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El genoma de las aves
Mònica López Ramos 14 junio 2007
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Contenido

• El genoma de red jungle fowl (Gallus gallus)
• Secuenciación y ensamblaje
• El contenido de genes
• El contenido de repeticiones
• El contenido de proteínas
• Innovaciones, pérdidas, expansiones génicas y la
  evolución de la función en los ortólogos.
• Arquitectura del genoma
• El genoma conservado de la gallina
• La incógnita del tamaño del genoma de las aves
• Conclusión

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El genoma de red jungle fowl (Gallus gallus)

• Red jungle fowl se cree que es el ancestro
  (salvaje) más cercano de la gallina domestica.
• Sirve como modelo principal de laboratorio de
  9.600 especies de aves.
• El genoma de las aves se separó del de los
  mamíferos hace 310 millones de años. Esta
  distancia aporta una nueva perspectiva en la
  evolución genómica de los vertebrados.
• El embrión de gallina ha sido especialmente útil
  como modelo de los vertebrados en el estudio de
  la biología del desarrollo.
• La gallina también ha sido utilizada en estudios
  de virología, oncogénesis e inmunología.
• La gallina es un descendiente moderno de los
  dinosaurios y el primer amniota no mamífero cuyo
  genoma ha sido secuenciado

• La gallina secuenciada
• Proviene de una línea endogámica (empezaron en
  1956) contiene poca heterozigosidad.
• Esta línea ha servido para estudios genéticos y
  de otro tipo durante décadas, por lo que posee
  mucha información.
• Se escogió a una gallina para tener información
  de los 2 cromosomas sexuales.

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Secuenciación y ensamblaje

• Whole-genome shotgun assembly
• BAC-based physical map
• PCAP
• Genome coverage of 6,6X
• Cromosomas Z y W el 50

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Contenido de genes

• Genes de RNA no codificante
• Se han identificado hasta un total de 571 ncRNA,
  de unas 20 familias de genes diferentes. Muchos
  menos que en humanos.

• Genes que codifican para proteínas
• Se han estimado entre 20.000 y 23.000 genes.

• Pseudogenes
• Solo se han identificado 51 pseudogenes
  procesados. En contraste, con los 15.000
  observados en el genoma de los mamíferos.
• En los mamíferos el atávico elemento transponible
  LINE (L1) parece ser el responsable del origen de
  la mayoría de los pseudogenes procesados. Ya que,
  la transcriptasa inversa codificada por estos
  elementos tiende a ser poco específica y podría
  reconocer mRNA procesados (p.e. mRNAs sin
  intrones y con cola poly-A) y usarlos como
  template para hacer nuevo DNA que después sería
  reinsertado en el genoma creando pseudogenes
  procesados.
• Pero las aves aunque poseen su propio elemento
  LINE-like (Chicken repeat 1 (CR1)), la
  transcriptasa inversa codificada por estos
  elementos no es capaz de copiar los mRNAs
  poliadenilados, lo que probablemente explica la
  falta de pseudogenes procesados en la gallina.

• Conservación evolutiva
• El alineamiento entre secuencias de genes
  ortólogos de gallina y humanos muestra un patrón
  se secuencia conservado, con la máxima identidad
  en los exones y la mínima en los intrones como
  era de esperar.
• Este alineamiento ha llevado a pensar que quizás
  2.000 genes humanos empiezan en un sitio
  diferente al que se creía.

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Contenido de repeticiones

• El tamaño del genoma de la gallina es de 1.050
  Mb en contraste con las 3.100 Mb del genoma
  humano.
• 11 del genoma consiste en repeticiones
  (transposones, satélites), en contraste con el
  40-50 del genoma de los mamíferos.
• 4 genes
• 85 desconocido.
• Es posible que estas regiones desconocidas estén
  formadas por elementos transponibles antiguos que
  han mutado antes de ser reconocidos.
• Muchas repeticiones reconocidas muestran una gran
  divergencia.
• Estos dos aspectos sugieren que la poca cantidad
  de repeticiones se debe a una baja actividad de
  elementos transponibles más que no a una elevada
  tasa de deleción.
• También podría contener elementos reguladores que
  no se han reconocido.

• CR1
• Pertenece a la clase de repeticiones LINE.
• Es el elemento repetitivo más abundante en el
  genoma de la gallina.
• 80
• El número de copias de CR1 se estima en 200.000,
  lo que es significativamente menor a las de los
  mamíferos ( 1 millón de copias).
• La gran mayoría tiene 5-6 Kb longitud.
• No está claro si aún están activos en la gallina.

• El genoma de la gallina no posee elementos
  specíficos SINE.
• Los microsatélites son escasos y están esparcidos
  por el genoma.
• Existen algunos pseudogenes procesados,
  retrotransposones y transposones de DNA.

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Contenido de proteínas

• 60 de los genes que codifican para proteína
  tienen un único ortólogo humano.
• La similitud en la secuencia entre estos genes es
  del 75,3, mientras que entre roedores y humanos
  es del 88, como era de esperar teniendo en
  cuenta su distancia evolutiva.
• El análisis comparativo entre el genoma humano,
  el de la gallina y el pez indica que existe un
  core de genes que es probable esté presente en la
  mayoría de los vertebrados.
• Las secuencias entre genes ortólogos relacionados
  con funciones citoplasmáticas y nucleares están
  más conservadas que aquellas relacionadas con la
  reproducción, el sistema inmune y la adaptación
  al ambiente.
• El 40 restante son miembros de familias de genes
  en los que el ortólogo o el parálogo es menos
  evidente o constituyen innovaciones génicas en el
  genoma de las aves.

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Innovaciones, pérdidas, expansiones génicas y la
evolución de la función en los ortólogos.

• Innovaciones génicas.
• Las escamas, las garras y las plumas se forman
  utilizando una familia de keratinas específica de
  las aves, mientras que la formación de la fibra
  capilar en los mamíferos está relacionada con una
  familia diferente de keratinas.
• Proteínas específicas de la cáscara del huevo,
  como la ovocleidin 116.

• Pérdidas génicas.
• Genes que codifican para receptores vomeronasales
  (detección de feromonas), proteínas de la leche
  (casein), del esmalte dental y asociadas a la
  saliva.
• Parece estar relacionado con la evolución del
  órgano vomeronasal y de las glándulas mamarias en
  los mamíferos, y con la pérdida de los dientes en
  las aves.
• Parece que las gallinas poseen ciertos enzimas
  dependientes de la luz de los que carecen los
  mamíferos. Se cree que los mamíferos inicialmente
  eran animales nocturnos y que en ese periodo los
  habrían perdido.
• Sorprende que de todos los genomas de los
  vertebrados que se han secuenciado hasta ahora,
  el de la gallina sea el único que aparentemente
  parece haber perdido más genes que los que ha
  ganado.

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Innovaciones, pérdidas, expansiones génicas y la
evolución de la función en los ortólogos.

• Expansiones génicas.
• El genoma de la gallina muestra evidencia de una
  reciente y rápida expansión de ciertos receptores
  olfativos y se ha encontrado que tienen un número
  total de receptores parecido al humano.
• Este hallazgo ha sorprendido y sugiere que la
  idea de que las gallinas tienen un pobre sentido
  del olfato podría tener que ser reconsiderada.
• Aparentemente tiene 40 de expansión del
  dominio SRCR que es un regulador de la
  homeostasis de la mucosa.
• Muestra pocos genes para los receptores de
  proteína-G que se cree que están relacionados con
  el sentido del sabor amargo, indicando que las
  aves tendrían una limitada percepción para el
  sabor amargo. Parece ser que ha habido una
  expansión génica de receptores para estas
  proteínas G en los mamíferos.
• El ser humano tiene una extensa familia de genes
  para a-interferones. El genoma de la gallina
  carece de ellos. Se cree que la expansión y la
  diversificación de estos genes en los mamíferos
  son una innovación que aparece como respuesta a
  la exposición a diferentes patógenos.

• Evolución de la función en los ortólogos.
• Algunos genes que se encuentran tanto en la
  gallina como en los humanos podrían haber
  cambiado su función.
• Se ha pensado durante mucho tiempo que las aves
  carecían del ciclo de la urea y excretaban el
  nitrógeno en forma de ácido úrico, mientras que
  los mamíferos excretan urea. Sin embargo, los
  genes que codifican para todos los enzimas del
  ciclo de la urea de los mamíferos se han
  encontrado en el genoma de la gallina, así que
  esto podría indicar que su función ha variado en
  las aves.

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Arquitectura del genoma de la gallina
76 autosomas macrocromosomas
1-5 78 cromosomas
microcromosomas 6-38 2 cr.
Sexuales Z, W (ZW hembra, ZZ macho)

• El cariotipo se define como 2n78
• Una característica distintiva del genoma de las
  aves es que poseen cromosomas de tamaño muy
  diferente.
• Se desconoce si los microcromosomas aparecen con
  las aves o si ya existían en vertebrados
  ancestrales.
• El tamaño oscila de lt 5 Mb a gt 180 Mb

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Arquitectura del genoma

• Micro y macro cromosomas presentas
  características diferentes.
• Microcromosomas
• Tienen un contenido más elevado de GC y más
  densidad de islas CpG, genes y repeats.
• Exhiben características de DNA transcripcionalment
  e activo.
• Presentan homología a las bandas R de mamíferos.
• La diferencia más llamativa es la tasa de
  recombinación.
• La tasa media de recombinación de los
  microcromosomas es de 6,4 cM Mb-¹, mientras que
  para los macro es de 2,8 cM Mb-¹.
• 1 cM aprox es 1 de recombinación.
• Estos datos contrastan con la baja tasa de
  recombinación de humanos que es de 1-2 cM Mb-¹, o
  de ratón que es de 0,5-1 cM Mb-¹.

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Arquitectura del genoma de la gallina

• Han encontrado una fuerte correlación entre la
  longitud del gen y el tamaño del cromosoma en el
  que se encuentra, un efecto que está determinado
  ampliamente por la variación en el tamaño del
  intrón. Ya que la longitud del exón y el número
  de ellos no varia significativamente en los
  diferentes tipos de cromosoma.
• Las distancias génicas aumentan con el tamaño del
  cromosoma.

• La tasa de sustitución sinónima, Ks es
  significativamente mayor para los microcromosomas
  que para los macrocromosomas.
• Por otro lado, la tasa de sustitución no
  sinónima, Ka es mayor para los macrocromosomas
  que para los micro.
• La Ka/Ks es menor, en promedio para los
  microcromosomas indicando que están sujetos a un
  mayor grado de selección purificadora.

• Parece ser que ha habido muchas menos
  duplicaciones génicas en la línea evolutiva de la
  gallina que en la del ser humano.
• El 93 son intracromosómicas.
• Los dos genomas muestran similar número de
  duplicaciones antiguas que probablemente
  ocurrieron ancestralmente antes de su divergencia.

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El genoma conservado de la gallina

• Posee largos bloques de sintenia incluso con sps
  distantes.
• La estabilidad del genoma de las aves también
  está reflejada en una tasa baja de duplicaciones,
  tanto para las duplicaciones génicas como para
  los segmentos (no intercromosómica).
• La reconstrucción del genoma del ancestro amniota
  de las aves y de los mamíferos indica que el
  genoma de la gallina se ha mantenido
  relativamente estable.
• Los mapas de sintenia confirman que el genoma
  humano es más cercano al de la gallina que al de
  los roedores en lo que hace referencia a la
  organización cromosómica de los genes.
• Sorprende que de la fracción del genoma humano
  que se alinea con el de la gallina un poco más de
  la mitad sea DNA no codificante.
• El hecho de que este DNA no codificante posea
  pocas repeticiones y no contenga lugares de
  rotura cromosómica hace pensar que pueda tener
  alguna función.

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• La incógnita del tamaño del genoma de las aves

• El tamaño 3 veces inferior del genoma de las aves
  en relación con los mamíferos refleja una
  reducción en el contenido de repeticiones,
  pseudogenes y duplicaciones.

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• La incógnita del tamaño del genoma de las aves

• Se ha propuesto la idea de que existiría una
  correlación inversa entre la tasa basal
  metabólica y el tamaño del genoma y de los
  intrones de las aves como consecuencia a la
  demanda fisiológica de volar, ya que se reduciría
  el coste metabólico asociado a tener un tamaño
  celular y genómico grande.
• Aunque diferentes trabajos parecen no corroborar
  esta hipótesis.

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La incógnita del tamaño del genoma de las aves

• Utilizando un método bayesian comparativo que
  muestra que existe una correlación entre el
  tamaño de la célula ósea y el tamaño del genoma,
  han calculado el tamaño genómico de 31 sps de
  dinosaurios y aves extinguidas.
• Estos resultados indican que el genoma pequeño
  apareció en la línea evolutiva de los dinosaurios
  hace 230-250 millones de años, antes de la
  aparición de las aves.

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• La incógnita del tamaño del genoma de las aves

• El número de genes no parece ser la respuesta, ya
  que se ha estimado que tienen una cantidad de
  genes parecida a la de los mamíferos.
• La implicación evolutiva de esta diferencia
  permanece desconocida.
• Así como muchas otras incógnitas por descubrir.

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Conclusión

• La secuenciación y el análisis del genoma de una
  sp nos aporta mucha información nueva para
  entender la evolución y la diversificación de los
  seres vivos.