viernes, 8 de junio de 2018

Construcción de un árbol filogenético

"Es que tus abuelos hicieron cosas muy feas en mi país". Y le contesté: "Mis abuelos no, en todo caso los tuyos. Los míos nunca salieron de España".

He realizado esta práctica sólo para que mis alumnos entendiesen el concepto de un progenitor común... y que yo, en particular no he matado a Atahualpa, que quien lo mató posiblemente sea antepasado de ellos. La parte científica de la práctica la han entendido perfectamente, sin embargo, cuando les pregunté "¿Está claro que los españoles actuales no somos responsables de la matanza de indígenas?" la respuesta fue "La parte científica nos ha convencido pero seguimos pensando que los españoles tienen culpa de todo". 
Charles Darwin intuyó en este esquema que todos los organismos estarían relacionados por antepasados comunes y que las especies actuales formarían una especie de árbol filogenético con sus antepasados

Venimos de nuestros antepasados

Piensa en como clasificarías diversos animales. Tradicionalmente, las diferencias físicas entre organismos fueron utilizadas para deducir las relaciones evolutivas entre ellos, por ejemplo, si un organismo tiene una columna vertebral, o si tiene alas. Sin embargo, esto puede causar problemas. Por ejemplo, aves, murciélagos e insectos tienen todos ellos alas, pero ¿están estrechamente relacionados? ¿Cómo calculas el tiempo que ha pasado desde que los organismos divergieron de un ancestro común?
Sabemos por estudios de secuenciación de ADN que las mutaciones ocurren aleatoriamente a un ritmo muy lento y son transmitidas de padres a hijos. De este modo, si asumes que todos los organismos tienen un ancestro común, puedes utilizar las diferencias en secuencias homólogas para medir el tiempo que ha pasado desde que los organismos divergieron. En otras palabras, cuanto más tiempo haya pasado desde que dos especies divergieron de un ancestro común, más diferentes serán sus secuencias de ADN.
Las secuencias homólogas se definen como aquellas secuencias en dos organismos que tienen un origen común. En realidad no tenemos pruebas de que dos secuencias son homólogas (no estuvimos allí para observar el cambio del ADN con el tiempo), pero si son suficientemente similares, a menudo asumimos que son “homólogas”. Para conocer la similitud de dos secuencias, necesitas alinearlas correctamente (pero esto no forma parte de esta actividad).
Hay que tener en cuenta que las diferentes regiones del ADN - regiones codificantes y no codificantes - evolucionan a diferentes velocidades. En general, las regiones codificantes evolucionan más lentamente, ya que una mutación que provoca un cambio en una proteína es generalmente más costoso para el organismo - es menos probable sobrevivir y dejar descendencia. Esto es analizado en la actividad “ADN móvil”.
Para ilustrar el concepto de homología, puedes utilizar el ejemplo de filología - el estudio de la evolución de las lenguas. De hecho, hay muchos paralelismos entre los métodos usados para estudiar la evolución de las lenguas y la de los organismos. Para leer más clica aquí. Como habrás visto en la entrada del blog, las palabras derivadas de “factum” son todas muy parecidas. Cuanto más cerca del origen más se parecen.

Cinco secuencias de ADN de primates
Neandertal (n)   
   TGGTCCTGCAGTCCTCTCCTGGCGCCCCGGGCGCGAGCGGTTGTCC
Humano (h)    
   TGGTCCTGCTGTCCTCTCCTGGCGCCCTGGGCGCGAGCGGATGTCC
Chimpancé (c)   
  TGATCCTGCAGTCCTCTTCTGGCGCCCTGGGCGCGTGCGGTTGTCC
Gorila (g)            
  TGGACCTGCAGTCATCTTCTGCCCGCCCGAGCGCTTGCCGATGTCC
Orangután (o)    
  ACAACCTGCACTCCTATTCTGCCGAGCCGGGCGCGTGGCAAAGTCC


TGGTCCTGCAGTCCTCTCCTGGCGCCCCGGGCGCGAGCGGTTGTCC
TGGTCCTGCTGTCCTCTCCTGGCGCCCTGGGCGCGAGCGGATGTCC
TGATCCTGCAGTCCTCTTCTGGCGCCCTGGGCGCGTGCGGTTGTCC
TGGACCTGCAGTCATCTTCTGCCCGCCCGAGCGCTTGCCGATGTCC
ACAACCTGCACTCCTATTCTGCCGAGCCGGGCGCGTGGCAAAGTCC


Cuenta el número de diferencias entre cada par de secuencias y anótalo en
Tabla 1: Diferencias entre las secuencias de primates

Neandertal
Humano
Chimpancé
Gorila
Orangután
Neandertal





Humano





Chimpancé





Gorila





Orangután





Calcula el número de nucleótidos diferentes entre dos secuencias dividido por el número total de nucleótidos en cada secuencia y anótalo en: .
Tabla 2: Distancias proporcional entre dos secuencias

Neandertal
Humano
Chimpancé
Gorila
Orangután
Neandertal





Humano





Chimpancé





Gorila





Orangután





Distancia proporcional entre dos secuencias: el número de nucleótidos diferentes entre dos secuencias dividido por el número total de nucleótidos en cada secuencia.

En la tabla, anota el número de nucleótidos diferentes y la diferencia proporcional. Considera las dos especies que son más similares en secuencias: neandertal y humano.
Tabla 3: Distancias evolutivas entre los ancestros de primates y primates

Diferencias
Diferencias proporcional
Neandertal y humano


Neandertal / humano y chimpancé


Neandertal / humano / chimpancé y gorila


Neandertal / humano / chimpancé / gorila y orangután



Usando la tabla 3, puedes empezar a construir el árbol evolutivo:
Conecta neandertales y humanos con una línea. La longitud de las ramas debe corresponder con el tiempo que pasó desde que los humanos y neandertales divergieron de su ancestro común.
Vamos a suponer que se necesitarían 20 millones de años para que cada uno de los nucleótidos de esta particular secuencia de ADN cambien. De este modo, para que la secuencia de ADN cambie un 0.07, se necesitarían 0.07*20 millones = 1.4 millones de años. La rama debe medir por lo tanto, 1.4 millones de años en la escala de tiempo.
Para calcular cuánto tiempo hace que el ancestro de los chimpancés divergió del ancestro de los humanos (longitud de la rama), sumar las diferencias proporcionales en la Tabla 3.

Para calcular las ramas (branches) del árbol se multiplica la distancia proporcional entre dos secuencias por el tiempo en millones de años que se necesitan para que un nucleótido cambie entre dos secuencias
REFERENCIAS:
https://www.scienceinschool.org/es/2010/issue17/bioinformatics
http://bacteriasactuaciencia.blogspot.com/2018/04/la-filogenia-no-tiene-sensibilidad-para.html
https://es.khanacademy.org/science/biology/her/tree-of-life/a/phylogenetic-trees
https://www.researchgate.net/publication/321420152_CONSTRUYENDO_UN_ARBOL_FILOGENETICO_DE_PALABRAS_UN_ENFOQUE_INTERDISCIPLINAR_PARA_LA_ENSENANZA_DE_LA_EVOLUCION

http://webdiis.unizar.es/asignaturas/Bio/wp-content/uploads/2015/05/practica4-5-6.pdf
https://www.youtube.com/watch?v=CZAQFkCprHQ
http://docplayer.es/7711592-Introduccion-a-la-bioinformatica-practica-3-creacion-de-arboles-filogeneticos.html


SOLUCIÓN: Cinco secuencias de ADN de primates

Neandertal (n)   
   TGGTCCTGCAGTCCTCTCCTGGCGCCCCGGGCGCGAGCGGTTGTCC
Humano (h)    
   TGGTCCTGCTGTCCTCTCCTGGCGCCCTGGGCGCGAGCGGATGTCC
Chimpancé (c)   
  TGATCCTGCAGTCCTCTTCTGGCGCCCTGGGCGCGTGCGGTTGTCC
Gorila (g)            
  TGGACCTGCAGTCATCTTCTGCCCGCCCGAGCGCTTGCCGATGTCC
Orangután (o)    
  ACAACCTGCACTCCTATTCTGCCGAGCCGGGCGCGTGGCAAAGTCC


n TGGTCCTGCAGTCCTCTCCTGGCGCCCCGGGCGCGAGCGGTTGTCC
h TGGTCCTGCTGTCCTCTCCTGGCGCCCTGGGCGCGAGCGGATGTCC

n TGGTCCTGCAGTCCTCTCCTGGCGCCCCGGGCGCGAGCGGTTGTCC
c TGA TCCTGCAGTCCTCTTCTGGCGCCCTGGGCGCGTGCGGTTGTCC
 
n TGGTCCTGCAGTCCTCTCCTGGCGCCCCGGGCGCGAGCGGTTGTCC
g TGGACCTGCAGTCATCTTCTGCCCGCCCGAG CGCTTGCCGATGTCC

n TGGTCCTGCAGTCCTCTCCTGGCGCCCCGGGCGCGAGCGGTTGTCC
o ACAACCTGCACTCCTATTCTGCC GAGCCGGGCGCGTGGCAAAGTCC
------------------------------------------------------------------------------------------
h TGGTCCTGCTGTCCTCTCCTGGCGCCCTGGGCGCGAGCGGATGTCC
c TGA TCCTGCAGTCCTCTTCTGGCGCCCTGGGCGCGTGCGGTTGTCC

h TGGTCCTGCTGTCCTCTCCTGGCGCCCTGGGCGCGAGCGGATGTCC
g TGGACCTGCAGTCATCTTCTGCCCGCCCGAG CGCTTGCCGATGTCC

h TGGTCCTGCTGTCCTCTCCTGGCGCCCTGGGCGCGAGCGGATGTCC
o ACAACCTGCACTCCTATTCTGCC GAGCCGGGCGCGTGGCAAAGTCC

------------------------------------------------------------------------------------------
c TGAT CCTGCAGTCCTCTTCTGGCGCCCTGGGCGCGTGCGGTTGTCC
g TGGACCTGCAGTCATCTTCTGCCCGCCCGAG CGCTTGCCGATGTCC

c TGATCCTGCAGTCCTCTTCTGGCGCCCTGGGCGCGTGCGGTTGTCC
o ACAACCTGCACTCCTATTCTGCCGAGCCGGGCGCGTGGCAAAGTCC

------------------------------------------------------------------------------------------
g TGGACCTGCAGTCATCTTCTGCCCGCCCGAGCGCTTGCCGATGTCC
o ACAACCTGCACTCCTATTCTGCCGAGCCGGGCGCGTGGCAAAGTCC



Cuenta el número de diferencias entre cada par de secuencias y anótalo en
Tabla 1: Diferencias entre las secuencias de primates

Neandertal
Humano
Chimpancé
Gorila
Orangután
Neandertal
0
3
4
11
16
Humano
3
0
5
12
17
Chimpancé
4
5
0
11
14
Gorila
11
12
11
0
14
Orangután
16
17
14
14
0
Calcula el número de nucleótidos diferentes entre dos secuencias dividido por el número total de nucleótidos en cada secuencia y anótalo en:
Tabla 2: Distancias proporcional entre dos secuencias

Neandertal
Humano
Chimpancé
Gorila
Orangután
Neandertal
0
0.07
0.09
0.24
0.33
Humano
0.07
0
0.11
0.26
0.37
Chimpancé
0.09
0.11
0
0.24
0.28
Gorila
0.24
0.26
0.24
0
0.3
Orangután
0.33
0.37
0.28
0.3
0
Distancia proporcional entre dos secuencias: el número de nucleótidos diferentes entre dos secuencias dividido por el número total de nucleótidos en cada secuencia.

En la tabla, anota el número de nucleótidos diferentes y la diferencia proporcional. Considera las dos especies que son más similares en secuencias: neandertal y humano.

n TGGTCCTGCAGTCCTCTCCTGGCGCCCCGGGCGCGAGCGGTTGTCC
c TGA TCCTGCAGTCCTCTTCTGGCGCCCTGGGCGCGTGCGGTTGTCC

h TGGTCCTGCTGTCCTCTCCTGGCGCCCTGGGCGCGAGCGGATGTCC
c TG ATCCTGCAGTCCTCTTCTGGCGCCCTGGGCGCGTGCGGTTGTCC
 
Hay cuatro diferencias entre neandertal y chimpancé, y cinco diferencias entre humano y chimpancé. Por consiguiente, la distancia promedio entre neandertal / humano y chimpancé es de 4.5.


n TGGTCCTGCAGTCCTCTCCTGGCGCCCCGGGCGCGAGCGGTTGTCC
g TGGACCTGCAGTCATCTTCTGCCCGCCCG AGCGCTTGCCGATGTCC

h TGGTCCTGCTGTCCTCTCCTGGCGCCCTGGGCGCGAGCGGATGTCC
g TGGACCTGCAGTCATCTTCTGCCCGCCCGAG CGCTTGCCGATGTCC

c TG ATCCTGCAGTCCTCTTCTGGCGCCCTGGGCGCGTGCGGTTGTCC
g TGGACCTGCAGTCATCTTCTGCCCGCCCGAG CGCTTGCCGATGTCC


Tabla 3: Distancias evolutivas entre los ancestros de primates y primates


Diferencias Diferencias proporcional
Neandertal y humano
3
0.07
Neandertal / humano y chimpancé
(4+5)/2= 4.5
4.5/46=0.098
Neandertal / humano / chimpancé y gorila
(11+12+11)/3=11.3
11.3/46=0.24
Neandertal / humano / chimpancé / gorila y orangután
(15+17+13+14)/4=14.75
14.75/46=0.32

Usando la tabla 3, puedes empezar a construir el árbol evolutivo:
Conecta neandertales y humanos con una línea. La longitud de las ramas debe corresponder con el tiempo que pasó desde que los humanos y neandertales divergieron de su ancestro común.
Vamos a suponer que se necesitarían 20 millones de años para que cada uno de los nucleótidos de esta particular secuencia de ADN cambien. De este modo, para que la secuencia de ADN cambie un 0.07, se necesitarían 0.07*20 millones = 1.4 millones de años. La rama debe medir por lo tanto, 1.4 millones de años en la escala de tiempo.
Para calcular cuánto tiempo hace que el ancestro de los chimpancés divergió del ancestro de los humanos (longitud de la rama), sumar las diferencias proporcionales en la Tabla 3.

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