Qué es la filogenética? • Reconstrucción de la historia evolutiva de los organismos • Phylon (clan) genetikós (origen) • Búsqueda de ancestros en común basada en información genética y fenotípica. En el contexto biológico, la evolución es un cambio en el perfil genético de una población de individuos, que puede llevar a la aparición de nuevas especies, a la adaptación a distintos ambientes o a la aparición de novedades evolutivas.

1. Análisis filogenético*
MARIA EUGENIA ROMERO ROMÁN, PHD

2. Qué es la filogenética?
• Reconstrucción de la historia evolutiva de los organismos
• Phylon (clan) genetikós (origen)
• Búsqueda de ancestros en común basada en información genética y fenotípica
• Evolución:
• Especiación
• Hibridación
• Extinción
• Mecanismos:
• Mutación
• Selección natural
• Deriva genética
• Flujo genético
• Homología vs. Analogía

3. Evolución
• Generalmente se denomina evolución a cualquier proceso de cambio en el
tiempo.
• En el contexto biológico, la evolución es un cambio en el perfil genético de una
población de individuos, que puede llevar a la aparición de nuevas especies, a la
adaptación a distintos ambientes o a la aparición de novedades evolutivas.
Algunas versiones de genes de Neandertal se han relacionado
con funciones inmunitarias, metabólicas (p.e. afectando al
riesgo de padecer diabetes) e incluso con el color de la piel.

5. Árbol filogenético de la vida
Tomado de Wikipedia
El árbol de la vida incluye a organismos ancestrales que han
cesado de existir Hug, L., Baker, B., Anantharaman, K. et al. A new view of the
tree of life. Nat Microbiol 1, 16048 (2016).

6. Aplicaciones
• Detección de ortología (diferente especie) y paralogía (misma
especie)
• Estimación de dinámica poblacional
• Inferencia de crecimiento demográfico
• Reconstrucción de proteínas ancestrales
• Encontrar residuos importantes para la selección natural
• Identificación de mutaciones asociadas con enfermedades
• Determinación de la identidad de patógenos nuevos
Holder y Lewis, 2003. Phylolgeny estimation: traditional and bayesian approaches. Nature reviews 4 (4): 275-484

7. Bases moleculares de la evolución
Filogenética molecular

8. Millones de años atrás
4600 Formación del planeta tierra
3500 vida microbiana (stromatolites)
2800 Producción de O
2
-por fotosíntesis en
cianobacterias
2000-1800 Acumulación de O
2
en la atmósfera

9. ¿Cuál fue el primer organismo en la tierra?

10. Objetivo del análisis filogenético
Construir un árbol que refleje las relaciones evolutivas (a partir
de un origen que se supone común) de un conjunto de objetos
sobre los que se tienen datos.
Los objetos pueden ser:
• Las secuencias de un set de proteínas o genes homólogos
• Un set de genomas completos de bacterias
• Una tabla de características observadas en fósiles de plantas
• ...etc.

11. Filogenia y clasificación
Jerarquía
La clasificación taxonómica es jerárquica
Class
Order
Family Family
Genus
Species 1
Species 2
Species 3
Species 4
Species 1
Species 2
Species 3
Genus
Genus
Species 1
Species 2
Order
Family
Genus
Species 1
Species 2
Species 3
Species 4
Species 5
Species 6
Species 7
Species 8
Species 9
Genus
Species 1
Species 2
Species 1
Genus
Species 1
Species 2
Species 3
Genus

12. La clasificación filogenética refleja una historia evolutiva
Los organismos comparten una historia evolutiva, independiente de las
decisiones que se utilicen para su clasificación
Class
Order
Order
Family
Family
Family
Genus
Genus
Genus
Genus
Genus
Genus
Family
Genus
Genus
Phylogeny
Classification
Clasificación y Filogenia

14. Homoplasia
• Taxas pueden compartir
caracteres, pero no por
descendencia de un
ancestro en común
Lake Tanganyika Lake Malawi
Stripes
Spotted caudal fin
Yellow color
Recovered
phylogeny

15. ¿Por qué usar secuencias? (herramientas moleculares)
• En sistemática:
• Para identificar especies
• Para resolver conflictos taxonómicos
• En evolución:
• Para realizar estudios de co-evolución
• Evolución de caracteres morfológicos
• En ecología
• Cambios en la composición espacial y temporal de las comunidades

16. Discreta
Abundante
 se acumula variación
 es poco probable la convergencia (similaridad sin
homología real)
 Se obtiene información de la naturaleza y el grado de la
divergencia entre secuencias (sustituciones,
inserciones/deleciones, rearreglos genómicos)
Algunas ventajas de la información de ác. nucleico y proteína

17. Cada diferencia de nucleótido es
un caracter
A aat tcg ctt cta gga atc tgc cta atc ctg
B ... ..a ..g ..a .t. ... ... t.. ... ..a
C ... ..a ..c ..c ... ..t ... ... ... t.a
D ... ..a ..a ..g ..g ..t ... t.t ..t t..
Tasa de sustitución relativa para diferentes regiones del genoma

18. Glosario
• Plesiomorfía: carácter
encontrada en el ancestro del
grupo
• Apomorfía: carácter derivado
en el grupo de descendientes
• Simplesiomorfía: carácter
compartido pero de origen
ancestral en un grupo
• Sinapomorfía: carácter
derivado y compartido en un
grupo
A B C D
sinapomorfía para
A + B + C
…pero una
simplesiomorfía
para A + B
Apomorfía para A
Color rojo,
sinapomorfía para
A y B

19. Polaridad
“Outgroup” : método para ponerle raíz a los árboles:
•Escogemos alguien que sea con certeza el pariente
más lejano de los individuos en estudio, que ellos entre
sí.
•No demasiado lejano, para no agregar mucho ruido.
•Una vez hecho el árbol, lo enraizamos en la rama que
va hacia el outgroup.
Otra forma de enraizar un árbol es
agregar la hipótesis del “reloj molecular”:
suponer tasa de mutación constante.

20. AAGCTTCATA
GAGCTTCACA
GTGCTTCACG
GTGCTTCACG
Outgroup
Especie A
Especie B
Especie C
Caracteres moleculares
Out
A
B
C
Sitios sin variación
No hay caracteres que sean
de utilidad para reconstruir
la historia evolutva
Out
A
B
C
Orden Zingiberales
Curcuma
Heliconia

21. AAGCTTCATA
GAGCTTCACA
GTGCTTCACG
GTGCTTCACG
Outgroup
Especie A
Especie B
Especie C
Caracteres moleculares
Out
A
B
C
A➔G T➔C
A, B y C aún no han
divergido
Sinapomorfía A+B+C
Out
A
B
C

22. AAGCTTCATA
GAGCTTCACA
GTGCTTCACG
GTGCCTCACG
Outgroup
Especie A
Especie B
Especie C
Caracteres moleculares
Out
A
B
C
A➔G T➔C
Any mutations at this time
would affect A and B
Sinapomorfía A+B+C
A➔T A➔G
Sinapomorfía
B+C
Out
A
B
C

23. AAGCTTCATA
GAGCTTCACA
GTGCTTCACG
GTGCCTCACG
Outgroup
Especie A
Especie B
Especie C
Caracteres moleculares
Out
A
B
C
A➔G T➔C
Sinapomorfía
A+B+C
A➔T A➔G
Sinapomorfía
B+C
Out
A
B
C
Apomorfía para C
Cualquier mutación en este punto
afectará solo a C
T➔C

24. En Biología sistemática, los grupos monofiléticos (que incluyen a un ancestro y todos sus
descendientes) de organismos pueden ser reconocidos a través de aquellos caracteres que se
originaron en su ancestro común, que son por lo tanto compartidos por todo el grupo
(incluido el ancestro común), es decir, por las sinapomorfias.

26. Árbol en base a genes y a comparación de especies
La historia evolutiva de los
genes refleja a las especies sólo
si:
• No existe tranferencia horizonal
de genes (e.g. bacteria)
• No hubo duplicación genética:
ortología/ paralogía

27. Nueva teoría evolutiva: no hay un ancestro, la vida ha evolucionado a
partir de múltiples ancestros

28. • Si los OTUs corresponden a secuencias (ya sea de
DNA o proteínas), la disciplina de la evolución
molecular, pretende además comprender el proceso
evolutivo que conecta filogenéticamente a los
distintos OTUs
Toda filogenia es en esencia
una hipótesis:
Existe una historia evolutiva
real, la cual tratamos de
estimar mediante distintos
métodos.

29. Árbol en base a genes - especies
Gene A
Gene B
Gene C
Gene D
Gene E
Eventos de
mutación
Gene tree
Species A
Species B
Species C
Species D
Species E
Eventos de
especiación
Species tree
No se espera que los eventos de mutación y especiación ocurran al
mismo tiempo.

30. Qué tipo de secuencia estudiar??
• Codificantes (Que expresan proteínas):
reguladas por presión de seleccion,
mejores para relaciones distantes:
• Rpb1/rpb2= Subunidad I o II de la ARN
polimerasa
• atp6= subunidad de la ATPasa mitocondrial
• ef1= factor de elongación 1ª
• B-tubulina= subunidad b de la tubulina
• No-codificantes (intrones, ADNr)
• ITS=Espaciador interno de la transcripción
de ADN ribosomal nuclear
• LSU/25S=subunidad grande del ribosoma
• SSU/18S= subunidad pequeña del
ribosoma

31. Para resolver la filogenia de especies, la información
preferida dependerá del nivel de separación.
•Para comparar organismos muy emparentados es útil
usar ADN mitocondrial, porque acumula mutaciones
rápidamente.
•Para resolver las profundidades del
árbol de la vida se usa RNA
ribosomal, porque cambia
lentamente.

32. •RNA ribosomal 16S: altamente
conservado debido a estructura
2d, 3d, y a lo esencial de la
molécula.
•Las mutaciones suelen ser
letales
•Esta molécula fue utilizada por
Woese y Fox (1977) para
clasificar a todos los organismos
dentro de las bacterias, arqueas y
eucariontes.

33. Inferencia filogenética y evolución molecular
• Cuando aplicamos un método de inferencia filogenética a un grupo de
OTUs podemos tratar de inferir varios aspectos del proceso evolutivo.
a) las relaciones de ancestría y
descendencia entre los OTUs (en
este caso A y B), topología del
árbol
b) la longitud de las ramas que
conectan a los OTUs, número de
cambios acumulados entre los
OTUs (secuencias en este caso)
c) la posición de la raíz (el nodo
hipotético más antiguo)

34. Sus ramas pueden girar
sin alterar las relaciones
filogenéticas de los
individuos. Es decir, un
mismo árbol se puede
dibujar de distintas
formas

35. Un árbol con raíz es un árbol polarizado. Es decir, un árbol en donde conocemos
la dirección de los cambios (cuales linajes divergieron primero y cuales
posteriormente). En un árbol sin raíz solo se especifican las relaciones entre los
OTUs

36. Filogenia y alineamiento múltiple
•La mayoría de los métodos trabajan a partir de un
alineamiento múltiple.
•Por lo general se descartan las columnas con gaps.
•Con frecuencia se alterna entre filogenia y
alineamiento, usando uno como input del otro.

37. Árbol filogenético
Hay tres fases en la elaboración
de un árbol filogenético:
1. Determinar la diferencia entre
los sujetos o unidades
taxonómicas (operational
taxonomic units or o OTU) donde
se comparan especies,
secuencias, etc)
2. Construir un árbol sobre la
base de las diferencias (o
caracteres conservados)
3. Prueba, de la consistencia del
árbol

38. Cómo construir un árbol?

39. Nueva info ☺
A propósito de los murcielagos y el glosario!