PREDICCIN DE MUTACIONES PUNTUALES EN BASE A LA ESTABILIDAD TERMODINMICA DEL PROCESO DE REPLICACIN DE

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PREDICCIÓN DE MUTACIONES PUNTUALES EN BASE A LA
ESTABILIDAD TERMODINÁMICA DEL
PROCESO DE REPLICACIÓN DEL ADN, Y SU POTENCIAL
USO EN TERAPIAS PREDICTIVAS
2
Nada en Biología tiene sentido a menos que se
entienda en términos de EvoluciónT. Dobzhansky
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Teorías actuales de la Evolución Molecular

• Teoría Neutral (Kimura) La gran mayoría de
  cambios evolutivos a nivel molecular son
  originados neutralmente al asar y fijados por
  deriva genética sin someterse a una selección
  natural.
• Teoría Seleccionista Los cambios evolutivos a
  nivel molecular son seleccionados para mantener o
  mejorar el grado de adaptación.
• Teoría Mutacionalista Los cambios evolutivos a
  nivel molecular obedecen a presiones mutacionales
  las cuales pueden variar entre y dentro de
  especies.

4
Una manera simple de entender la evolución
5
DATOS Alineamiento de secuencias de genes
Cómo podemos transformar esta información a un
contexto histórico?
6
(No Transcript)
7
(No Transcript)
8
Los objetos vivientes están compuestos por
moléculas inertes Albert Lehninger
9
El problema esCómo estas moléculas confieren
la admirable combinación de características que
denominamos vida???Cómo es que un organismo
vivo aparece ser más que la suma de sus partes
inanimadas???
10
La Física procura entender y reducir la Biología
en leyes fundamentalesPero este es un problema
muy complicado !
11
Las leyes Físicas podrán afectar la dinámica del
proceso de replicación del ADN?
12
Hipótesis de la Presión Termodinámica

• ADNADN polimerasa tratados como un sistema
  macrocanónico
• Uso de la distribución de Boltzmann para
  calcular la probabilidad de incorporación de un
  nucleótido particular durante la replicación del
  ADN

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Durante el proceso de reparación del ADN tambien
estaría actuando la presión termodinámica
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Energía Electrostática de una vecindad de 5 pb

• 1 2 3 4
  5 ......... 1st strand position
• 5 A - G - T - C - A
  3
• 3 T - C - X - G - T
  5
• 10 9 8 7
  6 ......... 2nd strand position
• X any of the 4
  nucleotides
• E 12 1 p1 . p2
  -- 3 ( r.p1 )( r.p2 )
• 4pKeo r 3
  r 5

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MA -134.1 x 10-24 C m2 /s EAA -0,56642 x
10-4 eV EAA -0,481 x 10-3 eV
Energía Magnetostática entre nucleótidos
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Energía de Puente de Hidrógeno entre Pares de
Watson-Crick
A T -0.34 eV G C -0.43 eV
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Interacciones tipo Puente de Hidrógeno en
missmatches
18
(eV)
(Kcal/mol)
A-T -0.34 -7.84 G-C
-0.44 -10.14
C-A 0.21 4.84
T-G 0.13(I) -0.40(II) 2.99(I) -9.22(II)
T-C -0.14
-3.22 A-G -0.27
-6.22 T-T 0.02(I) -0.16(II)
0.46(I) -3.68(II) C-C -0.01(I)
-0.14(II) -0.23(I) -3.22(II) A-A
0.23 5.30 G-G
0.54 12.45 () These
energies correspond to free purine-purine pairs,
however when they are embedded in a double helix,
these base pairs strongly disturb the double
helix configuration and become energetically
forbidden() Cases (I) y (II) correspond to the
two configurations that can adopt these bases.
The cases (II) are forbidden in a double helix
configuration, whereas cases (I) are not.
Energía tipo Puente de Hidrógeno entre pares de
bases canónicas y no-canónicas en vacío (k1)
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Energías que afectan la estabilidad de la
vecindad de nucleótidos

• Energías de enlace
• Enlace covalente
• Energía angular de
• enlace
• Energía de ángulo
• dihedro
• Energías de no-enlace
• Electrostática
• Van der Waals
• Puentes de Hidrógeno
• Efecto hidrofóbico
• Magnetostáticas

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Simular un proceso de replicaciones consecutivas
por muchas generaciones en donde se modelan
mutaciones puntuales
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Clases de ADN

• ADN funcional codante
• ADN funcional no-codante(promotores, enhancers,
  intrones, genes ribosomales, etc.)
• ADN no-funcional (basura)

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Criterios de viabilidad para las mutaciones
puntuales(Presión de selección nula)

• Cladogénesis (especiación)
• ADN funcional codante conserv. Fam. Aminoac.
• ADN funcional no-codante ???
• ADN no-funcional Ninguna restricción
• Anagénesis (envejecimiento)
• ADN funcional codante conserv. Aminoac.
• ADN funcional no-codante ???
• ADN no-funcional Ninguna restricción

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Variaciaón del GC en el tiempoRestricción
Conservación del AA y de la familia de AA
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Cladogénesis a partir de anagénesis
25
Efecto de la Temperatura sobre la variación del
contenido de GC

• P(X M ) -----------gt 1 , when T
  increases.
• P(X N )

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Variación del GC en cada posición de
codónRestricción Conservación de familia de AA
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Energía de los tripletes de AND en función de la
vecindad
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Evidencias para contrastar la Hipótesis de la
Presión Termodinámica
29
EVOLUCIÓN IN VITRO POR INTERMEDIO DE PCR
30
(No Transcript)
31
(No Transcript)
32
Incremento de GC en el experimento de Briones
33
Evolución in-vitro por PCR en frío aumentará el
GC ?

• Los seleccionistas sostienen que el incremento
  del GC observado en el experimento de Briones se
  debería a que la taq polimerasa es una isoforma
  adaptada a condiciones de altas temperaturas y de
  manera natural prefiere acumular bases G y C

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Variación del GC para cada posición de codon
reportado en Trypanosomatidos(Alonso et al,1992)
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Usaje de Codones en kinetoplastida leucine
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Filogenia del linaje de kinetoplastida (Maslov
Simpson)

• 0 Euglena
  
• 1 T.borelli or Bodo
  
• 2 T.brucei
  
• 3 T.cruzi or T. sp
• 4 Blastocrithidia
• 5 Phytomona or Herpetomona
• 6 Leishmania or
  Endotripanosoma
  
• 7 Crithidia or Leptomona

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Reconstrucción de los ancestros extintos
(nodos), utilizando el gen GPDH

• /----------------------------------------
  ------- T.brucei
• /-------14
• \------------------------------ T.cruzi
• 
  /-------- Leptomonas
• 
  /-----9
• 
  \-------- Crithidia
• /------------10
• 13
  \---------------- L.mexinana
• /-----------11
• 
  \------------------ Herpetomonas
• -------------------12
• \-------------------
  Phytomonas
• \---------------------------------------------
  T.borreli

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(No Transcript)
39
Variación del GC estimado para cada posición de
codón en los kinteplastida
40
CrithidiaUsaje de Codón versus Estabilidad de
Codón
1st most stable 2nd most stable
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Evolución del gen de proteasa del VIH

• 
  --------Piw00p03
• --------------------------------------3
• ! !
  -----Piw00p04
• ! --4
  
• ! !
  --Piw00p07
• !
  --5
• !
  --Piw00p02
• !
• !
  --------Piw16p06
• --2 -------------------------17
• ! ! ! !
  -----Piw16p04
• ! ! ! -16
  
• ! ! ! !
  --Piw16p03
• ! ! !
  -15
• ! ! !
  --Piw16p02
• ! ! !
• ! ! !
  -----------------Piw16p01
• ! ! ! !

42
Variación temporal del GC en el gen de proteasa
HIV
43
Regla de Paridad 2 (PR2)

• Leyes de Chargaff
• 1ra regla de paridad
• (AT y GC) en las dos hebras del ADN
• 2da regla de paridad
• (AT y GC) en cada hebra del ADN

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PR2 ADN No funcional/No codante
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PR2 ADN Codante
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Presión termodinámica durante la síntesis del ARN?