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Genes y genealogias susanna manrubia - curso introduccion a los sistemas complejos

El legado de Darwin se extiende más allá de la Biología. Procesos de herencia análogos a los que transmiten la memoria de nuestro origen biológico operan en nuestro pedigrí cultural. Son ejemplos nuestros apellidos, el árbol de nuestros ancestros o la lengua que hablamos. Nuestros padres nos han dado nombre y nos han legado los apellidos que dicen quién somos. Una multitud de antepasados han cruzado sus genes para producir los que cada uno de nosotros tenemos. Pero si comparamos los árboles genealógicos de dos individuos coetáneos, descubrimos que, al remontarnos a un tiempo no muy lejano, resultan idénticos. Pero las diferencias respecto de los genes que portamos son muy importantes. Y, en suma, ¿cómo de importante es nuestro legado genético? ¿Hasta qué punto nos condiciona? En esta charla relacionaremos nuestras características culturales y biológicas con la intención de hacernos comprender cómo aparecen algunas regularidades y, a la vez, deshacer algunos mitos sobre la relevancia de la herencia.

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¿Por	
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abundantes?
“That the direct male line of no less than eight peerages, viz. Colpepper, Harcourt, Northington, Clarendon,
Jeffreys, Raymond, Trevor, and Rosslyn, were actually extinguished through the influence of the heiresses, and
that six others, viz. Shaftesbury, Cowper, Guilford, Parker, Camden, and Talbot, had very narrow escapes from
extinction, owing to the same cause. I literally have only one case, that of Lord Kenyon, where the race-­‐
destroying influenceof heiress-­‐blood wasnotfelt.”
Hereditary Genius,	
  Sir	
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Sir	
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Genes y genealogias susanna manrubia - curso introduccion a los sistemas complejos

  • 1. Genes  y  genealogías  humanas Susanna  Manrubia Centro  Nacional  de  Biotecnología  (CSIC,  Madrid) GISC  (Grupo  Interdisciplinar  de  Sistemas  Complejos,  Madrid) ComplejiMad
  • 3. ¿Por  qué  desaparecen   algunos  apellidos,   mientras  otros  son  muy   abundantes?
  • 4. “That the direct male line of no less than eight peerages, viz. Colpepper, Harcourt, Northington, Clarendon, Jeffreys, Raymond, Trevor, and Rosslyn, were actually extinguished through the influence of the heiresses, and that six others, viz. Shaftesbury, Cowper, Guilford, Parker, Camden, and Talbot, had very narrow escapes from extinction, owing to the same cause. I literally have only one case, that of Lord Kenyon, where the race-­‐ destroying influenceof heiress-­‐blood wasnotfelt.” Hereditary Genius,  Sir  Francis  Galton  (1869) Sir  Francis  Galton  (1822-­‐1911)
  • 5. Josiah   Wedgewood 1730-­‐1795 Sarah   Wedgewood 1734-­‐1815 Erasmus Darwin 1731-­‐1802 Elizabeth C.  S.  Pole Mary   Howard 1739-­‐1770 Samuel John  Galton 1753-­‐1832 Lucy  Barclay 1757-­‐1817 Josiah  II 1769-­‐1843 Susannah Wedgewood 1765-­‐1817 Elizabeth   Allen 1764-­‐1846 Robert W.  Darwin 1766-­‐1848 Erasmus  II 1759-­‐1799 Sir  Francis S.  Darwin 1786-­‐1859 Frances  A. Violetta 1783-­‐1874 Samuel T.  Galton 1783-­‐1844 John  H. Galton 1794-­‐1862 Isabelle   Strutt Josiah  III 1795-­‐1880 Emma   Wedgewood 1808-­‐1896 Charles  R. Darwin 1809-­‐1882 Francis Galton 1822-­‐1911 Sir  Douglas Strutt  Galton 1822-­‐1899 William Erasmus 1839-­‐1914 Francis 1848-­‐1925 Horace 1851-­‐1928 Leonard 1850-­‐1943 Bernard   Darwin 1876-­‐1961 George   Howard 1845-­‐1912 Charles Galton  Darwin 1887-­‐1962 Gwendoline Darwin 1885-­‐1957 Elizabeth Darwin 1885-­‐1957 Brillante Habilidad científica Normal  (hombre) Normal  (mujer) Otrosniñosnormales
  • 6. • El  año  1874  el  reverendo   Henry  William  Watson  dedujo   que  cualquier  apellido  acaba   extinguiéndose Rev.  Henry  W.  Watson  1827-­‐1903 • El  problema  de  la   desaparición  de  los  apellidos  es   idéntico  al  de  la  extinción  de  un   alelo  mutante en  una  población Esta  relación  tuvo  que  esperar   medio  siglo  a  ser  identificada Apellidos  y  genes
  • 9. Carácter  que  significa  “rey” Se  pronuncia: wáng en  mandarín wong a  Macau vong a  Hong  Kong ong,  heng en  lenguas  min  nan vuong en  vietnamita o en  japonés… Y  ha  sufrido  una  gran  diversificación  al  ser  transcrito  a   lenguas  con  distintas  escrituras  fonéticas
  • 10. • Aparición  de  nuevos  apellidos • Número  variable  de  hijos • Pérdida  de  diversidad  por  la  desaparición  del   último  individuo  de  un  linaje • Variación  en  el  tamaño  de  las  poblaciones El  tamaño  de  las  “familias” Manrubia,  S.C.  and  Zanette,  D.H.  At  the  boundary  between  biological  and  cultural  evolution:  The  origin  of  surname  distributions.   Journal  of  Theoretical  Biology 216,  461-­‐477  (2002)
  • 11. Argentina Estados Unidos Japón Tamaño de la familia Frecuencia Distribución  de  tamaños  (I)
  • 12. Tamaño de la familia Frecuencia Estados Unidos Japón China Distribución  de  tamaños  (II)
  • 14. ¿Qué  nos  ha  legado  el   portador  original  de   nuestro  apellido?
  • 15. ¿Qué  sabemos  de  nuestros  antepasados?
  • 17. • El  número  de  nuestros  ancestros  se  duplica  con  cada   generación  que  remontamos  en  el  pasado (Generación) Número  de   ancestros Año Población  mundial Padres  (1) 2 1980 4  434  682  000 Abuelos  (2) 4 1950 2  518  630  000   Bisabuelos  (3) 8 1920 1  900  000  000 Tatarabuelos  (4) 16 1890 1  650  000  000 5 32 1860 1  262  000  000 7 128 1800 978  000  000 14 16  384 1600 811  000  000 21 2  097  152 1400 644  000  000 28 268  435  456 1200 477  000  000 35 34  359  738  368 1000 310  000  000 La  paradoja  de  los  bisabuelos
  • 20. Carlos  II  de  España,  el   Hechizado Deficiente  mental,  quizás   estéril  y  acromegálico… Su  grado  de  endogamia   era  de  0.254 G.  Álvarez  et  al.,  PLoS ONE  4,  e5174  (2009)
  • 21. ¿Cuán  frecuente  es   tener  ancestros   repetidos  entre   nuestros  antepasados?  
  • 22. Pedro  Martín Andrés  Cobos   Martín Cobos
  • 23. Generación Semejanza  entre  los  árboles Población El  conjunto  de  antepasados  acaba  coincidiendo Primer   antepasado   común Mismo  conjunto   de  antepasados,   repetidos  el   mismo  número   de  veces Manrubiaet  al.,  Genealogy  in  the  era  of  genomics.   American  Scientist91,  158  (2003)
  • 24. • El  71%  de  la  población  ancestral  tiene  descendientes  en  el  presente   (población  constante)  y  aparecen  igual  representados  en  todas  las   genealogías  actuales • Este  porcentaje  aumenta  (disminuye)  si  la  población  crece  (decrece) • El  primer  antepasado  común  aparece  g1=log2(N) generaciones  atrás • El  conjunto  de  antepasados  es  el  mismo  g=1.77 log2(N) generaciones  atrás • Los  ancestros  aparecen  en  las  mismas  proporciones  g1+14 generaciones  atrás La  distribución  de  antepasados Derrida,  B.,  Manrubia,  S.C.  and  Zanette,  On  the  genealogy  of  a  population  of  biparental individuals.  Journal  of  theoretical  Biology 203,   303  (2000);    Statistical  properties  of  genealogical  trees.  Physical  Review  Letters 82,  1987  (1999)
  • 26. Un  ejemplo:  población  de  tamaño  constante v Colmenar  Viejo:  N=46  321  habitantes  (enero  de  2012) v Primer  antepasado  común  de  todos  los  individuos:   hace  unas  15  generaciones  (año  1550)  – g1=log2(N) v Mismo  conjunto  de  antepasados:  hace  unas  27   generaciones  (año  1200)  – g=1.77 log2(N) v Árboles  idénticos  en  un  99%:  hace  unas  29   generaciones  (hacia  el  año  1150)  – g1+14
  • 28. Si  todos  tenemos  los   mismos  antepasados,   ¿de  dónde  provienen   nuestras  diferencias?
  • 30. • Secuencia  de  tres  mil  millones  de  pares  de   bases  (A,  C,  G,  T) • Unos  20  000  genes  estimados • Se  mezcla  (recombina)  cada  vez  que  nos   reproducimos • Muta El  genoma  humano
  • 31. 1                      2                      3                      4                      5                      6 7                      8                      9                    10                    11                  12 13                  14                  15                  16                    17                  18 19                    20                    21                    22                        X      Y Gen  1 Gen  2 Cromosomas   homólogos Entrecruzamiento Recombinación
  • 32. En  unas  15  generaciones  (hacia  el  año  1550),  nuestros   genes  están  repartidos  entre  unos  40  000  individuos
  • 33. Hasta  la  década  de  1950  no  se  conocía  la  naturaleza   de  los  genes.  Los  mecanismos  moleculares   responsables  de  las  mutaciones  eran  oscuros. Actualmente  seguimos  descubriendo  mecanismos   que  causan  variación  en  el  fenotipo  de  los   individuos.   Mecanismos  mutacionales ...CGGGAUUUAUAUCG... ...CGGGACUUAUAUCG... ...CGGGAAUAUCG... ...CGGGAUUUUUUAUAUCG... Mutaciones  en  la  secuencia   (deleciones,  duplicaciones,   inserciones) Inversión  de  fragmentos Duplicación  de  genes Movimiento  de  piezas   (transposones) Cambios  en  el  epigenoma
  • 35. • Los  genomas  de  dos  humanos  tienen  unos  dos  millones  de   nucleótidos  (A,  C,  G,  T)  diferentes • Unas  pocas  mutaciones  concretas  causan  disfunciones  poco   frecuentes:  fibrosis  quística,  anemia  falciforme,  síndrome   del  X  frágil,  síndrome  de  Klinefelter… • Las  trisomías  son  frecuentes  (10%)  y  en  la  mayor  parte  de   los  casos  provocan  abortos  espontáneos • Las  mutaciones  permiten  la  adaptación  a  nuevos  ambientes Algunos  efectos  de  las  mutaciones
  • 36. EUKARYA BACTERIA ARCHAEA Methanospirilum Methanobacterium Methanosarcina Methanococcus Thermococcus Methanopyrus Haloferax Sulfolobus Thermofilum pSL50 pGrfC26 pGrfB286 pGrfA4 pSL 4 pSL 22 pSL 12 Gp. 1 Marino E. coli mitocondria Agrobacterium Chlorobium Cytophaga Epulopiscium Bacillus cloroplasto Synechococcus Planctomyces Thermus Thermotoga Aquifex EM 17 Zea Homo Saccharomyces Paramecium Porphyra Dictyostelium EntamoebaNaegleria Euglena Trypanosoma Physarum Tritrichomonas Hexamita Giardia Vainmorpha Encephalitozoon 0.1 changes per nucleotide monera protoctists plants animals fungi Los  provirus representan   un  6-­‐8%  de   nuestro   genoma.  Los   genes  un  1.5%
  • 37. Algunos  rasgos   genéticos  y  culturales  se   mantienen  en  el  tiempo:   cromosoma  Y  y lenguas
  • 38. Distribución  del  apellido  Gilabert…  y  del  cromosoma  Y  asociado
  • 39. Los  haplotipos del  cromosoma  Y  – Grandes  movimientos  humanos
  • 40. Lenguas  mayoritarias La  transmisión  horizontal  o  vertical  de  rasgos  afecta  a  su  correlación  
  • 42. NÚMERO  DE  HABLANTES NÚMERO  DE  LENGUAS entre  1  y 9 entre  10  y  99 entre  100  y  999 entre  1.000  y  9.999 entre  10.000  y  99.999 entre  100.000  y 999.999 entre  1.000.000  y 9.999.999 10.000.000  o  más 0 500 1000 1500 2000 El  tamaño  de  los  grupos  lingüísticos
  • 43. AGRADECIMIENTOS Damián  H.   Zanette Ayuntamiento  de  Alziray  Universitat de   València:  XVIII  Premio  Europeo  de  Divulgación   Científica  (2012) Edicions Bromera Càtedrade  Divulgació de  la  Ciència Fundación  Sicomoro  y  ComplejiMad