora
muy potente y, aunque no se sabe si actúa
como neurotransmisor o neuromodulador, se ha
comprobado que es liberado por los nervios
esplénicos y que modifica la liberación de
noradrenalina y acetilcolina in vitro.”
Xiao-Jing Yu, et, al. (2006). Detecting lineage-specific adaptive evolution of brain-expressed genes in
human using rhesus macaque as outgroup. Genomics, Elsevier. 88 p.p. 745–751
Revista digital universitaria (2012). Relación ka/ks. Citado el 10 de Mayo del 2014 en:
centrodeartigos.com/revista-digital-universitaria/contenido-28388.html
Castillo, A. (2010). Selección Natural a nivel molecular. Citado el 10 de Mayo del 2014 en:
www2.inecc.gob.mx/publicaciones/libros/530/cap1.pdf
Tovar, J. (2004). Neuropéptido Y, NY. Citado el 10 de Mayo del 2014 en:
www.javeriana.edu.co/Facultades/Ciencias/neurobioquimica/libros/neurobioquimica/NY.htm