Resumen de Mutation, duplication, and selection in mammalian genomes
El objetivo de esta tesis doctoral ha sido el papel de inserciones y deleciones ("indeles") cortas en la evolución de las proteínas de mamíferos y lo que sucede después de la duplicación de genes. Con este fin se han realizado dos proyectos: en el primero, se han investigado los indeles en un conjunto de proteínas uno-a-uno ortólogas de cinco especies (humano, macaco, ratón, rata y vaca), mientras que en el segundo se ha investigado en detalle los procesos que ocurren después de la duplicación de genes de roedores.
Tradicionalmente, los indeles se han ignorado en gran medida en los estudios de genómica comparativa, los cuáles se han centrado en las sustituciones. Sin embargo, su importancia es clara dado su conocido papel en muchas enfermedades humanas (Stenson et al, 2003). Algunos estudios han sugerido que existe una tendencia universal hacia las eliminaciones (Kuo y Ochman, 2009), y que este hecho puede haber influido en el tamaño del genoma (Petrov, 2002). Por lo tanto, decidí aprovechar los datos de la secuenciación reciente de algunas especies de mamíferos para investigar la influencia de los indeles en la evolución de las proteínas con mayor detalle. Con este fin, extraje un conjunto de ~6.000 ortólogos ¿one-to-one¿ de la base de datos pública Ensembl y un conjunto adicional de ~20.000 regiones de repetición ancestrales que evolucionan neutralmente, y se analizó la distribución de indeles a través de las ramas en un árbol filogenético correspondiente a las especies humano, macaco, ratón, rata y vaca.
Contrariamente a lo expuesto en los recientes estudios, no he encontrado un exceso universal de deleciones en todas las ramas del árbol. Sin embargo, he podido observar un exceso de deleciones en la secuencia no codificante para la rama ancestral de roedores significativo, que corresponde a una pérdida del 2,5% de la secuencia. Por otra parte, también encontré una correlación positiva entre la tasa de evolución de la proteína y el número de indeles que tiene y que el número de indeles es particularmente abundante en las regiones de la secuencia de baja complejidad en proteínas, lo que sugiere que estas regiones, cuando evolucionan, lo hacen con menos restricciones. Finalmente, cuando comparamos la frecuencia de indeles en regiones no codificantes con la de las regiones codificantes, se observa que la selección actúa de manera más fuerte en contra de las inserciones, algo que nunca se había descrito previamente.
La duplicación de genes se sabe que es la principal fuente de nuevos genes y hay tres mecanismos principales que se han propuesto para explicar el proceso de la evolución después de la duplicación: el aumento gen-dosis, la neofuncionalización y la subfuncionalización. (Ohno, 1970; Force et al, 1999). Hemos investigado cuándo y cómo evolucionan un conjunto de pares de genes duplicados relativamente jóvenes de roedores con el fin de averiguar qué mecanismo se ha utilizado.
Mediante la comparación de la tasa de evolución de los genes antes de la duplicación y posterior, nos encontramos con que, por lo general, hay un marcado aumento en la tasa de evolución inmediatamente después de la duplicación, como ya se había observado previamente en otros estudios pero, en cambio, cabe resaltar que en este caso el aumento se limita sólo a una de las copias. Mediante el establecimiento de la tasa de evolución en diferentes puntos de la historia se observa que este aumento vuelve gradualmente a los niveles anteriores a la duplicación en un período de 40 millones de años. Como era de esperar, teniendo en cuenta los resultados de la primera parte de esta tesis, el aumento de la tasa de evolución va acompañada de un aumento en la ocurrencia de indeles. Por otra parte, mediante la prueba de la branch-site test (Yang & dos Reis, 2011), encontramos que en el 28% de los gene duplicados actúa la selección positiva. Por último, hemos incorporado los datos de expresión de los genes en diferentes tejidos de un estudio reciente de RNAseq (Brawand et al, 2011) y hemos encontrado diferencias consistentes en los patrones de expresión entre los dos duplicados: en particular, una de las copias se encuentra expresada en numerosos tejidos mientras que la otra tiene un patrón de expresión más restringido. En conjunto, estos resultados sugieren que la neofuncionalización parece ser el principal medio por el cual se conservan los genes duplicados.
Brawand, D., Soumillon, M., Necsulea, A., Julien, P., Csárdi, G., Harrigan, P., Weier, M., et al. (2011). The evolution of gene expression levels in mammalian organs. Nature, 478(7369), 343¿8. doi:10.1038/nature10532 Force, A., Lynch, M., Pickett, F. B., Amores, A., Yan, Y. L., & Postlethwait, J. (1999). Preservation of duplicate genes by complementary, degenerative mutations. Genetics, 151(4), 1531¿45.
Kuo, C.-H., & Ochman, H. (2009). Deletional bias across the three domains of life. Genome biology and evolution, 1, 145¿52. doi:10.1093/gbe/evp016 Ohno, S. (1970). Evolution by gene duplication (p. 160). Springer-Verlag.
Petrov, D. A. (2002). Mutational equilibrium model of genome size evolution. Theoretical population biology, 61(4), 531¿44.
Stenson, P. D., Ball, E. V, Mort, M., Phillips, A. D., Shiel, J. A., Thomas, N. S. T., Abeysinghe, S., et al. (2003). Human Gene Mutation Database (HGMD): 2003 update. Human mutation, 21(6), 577¿81. doi:10.1002/humu.10212 Yang, Z., & Dos Reis, M. (2011). Statistical properties of the branch-site test of positive selection. Molecular biology and evolution, 28(3), 1217¿28. doi:10.1093/molbev/msq303
