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UTLS COLOMBIA: De la genética clásica a la genómica funcional del siglo XXI: evolución del estudio de los factores determinantes de la salud y la enfermedad
- 1. Paul Laissue MD, PhD Unidad de Genética-Grupo GENIUROS EMCS-Universidad del Rosario UTLS-24 de octubre de 2012
- 2. ESTRUCTURA •Before Darwin •Lamarckismo vs Darwinismo •Las leyes de Mendel •ADN: estructura y función •Mutaciones del ADN •Secuenciación y arrays •Medicina molecular del siglo XXI
- 3. Época prehistórica •La genética existe desde siempre, por comparación de la similitud de los rasgos familiares Hace 10.000 años: cruces de animales domesticados y plantas
- 4. Los griegos (400-300 A.C) ( Hipócrates: Pangénesis Aristóteles Los rasgos semejan frecuentemente los de generaciones anteriores No todos los rasgos se heredan Las partes de cuerpo mutiladas no se heredan Nicolaas Hartsoeker, 1695 Se hereda la capacidad de producción de los caracteres
- 5. Siglos XV a XVIII: hacia la teoría de la evolución •Siglos XV a XVII: la vida en la tierra se desarrolló mecanicamente sin intervención divina •Siglo XVIII: Pierre de Maupertuis: las modificaciones establecidas durante la reproducción se acumulan para generar nuevas razas o especies •Siglo XVIII: Georges-Louis Buffon. Las 200 especies de mamiferos conocidas descienden de 38 ancestros comunes •Siglo XVIII: Carl von Linné: padre de la taxonomía
- 6. Siglo XIX: la transformación de las especies •Jean-Baptiste Lamarck (1744-1829): Filosofía zoológica: 1815 Cambio del medio ambiente Cambio necesidades Cambio comportamiento Cambio uso órganos Cambios heredables
- 7. Siglo XIX: la transformación de las especies •Charles Darwin (1809-1882) Beagle: 1831-1836 Clasificación de especímenes Textos de geología Experimentos en plantas El origen de las especies, 1859
- 8. Charles Darwin: la teoría de la evolución •Los individuos de una población varían considerablemente. •Gran parte de esta variación es heredable. •Los individuos menos adecuadas para el medio ambiente tienen menos probabilidades de sobrevivir y menos probabilidades de reproducirse. • Los individuos más adaptados al medio ambiente tienen más probabilidades de sobrevivir y más posibilidades de reproducirse y de dejar sus rasgos hereditarios a las generaciones futuras, lo que produce el proceso de selección natural. •Este proceso lento resulta en cambios en las poblaciones para adaptarse a sus entornos, y en última instancia, estas variaciones se acumulan con el tiempo para formar nuevas especies.
- 10. Gregorio Mendel: el padre de la genética •Leyes de Mendel: 1866/1900 •Primera ley: Principio de la segregación Rasgos dominantes y recesivos
- 11. Gregorio Mendel: el padre de la genética •Leyes de Mendel: 1866/1900 •Segunda ley: Principio de la transmisión independiente
- 12. Gregorio Mendel: el padre de la genética •Leyes de Mendel: 1866/1900 •Segunda ley: Principio de la transmisión independiente
- 13. Niveles de organización de los seres vivos Núcleo Moléculas Atomos Células Proteínas Organos Corazón Tejidos Vasos sanguíneos T. Epitelial T. Muscular liso T. Conectivo Organismo Sistemas (Cardiovascular)
- 15. Núcleo de una célula somática humana 46 cromosomas 23 origen ♀ 23 origen ♂
- 16. Disección molecular de un cromosoma humano ADN Cromatina Cromatina de 30 nm formando nucleosomas Sección extendida del cromosoma Sección condensada del cromosoma Cromosoma mitótico completo
- 17. Estructura molecular del ADN Ley de complementariedad de base 1953 •Doble hélice antiparalela •Esqueleto fosfato •Desoxiribosa •Bases nitrogenadas: A-T-G-C
- 18. Funciones del ADN •Organismos: codificar y transmitir la información molecular necesaria a la herencia •Células: garantizar la renovación celular (mitosis) por replicación •Permitir la expresión de genes y la síntesis de proteínas (transcripción y traducción): dogma central de la biología molecular (ADN-ARN-Proteína) •Regulación genética y genomica
- 19. Mitosis y replicación del ADN •Proceso mediante el cual una célula madre se divide en dos células hijas idénticas •La composición cromosómica diploide se mantiene (2n)
- 20. Replicación del ADN •Base molecular de la técnica de PCR que permite la amplificación de ADN
- 21. Estructura de los genes •Regiones promotoras •Exón: secuencia codificante •Intrón: secuencias no codificantes separando los exones
- 22. Dogma central de la biología molecular ADN ARN Proteína
- 23. Transcripción y traducción del ADN
- 24. Transcripción y traducción del ADN Traducción: ARNm-ARNt-Protéina
- 25. El código genético •Código Universal
- 26. Algunas mutaciones del ADN
- 27. 2001: el Genoma Humano
- 28. El Genoma Humano (1990-2001) Objetivos •Determinar la secuencia completa de un individuo “sano” •Crear una base de datos para guardar esta información •Desarrollar herramientas informáticas de análisis •Incentivar la creación de tecnología para el desarrollo de otras áreas: transcriptómica y proteómica •Crear un espacio legal, ético y social para su utilización
- 29. El Genoma Humano-Resultados •3.000.000.000 nucleótidos •~25000-30000 genes •SNPs •Pseudogenes •Regiones repetidas •Transposones •Retrotransposones •Disponible
- 30. El Genoma Humano: algunas aplicaciones •Comparación de secuencias entre individuos •Diagnóstico molecular •Genómica •Transcriptómica •Proteómica •Evolución •Genética de poblaciones
- 31. Técnicas de secuenciación •PCR: FSHR, LHR, BMP15, GDF9
- 32. Técnicas de secuenciación de primera generación BMP15- WT Exon 2 T443C
- 33. Técnicas de secuenciación de primera generación BMP15-Exon 2 WT T443C •C.557C>A → p.Ser186Tyr •Score SIFT 0,03 → Efecto deletéreo potencial •Ausente en los controles
- 34. Ictiosis Curth-Macklin Enfermedad AD Mutaciones KRT1 Fonseca et al. Br J Dermatol. 2012, in press
- 35. Ictiosis Curth-Macklin: mutaciones de KRT1 KRT1-c.1577delG KRT1-p.Gly526Alafs*88 Fonseca et al. Br J Dermatol. 2012, in press
- 36. Los microarreglos Microarreglo (microarray o “chip”): superficie sólida en la cual se fijan fragmentos de ADN en posiciones específicas. Primera descripción por microtecnología: 1995 Microspot mecánico Inyección Trends Biotechnol. 1998 16: 301-6.
- 37. Los microarreglos: algunas aplicaciones •Expresión global: Transcriptómica •GWAS (Asociación de Genoma Completo) •Secuenciación de nueva generación (NGS) •CGH (Hibridización Genómica comparada) •ChIP-seq •CNVs •Proteómica
- 38. Microarreglos de expresión: transcriptómica global
- 39. Secuenciación a gran escala con microarreglos Métodos de NGS •Microelectroforéticos •Hibridización •Análisis de moléculas Tr •Arreglo cíclico
- 40. NGS: métodos de inmobilización/amplificación Emulsión/PCR, y Amplificación en fase sólida Roche 454, Polonator, SOLiD Solexa/Illumina
- 42. NGS: resultados
- 43. NGS: tipos de alteraciones genómicas detectables
- 44. NGS: algunas aplicaciones Exoma (30Mb)
- 45. Paquidermoperiostosis Enfermedad AR Mutaciones HPGD (-) Secuenciación exoma 50X Hum Mutat. 2012, 33:1175-81
- 46. Paquidermoperiostosis Mutaciones de SLCO2A1 Hum Mutat. 2012, 33:1175-81 Secuenciación exoma 50X
- 47. La reproducción: un rasgo fenotípico complejo Matzuk et al. Nat Med. 2008 14:1197-213.
- 48. Genes implicados en la función testicular murina
- 49. Genes implicados en la función testicular murina
- 50. Qué genes pueden estar implicados en la disfunción reproductiva de la pareja hipofértil? Secuenciación simultánea de regiones codificantes de 387 genes
- 51. Cobertura y diseño del método diagnóstico 385 genes en 7 categorías funcionales •♀ Gametogénesis, Foliculogénesis, •♂ Espermatogénesis Ovulación, Eje HHG •♂ Fecundación •♂ Eje HHG •♀ Fecundación •♀ Efecto Materno •♀ Implantación 256 genes 277 genes 145 genes comunes
- 52. Genómica del siglo XXI •Diagnóstico: enfermedades monogénicas y complejas •Pronóstico: cáncer •Tratamiento: farmacogenética
- 54. Cuál es el origen genético del Síndrome de Miller? Nat Genet. 2010 : 30-5
- 55. NGS: identificación de genes causales de patologías mendelianas Nat Genet. 2010 : 30-5
- 56. NGS: identificación de genes causales de patologías mendelianas Confirmación por secuenciación DHODH directa en 4 pacientes no relacionados Nat Genet. 2010 : 30-5
- 60. Disección molecular de un cromosoma humano
- 61. Orden 1600-1850 Antes de darwin: Histoire de la pensée évolutionniste wikipipedia Lamarck Darwin 1866-1900 Mendel
- 62. Microarreglos de expresión: transcriptómica global KGN Transfección KGN Mock pFOXL2 (Vector Vacío) Extracción ARNs totales Síntesis de ADNc PCR Micorarrays de expresión cuantitativa Microarrays de expresión Permiten la comparación del efecto de dos condiciones sobre el nivel de transcrito a una escala genómica global
- 63. Microarreglos de expresión: transcriptómica global Répression / Induction Biosíntesis de 8,00 prostanoides 6,00 * Vía de señalización n=3 (tres transfecciones Biosíntesis de indépendientes) TGFβ 4,00 esteroides * = p<0.025 for a one-tailed test * inductio 2,00 n * * * 0,00 CAV1 CAV2 ACVR1B JAM2 CYP19A1 ACDKC5 StAR AR INHBA ZNF503 SOX9 ESR1 HSD17B4 NCOR1 CREB3L2 BCDO2 HSD17B1 BMP4 BCL2 CDK6 FOXL2 OSR2 HSD3B1 ESR2 BMP6 FSHR FUSIP INHBB BST2 GLTL2 TGFBR2 PTGS2 FST PTGS1 -2,00 ** represión -4,00
- 64. Análisis de resultados Eur J Endocrinol. 2006, 154:739-44.
- 65. NGS: métodos de inmobilización/amplificación Emulsión/PCR, y Amplificación en fase sólida Roche 454, Polonator, SOLiD Solexa/Illumina
- 66. NGS: identificación de variantes patogénicas
- 67. NGS: exoma y genómica médica
- 68. Técnicas de secuenciación de secuenciación directa •Electroforesis sobre gel de agarosa y visualización UV Purificación + secuenciación
- 69. NGS: identificación de genes causales de patologías mendelianas Es posible cartografiar patologías monogénicas a partir de la secuenciación del exoma de algunos individuos? Nature. 2009 461: 272–276
- 70. NGS: identificación de genes causales de patologías mendelianas Nature. 2009 461: 272–276
- 71. NGS: identificación de genes causales de patologías mendelianas Nature. 2009 461: 272–276
- 73. La Edad Media: ideas evolucionistas •Al-Jahiz (776-868): lucha por la existencia, transformación de las especies, influencia del medio ambiente •Siglo X: (Ikhwan al-Safa): creación de los mundos y de la evolución • Nasir ad-Din at-Tusi (1201-1274): « takamul » (perfeccionamiento): la transformación del medio ambiente conduce a la evolcución de las especies • Ibn Khaldoun (1338-1405): « el plano humano se alcanza a partir del mundo de los monos »
Notes de l'éditeur
- Frecuentemente cuando se aborda un concepto desde una óptica histórica, se hace referecia en un inicio a Aristóteles. Las ideas que llevaron a las definiciones actuales de genética no son la excepción. En este caso particular se encuentra referencias el las alusiones críticas que efectuó Arsitoteles a Hipócrates. Hipócrates es considerado una de las figuras más destacadas de la historia de la medicina y muchos autores se refieren a él como el «padre de la medicina» en reconocimiento a sus importantes y duraderas contribuciones a esta ciencia como fundador de la escuela que lleva su nombre. Esta escuela intelectual revolucionó la medicina de la Antigua Grecia, estableciéndola como una disciplina separada de otros campos con los cuales se la había asociado tradicionalmente (notablemente la teúrgia y la filosofía), convirtiendo el ejercicio de la medicina en una auténtica profesión. Pangénesis, teoría con similitudes a afirmaciones posteriores de Darwin. Según Hipócrates, todas las parte del cuerpo producen una sustancia llamada “gemulas” que se concentran en el semen y que deberían ser la base de los caracteres (rasgos heredados). El fundemento de esta idea fue mantenido y en cierta medida se ilustró como un simbolo desde el 18 , con esta imagen de ( homunculus inside a sperm, by Nicolaas Hartsoeker, 1695). Aristóteles criticó esta idea porque los rasgos se parecen frecunetemente a los de ancestros de genraciones anteriores. Esta idea la retoma Darwin para y la desarrolla en las leyes de la herencia. Su gran conclusión es que los caracteres no se heredan sino la capacidad de producirlos.
- Dans la première moitié du XVII e siècle, la philosophie mécanique de René Descartes développe la métaphore d'un univers semblable à une machine, un concept qui caractérisera la révolution scientifique 31 . Entre 1650 et 1800, certaines théories évolutionnistes soutenaient l'idée que l'univers, incluant la vie sur Terre, s'était développé de manière mécanique sans aucune intervention divine. Par contraste, la plupart des théories contemporaines comme celles de Gottfried Wilhelm Leibniz et de Johann Gottfried von Herder soutenaient que l'évolution était un processus fondamentalement spirituel 32 . En 1751, Pierre de Maupertuis se tourna vers le matérialisme . Il écrivit que les modifications ayant lieu au cours de la reproduction s'accumulaient pour produire au final de nouvelles races voire de nouvelles espèces, une description qui anticipait le concept de sélection naturelle 33 . Plus tard au XVIII e siècle, le philosophe français Georges-Louis Buffon , l'un des naturalistes les plus influent de son époque suggéra que ce que la plupart des personnes considéraient comme des espèces étaient simplement des variétés marquées, modifiées à partir de la forme originale par des facteurs environnementaux. Il considérait par exemple que les lions, les tigres, les léopards et les chats domestiques possédaient tous un ancêtre commun. Il spécula que les 200 espèces de mammifères connus descendaient d'environ 38 formes originales. Les idées évolutionnistes de Buffon étaient limitées ; Il supposait que chacune des formes originales étaient apparues par génération spontanée . Ses travaux comme l' Histoire naturelle qui contiennent des théories bien développées sur l'origine totalement matérielle de la Terre et ses idées sur la fixité des espèces furent très influents 34 , 35 . Au XVIII e siècle , les idées fixistes sont partagées par un grand nombre de scientifiques dont fait partie Carl von Linné , le père de la taxinomie , qui met en place la nomenclature binomiale des espèces, toujours en vigueur, afin de mieux comprendre cet ordre divin 36 . Contrairement à la scala naturæ , sa classification repose sur une hiérarchie de catégories de plus en plus précises regroupant les espèces semblables, mais Linné n'établit aucun lien de parenté entre celles-ci et effectue plutôt un lien avec leur plan de création 37 . En s'inspirant des travaux d' anatomie de Nicolaes Tulp et surtout de Edward Tyson , Linné constate que le chimpanzé présente plus de caractères communs avec l'homme qu'avec les autres singes et amène ainsi l'homme et le chimpanzé a cohabiter pour la première fois dans l'ordre des Primates en 1758 38 . Entre 1767 et 1792, James Burnett inclut dans ses écrits, non seulement le concept que l'homme descendait du singe mais aussi qu'en réponse à l'environnement, les créatures avaient trouvés des méthodes pour transformer leurs caractéristiques au cours du temps 39 . Le grand-père de Charles Darwin, Erasmus Darwin publia Temple of Nature en 1802 dans lequel il décrivait l'apparition de la vie à partir de minuscules organismes vivant dans la boue 40 Début du XIX e siècle
- Jean-Baptiste Lamarck proposa dans sa Philosophie Zoologique publiée en 1809 la première théorie scientifique de la transformation des espèces. Dans cet ouvrage, complété et corrigé par l'introduction de son Histoire naturelle des animaux sans vertèbres en 1815, Lamarck tente de comprendre les êtres vivants en tant que phénomènes physiques, comme auto-organisation de fluides se cristallisant en organes et encourageant en retour la circulation des fluides. Cette démarche matérialiste et mécaniste s'oppose au vitalisme encore dominant à l'époque, et c'est dans cet esprit qu'il invente à cette occasion le terme de biologie pour désigner la science qui étudie spécifiquement les êtres vivants. Il expose dans ses ouvrages une théorie de la dynamique interne des êtres vivants qui explique à son tour l' évolution générale des espèces à l'aide de deux tendances opposées mais concomitantes : La complexification croissante de l'organisation des êtres vivants sous l'effet de la dynamique interne propre à leur métabolisme ; La diversification, ou spécialisation, des êtres vivants sous l'effet des circonstances variées auxquelles ils sont confrontés et auxquelles ils s' adaptent en modifiant leur habitudes de manière à répondre à leurs besoins. C'est le principe de l'usage et du non-usage, qui veut qu'un organe se développe ou s'atrophie selon son degré d'utilisation. Lamarck pensait que des formes de vie les plus simples (les "infusoires") étaient continuellement créées par génération spontanée et qu'ensuite ces lignées se complexifiaient et se diversifiaient au cours du temps, ce qui expliquait selon lui que l'on observe des organismes de différents degrés de complexité. On lui doit une des premières formulations des relations de parenté entre les grands groupes d'organismes, notamment les invertébrés . Lamarck, d'abord partisan d'une filiation linéaire des espèces dans son ouvrage de 1809, opte ensuite, dans son ouvrage de 1815, pour un arbre phylogénétique buissonnant. Lamarck , comme nombre de ses prédécesseurs depuis Aristote , admet la transmission des caractères acquis , mais il se contente d'admettre ce phénomène sans lui proposer de théorie explicative, contrairement à ce que fera plus tard Darwin qui proposera une théorie pour cette transmission dans son ouvrage de 1868. Cette transmission des caractères acquis sera l'un des arguments majeur du Lamarckisme ultérieur, qui relèguera au second plan la théorie de Lamarck sur la dynamique interne propre aux êtres vivants, et il influencera les débats sur l'évolution jusqu'au XX e siècle 50 , amarck's scientific theories were largely ignored or attacked during his lifetime; Lamarck never won the acceptance and esteem of his colleagues Buffon and Cuvier , and he died in poverty and obscurity. Today, the name of Lamarck is associated merely with a discredited theory of heredity, the "inheritance of acquired traits." However, Charles Darwin, Lyell, Haeckel , and other early evolutionists acknowledged him as a great zoologist and as a forerunner of evolution. Charles Darwin wrote in 1861: Lamarck was the first man whose conclusions on the subject excited much attention. This justly celebrated naturalist first published his views in 1801. . . he first did the eminent service of arousing attention to the probability of all changes in the organic, as well as in the inorganic world, being the result of law, and not of miraculous interposition. Who was this man, and why did he inspire such conflicting attitudes? Biography of Lamarck Jean Baptiste Pierre Antoine de Monet, Chevalier de Lamarck was born on August 1, 1744, in the village of Bazentin-le-Petit in the north of France. He was the youngest of eleven children in a family with a centuries-old tradition of military service; his father and several of his brothers were soldiers. The young Lamarck entered the Jesuit seminary at Amiens around 1756, but not long after his father's death, Lamarck rode off to join the French army campaigning in Germany in the summer of 1761; in his first battle, he distinguished himself for bravery under fire and was promoted to officer. After peace was declared in 1763, Lamarck spent five years on garrison duty in the south of France, until an accidental injury forced him to leave the army. After working as a bank clerk in Paris for a while, Lamarck began to study medicine and botany, at which he rapidly became expert; in 1778 his book on the plants of France, Flore Française, was published to great acclaim, in part thanks to the support of Buffon . On the strength of the Flore Française (and Buffon's patronage), Lamarck was appointed an assistant botanist at the royal botanical garden, the Jardin des Plantes, which was not only a botanical garden but a center for medical education and biological research. Aside from a stint as tutor to Buffon's son during a tour of Europe in 1781, Lamarck continued as an underpaid assistant at the Jardin du Roi, living in poverty (and having to defend his job from cost-cutting bureaucrats in the National Assembly) until 1793. That year, the same year that Louis XVI and Marie Antoinette went to the guillotine, the old Jardin des Plantes was reorganized as the Musée National d'Histoire Naturelle (National Museum of Natural History), which was to be run by twelve professors in twelve different scientific fields. Lamarck, who had called for this reorganization, was appointed a professor -- of the natural history of insects and worms (that is, of all invertebrates), a subject he knew nothing about. To be fair to Lamarck, we should mention that since the time of Linnaeus , few naturalists had considered the invertebrates worthy of study. The word "invertebrates" did not even exist at the time; Lamarck coined it. The invertebrate collections at the Musée were enormous and rapidly growing, but poorly organized and classified. Although the professors at the Musée were theoretically equal in rank, the professorship of "insects and worms" was definitely the least prestigious. But Lamarck took on the enormous challenge of learning -- and creating -- a new field of biology. The sheer number and diversity of invertebrates proved to be both a challenge and a rich source of knowledge. As Lamarck lectured his students in 1803, after ten years of research on invertebrates: . . . we perceive that, relative to the animal kingdom, we should chiefly devote our attention to the invertebrate animals, because their enormous multiplicity in nature, the singular diversity of their systems of organization, and of their means of multiplication, . . . , show us, much better than the higher animals, the true course of nature, and the means which she has used and which she still unceasingly employs to give existence to all the living bodies of which we have knowledge. Lamarck published a series of books on invertebrate zoology and paleontology. Of these, Philosophie zoologique , published in 1809, most clearly states Lamarck's theories of evolution. The first volume of Histoire naturelle des Animaux sans vertèbres was published in 1815, the second in 1822. Aside from Lamarck's contributions to evolutionary theory, his works on invertebrates represent a great advance over existing classifications; he was the first to separate the Crustacea, Arachnida , and Annelida from the "Insecta." His classification of the mollusks was far in advance of anything proposed previously; Lamarck broke with tradition in removing the tunicates and the barnacles from the Mollusca . He also anticipated the work of Schleiden & Schwann in cell theory in stating that: . . . no body can have life if its constituent parts are not cellular tissue or are not formed by cellular tissue. Lamarck even found time to write papers on physics and meteorology, including some annual compilations of weather data. But Lamarck's works never became popular during his lifetime, and Lamarck never won the respect or prestige enjoyed by his patron Buffon or his colleague Cuvier . While Cuvier respected Lamarck's work on invertebrates, he had no use for Lamarck's theory of evolution, and he used his influence to discredit it. Most of Lamarck's life was a constant struggle against poverty; to make matters worse, he began to lose his sight around 1818, and spent his last years completely blind, cared for by his devoted daughters (he had been married four times). When he died, on December 28, 1829, he received a poor man's funeral (although his colleague Geoffroy Saint-Hilaire gave one of the orations) and was buried in a rented grave; after five years his body was removed, and no one now knows where his remains are. Lamarck's Scientific Thought Beginning in 1801, Lamarck began to publish details of his evolutionary theories. Where men like Buffon had hinted at the possibility of evolutionary change, Lamarck declared it forthrightly. In 1801 he wrote: . . . time and favorable conditions are the two principal means which nature has employed in giving existence to all her productions. We know that for her time has no limit, and that consequently she always has it at her disposal. What was the mechanism for evolution? "Lamarckism" or "Lamarckianism" is now often used in a rather derogatory sense to refer to the theory that acquired traits can be inherited. What Lamarck actually believed was more complex: organisms are not passively altered by their environment, as his colleague Geoffroy Saint-Hilaire thought. Instead, a change in the environment causes changes in the needs of organisms living in that environment, which in turn causes changes in their behavior. Altered behavior leads to greater or lesser use of a given structure or organ; use would cause the structure to increase in size over several generations, whereas disuse would cause it to shrink or even disappear. This rule -- that use or disuse causes structures to enlarge or shrink -- Lamarck called the "First Law" in his book Philosophie zoologique . Lamarck's "Second Law" stated that all such changes were heritable. The result of these laws was the continuous, gradual change of all organisms, as they became adapted to their environments; the physiological needs of organisms, created by their interactions with the environment, drive Lamarckian evolution. While the mechanism of Lamarckian evolution is quite different from that proposed by Darwin, the predicted result is the same: adaptive change in lineages, ultimately driven by environmental change, over long periods of time. It is interesting to note that Lamarck cited in support of his theory of evolution many of the same lines of evidence that Darwin was to use in the Origin of Species . Lamarck's Philosophie zoologique mentions the great variety of animal and plant forms produced under human cultivation (Lamarck even anticipated Darwin in mentioning fantail pigeons!); the presence of vestigial, non-functional structures in many animals; and the presence of embryonic structures that have no counterpart in the adult. Like Darwin and later evolutionary biologists, Lamarck argued that the Earth was immensely old. Lamarck even mentions the possibility of natural selection in his writings, although he never seems to have attached much importance to this idea. It is even more interesting to note that, although Darwin tried to refute the Lamarckian mechanism of inheritance, he later admitted that the heritable effects of use and disuse might be important in evolution. In the Origin of Species he wrote that the vestigial eyes of moles and of cave-dwelling animals are "probably due to gradual reduction from disuse, but aided perhaps by natural selection." Lamarckian inheritance, at least in the sense Lamarck intended, is in conflict with the findings of genetics and has now been largely abandoned -- but until the rediscovery of Mendel's laws at the beginning of the twentieth century, no one understood the mechanisms of heredity, and Lamarckian inheritance was a perfectly reasonable hypothesis. Several other scientists of the day, including Erasmus Darwin , subscribed to the theory of use and disuse -- in fact, Erasmus Darwin's evolutionary theory is so close to Lamarck's in many respects that it is surprising that, as far as is known now, the two men were unaware of each other's work. In several other respects, the theory of Lamarck differs from modern evolutionary theory. Lamarck viewed evolution as a process of increasing complexity and "perfection," not driven by chance; as he wrote in Philosophie zoologique , "Nature, in producing in succession every species of animal, and beginning with the least perfect or simplest to end her work with the most perfect, has gradually complicated their structure." Lamarck did not believe in extinction: for him, species that disappeared did so because they evolved into different species. If this goes on for too long, it would mean the disappearance of less "perfect" organisms; Lamarck had to postulate that simple organisms, such as protists , were constantly being spontaneously generated. Yet despite these differences, Lamarck made a major contribution to evolutionarythought, developing a theory that paralleled Darwin's in many respects. Rediscovered in the middle part of the 19th century, his theories finally gained the attention they merited. His mechanism of evolution remained a popular alternative to Darwinian selection until the beginning of the 20th century; prominent scientists like Edward Drinker Cope adopted Lamarckianism and tried to apply it to their work. Though his proposed mechanism eventually fell out of favor, he broke ground in establishing the fact of evolution.
- Charles Robert Darwin ( 12 de febrero de 1809 – 19 de abril de 1882 ) fue un naturalista inglés que postuló que todas las especies de seres vivos han evolucionado con el tiempo a partir de un antepasado común mediante un proceso denominado selección natural . La evolución fue aceptada como un hecho por la comunidad científica y por buena parte del público en vida de Darwin, mientras que su teoría de la evolución mediante selección natural no fue considerada como la explicación primaria del proceso evolutivo hasta los años 1930 . 1 Actualmente constituye la base de la síntesis evolutiva moderna . Con sus modificaciones, los descubrimientos científicos de Darwin aún siguen siendo el acta fundacional de la biología como ciencia, puesto que constituyen una explicación lógica que unifica las observaciones sobre la diversidad de la vida . 2 Con apenas 16 años Darwin ingresó en la Universidad de Edimburgo , aunque paulatinamente fue dejando de lado sus estudios de medicina para dedicarse a la investigación de invertebrados marinos . Posteriormente, la Universidad de Cambridge dio alas a su pasión por las ciencias naturales . 3 El segundo viaje del HMS Beagle consolidó su fama como eminente geólogo , cuyas observaciones y teorías apoyaban las ideas uniformistas de Charles Lyell , mientras que la publicación del diario de su viaje lo hizo célebre como escritor popular. Intrigado por la distribución geográfica de la vida salvaje y por los fósiles que recolectó en su periplo, Darwin investigó sobre el hecho de la transmutación de las especies y concibió su teoría de la selección natural en 1838 . 4 Aunque discutió sus ideas con algunos naturalistas, necesitaba tiempo para realizar una investigación exhaustiva, y sus trabajos geológicos tenían prioridad. 5 Se encontraba redactando su teoría en 1858 cuando Alfred Russel Wallace le envió un ensayo que describía la misma idea, urgiéndole Darwin a realizar una publicación conjunta de ambas teorías . 6 Su obra fundamental, El origen de las especies por medio de la selección natural, o la preservación de las razas preferidas en la lucha por la vida , publicada en 1859 , estableció que la explicación de la diversidad que se observa en la naturaleza se debe a las modificaciones acumuladas por la evolución a lo largo de las sucesivas generaciones. 1 Trató la evolución humana y la selección natural en su obra El origen del hombre y de la selección en relación al sexo y posteriormente en La expresión de las emociones en los animales y en el hombre . También dedicó una serie de publicaciones a sus investigaciones en botánica , y su última obra abordó el tema de los vermes terrestres y sus efectos en la formación del suelo . 7 Dos semanas antes de morir publicó un último y breve trabajo sobre un bivalvo diminuto encontrado en las patas de un escarabajo de agua de los Midlands ingleses. Dicho ejemplar le fue enviado por Walter Drawbridge Crick, abuelo paterno de Francis Crick , codescubridor junto a James Dewey Watson de la estructura molecular del ADN en 1953. 8 Como reconocimiento a la excepcionalidad de sus trabajos, fue uno de los cinco personajes del siglo XIX no pertenecientes a la realeza del Reino Unido honrado con funerales de Estado, 9 siendo sepultado en la Abadía de Westminster , próximo a John Herschel e Isaac Newton . 10 Contenido Darwin con siete años en 1816. Charles Robert Darwin nació en Shrewsbury , Shropshire , Inglaterra , el 12 de febrero de 1809 en el hogar familiar, llamado "The Mount" (El monte). 11 Fue el quinto de seis de los hijos habidos entre Robert Darwin , un médico y hombre de negocios acomodado, y Susannah Darwin (apellidada Wedgwood de soltera). Era nieto de Erasmus Darwin por parte de padre y de Josiah Wedgwood por parte de madre. Ambas familias eran de antigua tradición unitarista , aunque los Wedgwoods adoptaron el anglicanismo . El mismo Robert Darwin, siendo un discreto librepensador , bautizó a su hijo Charles en la Iglesia Anglicana, aunque tanto él como sus hermanos asistían a los oficios unitaristas con su madre. A los ocho años Charles ya mostraba predilección por la Historia natural y por el coleccionismo de ejemplares cuando en 1817 se incorporó a la escuela diurna, regida por el predicador de la capilla donde asistía a los cultos. En julio de ese mismo año falleció su madre. En septiembre de 1818 se incorporó con su hermano Erasmus a la cercana escuela anglicana de Shrewsbury como pupilo. 12 Darwin pasó el verano de 1825 como aprendiz de médico, ayudando a su padre a asistir a las personas necesitadas de Shropshire, antes de marchar con Erasmus a la Universidad de Edimburgo . Encontró sus clases tediosas y la cirugía insufrible, de modo que no se aplicaba a los estudios de medicina. Aprendió taxidermia con John Edmonstone , un esclavo negro liberto que había acompañado a Charles Waterton por las selvas de Sudamérica y se le veía frecuentemente sentado con aquel "hombre inteligente y muy agradable". 13 En su segundo año en Edimburgo ingresó en la Sociedad Pliniana, un grupo de estudiantes de historia natural cuyos debates derivaron hacia el materialismo radical . Colaboró con las investigaciones de Robert Edmund Grant sobre la anatomía y el ciclo vital de los invertebrados marinos en el Fiordo de Forth , y en marzo de 1827 presentó ante la Sociedad Pliniana el descubrimiento de que unas esporas blancas encontradas en caparazones de ostras que eran los huevos de una sanguijuela . Un buen día, Grant expuso las ideas sobre evolución de Lamarck . Darwin quedó estupefacto, pero al haber leído recientemente ideas similares en los escritos de su abuelo Erasmus , mantuvo posteriormente una postura indiferente. 14 Darwin se aburría bastante con el curso de historia natural impartido por Robert Jameson , que comprendía la geología y su debate entre neptunismo y plutonismo . Aprendió la clasificación de las plantas , y contribuyó a los trabajos en las colecciones del museo de la universidad , uno de los mayores de la Europa de su tiempo. 15 Esta falta de atención a sus estudios de medicina disgustó a su padre, quien lo envió al Christ’s College de Cambridge para obtener un grado en letras como primer paso para ordenarse como pastor anglicano. 16 Darwin llegó en enero de 1828 , pero prefería la equitación y el tiro al estudio. Su primo William Fox le introdujo en la moda popular de coleccionar escarabajos , a la que se dedicó con entusiasmo, consiguiendo publicar algunos de sus hallazgos en el manual Illustrations of British entomology de James Francis Stephens . Se convirtió en un amigo íntimo y seguidor del profesor de botánica John Stevens Henslow y conoció a otros importantes naturalistas que contemplaban su trabajo científico como una teología natural , siendo conocido por estos académicos como "el hombre que pasea con Henslow". En la proximidad de los exámenes finales, Darwin se centró en sus estudios, deleitándose con el lenguaje y la lógica de Evidencias del Cristianismo de William Paley . 17 En el examen final de enero de 1831 Darwin aprobó, quedando el décimo de una lista de 178 examinados. 18 Darwin tuvo que quedarse en Cambridge hasta junio. Durante este período leyó tres obras que ejercerían una influencia fundamental en la evolución de su pensamiento: otra obra de Paley, Teología Natural , uno de los tratados clásicos en defensa de la adaptación biológica como evidencia del diseño divino a través de las leyes naturales .; 19 el recién publicado Un discurso preliminar en el estudio de la filosofía natural , de John Herschel , que describía la última meta de la filosofía natural como la comprensión de estas leyes a través del razonamiento inductivo basado en la observación; y el Viaje a las regiones equinocciales del Nuevo Continente , de Alexander von Humboldt . Inspirado por un ardiente afán de contribuir, Darwin planeó visitar Tenerife con algunos compañeros de clase tras la graduación para estudiar la historia natural de los trópicos . Mientras preparaba el viaje se inscribió en el curso de geología de Adam Sedgwick y posteriormente le acompañó durante el verano a trazar mapas de estratos en Gales . 20 Tras una quincena con otros amigos estudiantes en Barmouth , volvió a su hogar, encontrándose con una carta de Henslow que le proponía un puesto como naturalista sin retribución para el capitán Robert FitzRoy , más como un acompañante que como mero recolector de materiales en el HMS Beagle , que zarparía en cuatro semanas en una expedición para cartografiar la costa de América del Sur . 21 Su padre se opuso en principio al viaje que se planeaba para dos años, aduciendo que era una pérdida de tiempo, pero su cuñado Josiah Wedgwood lo persuadió, aceptando así finalmente la participación de su hijo. 22 Viaje del Beagle El viaje del Beagle duró casi cinco años, zarpando de la bahía de Plymouth el 27 de diciembre de 1831 y arribando a Falmouth el 2 de octubre de 1836 . Tal como Fitzroy le había propuesto, el joven Darwin dedicó la mayor parte de su tiempo a investigaciones geológicas en tierra firme y a recopilar ejemplares, mientras el Beagle realizaba su misión científica para medir corrientes oceánicas y cartografiando la costa. 1 23 Darwin tomó notas escrupulosamente durante todo el viaje, y enviaba regularmente sus hallazgos a Cambridge, junto con una larga correspondencia para su familia que se convertiría en el diario de su viaje. 24 Tenía nociones de geología , entomología y disección de invertebrados marinos —aunque se sabía inexperto en otras disciplinas científicas; de modo que reunió hábilmente gran número de especímenes para que los especialistas en la materia pudieran llevar a cabo una evaluación exhaustiva. 25 A pesar de sufrir frecuentes mareos —que ya había acusado la primera vez que embarcó su equipaje a bordo— la mayoría de sus notas zoológicas versa sobre invertebrados marinos, comenzando por una notable colección de plancton que reunió en una temporada con viento en calma. 23 26 En su primera escala, en Santiago de Cabo Verde , Darwin descubrió que uno de los estratos blanquecinos elevados en la roca volcánica contenían restos de conchas . Como Fitzroy le había prestado poco antes la obra de Charles Lyell Principios de Geología , que establecía los principios uniformistas según los cuales el relieve se formaba mediante surgimientos o hundimientos a lo largo de inmensos períodos, n. 1 Darwin comprendió ese fenómeno desde el punto de vista de Lyell, e incluso se planteó escribir en el futuro una obra sobre geología. 27 En Brasil , Darwin quedó fascinado por el bosque tropical , pero aborreció el espectáculo de la esclavitud . 28 29 En Punta Alta y en los barrancos de la costa de Monte Hermoso , cerca de Bahía Blanca , Argentina , realizó un hallazgo de primer orden al localizar en una colina fósiles de enormes mamíferos extintos junto a restos modernos de bivalvos , extintos más recientemente de manera natural. Identificó, por un diente, al poco conocido megaterio -que en principio asoció con el caparazón de una versión gigante ( gliptodonte ) de la armadura de los armadillos locales-. Estos hallazgos despertaron un enorme interés a su regreso a Inglaterra. 30 Cabalgando con los gauchos del interior se dedicó a observar la geología y extraer más fósiles, adquiriendo, al mismo tiempo, una perspectiva de los problemas sociales, políticos y antropológicos tanto de los nativos como de los criollos en el momento anterior a la revolución de los Restauradores . También aprendió que los dos tipos de ñandú poseen territorios separados, aunque superpuestos. 31 32 Contempló con asombro la diversidad de la fauna y la flora en función de los distintos lugares. Así, pudo comprender que la separación geográfica y las distintas condiciones de vida eran la causa de que las poblaciones variaran independientemente unas de otras. Continuando su viaje hacia el sur, observó llanuras aplanadas llenas de guijarros en las que cúmulos de restos de conchas formaban pequeñas elevaciones. Como estaba leyendo la segunda obra de Lyell, asumió que se trataba de los "centros de creación" de especies que éste describía, aunque por primera vez comenzó a cuestionar los conceptos de lento desgaste y extinción de especies defendidos por Lyell. 33 34 En Tierra del Fuego se produjo el retorno de tres nativos yagán que habían sido embarcados durante la primera expedición del Beagle, con objeto de recibir una educación que les permitiera actuar de misioneros ante sus semejantes. Darwin los encontró amables y civilizados, aunque los otros nativos le parecieron "salvajes miserables y degradados", tan distintos de los que iban a bordo como lo pudieran ser los animales salvajes de los domésticos, 35 si bien, para Darwin, esa distinción estribaba en cuestiones culturales y no raciales. Al contrario que sus colegas científicos, empezó a sospechar que no existía una diferencia insalvable entre los animales y las personas. 36 Al cabo de un año, la misión había sido abandonada. Uno de los fueguinos retornados, a quien le habían dado el nombre cristiano de Jemmy Button , vivía con los demás nativos, se había casado y manifestó no tener ningún deseo de volver a Inglaterra . 37 En Chile , Darwin fue testigo de un terremoto , observando indicios de un levantamiento del terreno, entre los que se encontraban acumulaciones de valvas de mejillones por encima de la línea de la marea alta . Sin embargo, también encontró restos de conchas en las alturas de los Andes , así como árboles fosilizados que habían crecido a pie de playa , lo que le llevó a pensar que según subían niveles de tierra, las islas oceánicas se iban hundiendo, formándose así los atolones de arrecifes de coral . 38 39 Poco después, en las Islas Galápagos , geológicamente jóvenes, Darwin se dedicó a buscar indicios de un antiguo "centro de creación", y encontró variedades de pinzones que estaban emparentadas con la variedad continental , pero que variaban de isla a isla. También recibió informes de que los caparazones de tortugas variaban ligeramente entre unas islas y otras, permitiendo así su identificación. 40 En Australia , la rata marsupial y el ornitorrinco le parecieron tan extraños que Darwin pensó que era como si "dos creadores" hubiesen obrado a la vez. 41 Encontró a los aborígenes australianos "bienhumorados y agradables", y notó su decadencia por la proliferación de asentamientos europeos. 42 El HMS Beagle también investigó la formación de los atolones de las Islas Cocos , con resultados que respaldaban las teorías de Darwin. Por aquel entonces, Fitzroy —que redactaba la "narración oficial" de la expedición— leyó los diarios de Darwin y le pidió permiso para incorporarlos a su crónica. 43 El diario de Darwin fue entonces reescrito como un tercer volumen dedicado a la historia natural. 44 En Ciudad del Cabo , una de las últimas escalas de su vuelta al mundo, Darwin y Fitzroy conocieron a John Herschel , quien había escrito recientemente a Lyell alabando su teoría uniformista por plantear una especulación sobre "ese misterio de misterios: la sustitución de especies extintas por otras" como "un proceso natural en oposición a uno milagroso". 45 Ordenando sus notas rumbo hacia Plymouth , Darwin escribía que de probarse sus crecientes sospechas sobre los pinzones, las tortugas y el zorro de las islas Malvinas , "estos hechos desbaratan la teoría de la estabilidad de las especies" (más tarde, reescribió prudentemente "podrían desbaratar"). 46 Posteriormente reconoció que en aquel momento, los hechos observados le hacían pensar que "arrojaban alguna luz sobre el origen de las especies. 47 Años de la gestación y publicación de El origen de las especies Artículo principal: El origen de las especies . Inicios de la teoría Cuando el Beagle regresó el 2 de octubre de 1836 , Darwin se había convertido en una celebridad en los círculos científicos, ya que en diciembre de 1835 Henslow había promovido la reputación de su anterior discípulo distribuyendo entre naturalistas seleccionados un panfleto de sus comunicaciones sobre geología. 48 Darwin fue a visitar su casa en Shrewsbury y se encontró con sus parientes, apresurándose inmediatamente a Cambridge para ver a Henslow, quien le recomendó buscar naturalistas disponibles para catalogar las colecciones, y acordó encargarse de los especímenes botánicos. El padre de Darwin organizó las inversiones que permitieron a su hijo ser un caballero científico sustentado por sus propios ingresos, y le animó a hacer una gira por las instituciones de Londres para asistir a recepciones en su honor y buscar de ese modo expertos para describir las colecciones. Los zoólogos tenían ante sí un enorme trabajo acumulado, y había peligro de que los especímenes quedaran abandonados en almacenes. 49 Charles Lyell , entusiasmado, se encontró con Darwin por primera vez el 29 de octubre y pronto le presentó al prometedor anatomista Richard Owen , quien disponía de las instalaciones del Real Colegio de Cirujanos de Inglaterra para poder trabajar en los huesos fosilizados recolectados por Darwin. Entre los sorprendentes ejemplares que clasificó Owen se encontraban los de perezosos gigantes extintos, un esqueleto casi completo del desconocido Scelidotherium , un roedor del tamaño de un hipopótamo , que recordaba a un capibara gigante, y fragmentos del caparazón de Glyptodon , un armadillo gigante , tal y como inicialmente supuso Darwin. 50 Estas criaturas extintas estaban estrechamente relacionadas con especies vivas de Sudamérica . 51 A mediados de diciembre, Darwin buscó alojamiento en Cambridge para organizar su trabajo en sus colecciones y reescribir su "diario". 52 Escribió su primer artículo en el que defendía que la masa continental de América del Sur se estaba elevando lentamente, y con el apoyo entusiasta de Lyell lo leyó en la Sociedad Geológica de Londres el 4 de enero de 1837 . El mismo día presentó sus especímenes de mamíferos y aves a la Sociedad Geológica de Londres . El ornitólogo John Gould pronto anunció que las aves de las islas Galápagos que Darwin había pensado que eran una mezcla de tordos , picogordos y pinzones, eran en realidad especies distintas de pinzones . El 17 de febrero Darwin fue elegido como miembro de la Sociedad Geográfica y el discurso de presentación, que estuvo a cargo de Lyell en su calidad de presidente, expuso los hallazgos de Owen a partir de los fósiles de Darwin, enfatizando la continuidad geográfica de las especies como apoyo a sus ideas uniformistas . 53 A comienzos de marzo Darwin se mudó a Londres para residir cerca de su trabajo, uniéndose al círculo social de científicos de Lyell, con eruditos como Charles Babbage , 54 quien le describió a Dios como diseñador de leyes. La carta de John Herschel sobre el "misterio de misterios" de las nuevas especies fue ampliamente discutida en estas reuniones, con explicaciones que se buscaban en las leyes de la naturaleza, no en milagros ad hoc . Darwin permaneció con su hermano Erasmus , quien era un libre pensador , miembro del círculo del partido Whig y amigo íntimo de la escritora Harriet Martineau que promovió el Malthusianismo que subyacía a la controvertida Ley de Pobres de 1834 de los whigs para impedir que el bienestar produjera sobrepoblación y más pobreza. Como unitarista recibió bien las implicaciones radicalistas de la transmutación de las especies , promocionadas por Robert Edmond Grant y jóvenes cirujanos influidos por Étienne Geoffroy Saint-Hilaire , pero que eran anatema para los anglicanos que defendían el orden social. 45 55 En su primera reunión para discutir sus detallados hallazgos, Gould le dijo a Darwin que los pinzones de las distintas islas de las Galápagos eran especies diferentes. 56 Los dos ñandúes también eran especies distintas, y el 14 de marzo Darwin publicó el hecho de que su distribución había cambiado, desplazándose hacia el sur. 57 A mediados de marzo, Darwin especulaba en su cuaderno rojo sobre la posibilidad de que "una especie se transforme en otra" para explicar la distribución geográfica de las especies de seres vivos como los ñandúes, y de las extintas como Macrauchenia , una especie de guanaco gigante. Desarrolló sus ideas sobre la longevidad , la reproducción asexual y la reproducción sexual en su cuaderno "B" en torno a mediados de julio hablando de la variación en la descendencia para "adaptarse y alterar la raza en un mundo en cambio" como la explicación de lo observado en las tortugas de las Galápagos , pinzones y ñandúes. Realizó un esbozo en el que representaba la descendencia como la ramificación de un árbol evolutivo , en el cual "es absurdo hablar de que un animal sea más evolucionado que otro", descartando de ese modo la teoría de Lamarck en la cual líneas evolutivas independientes progresaban hacia formas más evolucionadas. 58 A su vuelta al Reino Unido , Darwin publicó la obra Diario del viaje del Beagle . Cuando las "crónicas" de Fitzroy se publicaron en mayo de 1839 , los diarios de Darwin eran ya un éxito tal que el mismo Fitzroy costeó la publicación del tercer tomo. 59 Durante más de una década, se dedicó a realizar pruebas de cruce de animales y numerosos experimentos con plantas , mediante los cuales encontró indicios de que las especies no eran realidades inmutables que le permitieron profundizar las implicaciones de su teoría . 1 Durante más de una década estos trabajos constituyeron el trasfondo de su investigación principal, consistente en la publicación de los resultados científicos del "viaje del Beagle". 60 A principios de 1842 , Darwin escribió una carta a Lyell exponiéndole sus ideas, quien observó que su camarada "se negaba a ver un origen para cada grupo similar de especies". Tras tres años de trabajo, Darwin publicó en mayo sus estudios sobre los arrecifes coralinos , y comenzó a esbozar su teoría. 61 Para escapar a las presiones de la capital, el matrimonio Darwin se mudó a su "Down House" rural en septiembre. 62 El 11 de enero de 1844 Darwin comentó sus especulaciones con el botánico Joseph Dalton Hooker, admitiendo con humor que era "como confesarse culpable de asesinato". 63 64 Hooker replicó que en su opinión había "series de producción en diferentes puntos, así como un cambio gradual en las especies", y le manifestó su interés en "escuchar su explicación sobre cómo puede producirse este cambio, dado que por el momento las opiniones al respecto no me satisfacen". 65 las opiniones al respecto no me satisfacen". 65 Hacia el mes de julio, Darwin había ampliado su esbozo a un ensayo de 230 páginas, destinado a completarse con el resto de sus investigaciones en el caso de una muerte prematura. 66 En noviembre la opinión pública reaccionó con polémica ante la publicación anónima de la obra Vestigios de la historia natural de la Creación , escrita por Robert Chambers . Se trataba de una obra bien redactada que llamó la atención sobre el tema de la transmutación. Darwin le censuró su bisoñez en geología y zoología, pero las críticas que recibió esta defensa de la evolución hicieron que revisara cuidadosamente sus propios argumentos. 67 68 En 1846 Darwin ya había completado su tercer libro sobre geología. Recuperó su fascinación por los invertebrados marinos, que había despertado en sus años de estudiante cuando diseccionaba y catalogaba con Robert Edmond Grant los percebes recogidos durante su viaje, observando con placer sus complejas estructuras y planteando analogías con estructuras similares. 69 En 1847, Hooker recibió el "ensayo" y envió algunas notas críticas a Darwin, que le ayudaron a ver su obra con distanciamiento científico y cuestionarse su oposición al creacionismo . 70 Preocupado por su enfermedad crónica, Darwin acudió en 1849 al balneario del doctor James Manby Gully, y descubrió con sorpresa las virtudes de la hidroterapia . 71 En 1851 su querida hija Anne Darwin enfermó, avivando los temores de Darwin de que su mal pudiera ser hereditario, y tras una serie de crisis falleció. 72 A lo largo de ocho años de trabajo sobre cirrípedos , la teoría de Darwin le había ayudado a encontrar homologías que indicaban que mínimas alteraciones morfológicas permitían a los organismos cumplir nuevas funciones en nuevas condiciones, y el hallazgo de minúsculos machos parásitos en organismos hermafroditas le sugirió una progresión intermedia en el desarrollo de seres sexuados . 73 En 1853 este trabajo le valió la Medalla Real concedida por la Royal Society , trayéndole así la celebridad como biólogo. 74 En 1854 continuó su trabajo sobre la teoría de las especies, y en noviembre ya había anotado que las diferencias en los caracteres de los descendientes podían obedecer a su adaptación a "diversos entornos en la economía natural". Durante el desarrollo de su profundo estudio sobre la transmutación de las especies, Darwin se cargó con más trabajos. Mientras aún escribía su "diario", continuó editando y publicando los informes de los expertos sobre sus colecciones y con la ayuda de Henslow obtuvo una asignación del tesoro de 1000 libras para patrocinar su obra en varios volúmenes Zoología del viaje del Beagle . En esta última y en su libro Geología de Sudamérica acepta datos no realistas en apoyo de las ideas de Lyell. Darwin acabó de escribir su diario en torno al 20 de junio de 1837 , día de la coronación de la Reina Victoria , pero posteriormente tuvo que corregir las pruebas. 76 A comienzos de 1856 Darwin investigaba si los huevos y semillas podrían sobrevivir a un viaje en el agua del mar diseminando de ese modo las especies por los océanos . Hooker cada vez dudaba más de la doctrina tradicional en torno a la inmutabilidad de las especies, pero su joven amigo Thomas Henry Huxley era un firme detractor de la evolución. Por su parte, Lyell estaba fascinado por las especulaciones de Darwin, aunque sin percibir el alcance de sus implicaciones. Cuando leyó un artículo de Alfred Russel Wallace sobre la Introducción de especies, observó similitudes con los pensamientos de Darwin y le apremió a publicarlos para establecer la precedencia. Aunque Darwin no percibió amenaza alguna, comenzó a trabajar en una publicación corta. La contestación de difíciles cuestiones retenían su desarrollo una y otra vez, y finalmente amplió sus planes a la redacción de un "gran libro sobre las especies" titulado Selección natural . Darwin continuó con sus investigaciones, obteniendo información y especímenes de naturalistas de todo el mundo, incluyendo a Wallace, que estaba trabajando en Borneo . El botánico estadounidense Asa Gray mostraba intereses similares, y el 5 de septiembre de 1857 Darwin envió a Gray un esbozo detallado de sus ideas, incluyendo un extracto de su obra Selección natural . En diciembre, Darwin recibió una carta de Wallace preguntándole si el libro trataría la cuestión del origen del hombre . Él le contestó que evitaría el tema al estar "tan rodeado de prejuicios", mientras animaba a Wallace a seguir con su línea teórica, añadiendo que "Yo voy mucho más allá que Usted". 92 El libro de Darwin estaba a la mitad cuando el 18 de junio de 1858 recibió una carta de Wallace. En ella, Wallace adjuntaba un manuscrito para ser revisado en el que defendía la evolución por selección natural. A petición de su autor, Darwin envió el manuscrito a Lyell, mostrándole su sorpresa por la extraordinaria coincidencia de sus teorías, y sugiriendo la publicación del artículo de Wallace en cualquiera de las revistas que este prefiriese. La familia de Darwin estaba en crisis, y los niños de su pueblo estaban muriendo de escarlatina , de modo que dejó el asunto en manos de Lyell y Hooker. Finalmente se decidió por una presentación conjunta en la Sociedad Linneana de Londres el 1 de julio bajo el título Sobre la tendencia de las especies a crear variedades, así como sobre la perpetuación de las variedades y de las especies por medio de la selección natural compuesta por dos artículos independientes: el manuscrito de Wallace, y un extracto del no publicado Ensayo de Darwin, escrito en 1844, junto con un resumen de la carta de Darwin a Asa Gray . No obstante, la hija de Darwin murió pronto de escarlatina y estaba demasiado abatido como para asistir. 93 La presentación de la teoría de la selección natural ante la Sociedad Linneana no recibió demasiada atención. Tras la publicación del artículo en agosto en el periódico de la sociedad, se reimprimió en varias revistas y recibió algunas reseñas y cartas, pero el presidente de la Sociedad Linneana comentaba en mayo de 1858 que aquel año no estaba señalado por ningún descubrimiento revolucionario. 94 Sólo una reseña le resultó a Darwin lo suficientemente incisiva como para tenerla en cuenta más tarde: el profesor Samuel Haughton de Dublín afirmaba que "todo lo novedoso del artículo es falso, y lo verdadero ya es cosa dicha anteriormente". 95 Darwin se debatió durante trece meses para producir un extracto de su "gran libro", sufriendo enfermedades del corazón, pero recibiendo continuos ánimos de sus amigos científicos. Lyell lo dispuso todo para que lo publicara John Murray . 96 El origen de las especies mediante la selección natural o la conservación de las razas favorecidas en la lucha por la vida (habitualmente conocido bajo el título abreviado de El origen de las especies ) resultó inusitadamente popular, y el lote completo de 1250 copias tenía un número de suscriptores superior cuando salió a venta a los libreros el 22 de noviembre de 1859 . 97 En el libro, Darwin expone una "extensa argumentación" a partir de observaciones detalladas e inferencias, y considera con anticipación las objeciones a su teoría. 98 Su única alusión a la evolución humana fue un comentario moderado en el que se hablaba de que "se arrojará luz sobre el origen del hombre y su historia." 99 Su teoría se formula de modo sencillo en la Introducción: Como de cada especie nacen muchos más individuos de los que pueden sobrevivir, y como, en consecuencia, hay una lucha por la vida, que se repite frecuentemente, se sigue que todo ser, si varía, por débilmente que sea, de algún modo provechoso para él bajo las complejas y a veces variables condiciones de la vida, tendrá mayor probabilidad de sobrevivir y, de ser así, será naturalmente seleccionado. Según el poderoso principio de la herencia, toda variedad seleccionada tenderá a propagar su nueva y modificada forma. 100 Darwin argumentó contundentemente en favor de un origen común de las especies pero evitó el entonces controvertido término " evolución " y al final del libro concluyó que: Hay grandeza en esta concepción según la cual la vida, con sus diferentes fuerzas, ha sido alentada por el Creador en un reducido número de formas o en una sola, y que, mientras este planeta ha ido girando según la constante ley de la gravitación, se han desarrollado y se están desarrollando, a partir de un principio tan sencillo, una infinidad de las formas más bellas y portentosas. 101
- Gregor Johann Mendel ( 20 de julio de 1822 1 – 6 de enero de 1884 ) fue un monje agustino católico y naturalista nacido en Heinzendorf , Austria (actual Hynčice, distrito Nový Jičín, República Checa ) que describió, por medio de los trabajos que llevó a cabo con diferentes variedades del guisante o arveja ( Pisum sativum ), las hoy llamadas leyes de Mendel que rigen la herencia genética . Los primeros trabajos en genética fueron realizados por Mendel. Inicialmente realizó cruces de semillas, las cuales se particularizaron por salir de diferentes estilos y algunas de su misma forma. En sus resultados encontró caracteres como los dominantes que se caracterizan por determinar el efecto de un gen y los recesivos por no tener efecto genético (dígase, expresión) sobre un fenotipo heterocigótico. Su trabajo no fue valorado cuando lo publicó en el año 1866 . Hugo de Vries , botánico neerlandés , Carl Correns y Erich von Tschermak redescubrieron por separado las leyes de Mendel en el año 1900 . 2 Gregor Mendel nació el 20 de julio de 1822 en un pueblo llamado Heinzendorf (hoy Hynčice , en el norte de Moravia , República Checa ) perteneciente al Imperio austrohúngaro , y fue bautizado con el nombre de Johann Mendel. Tomó el nombre de padre Gregorio al ingresar como fraile agustino , en 1843, en el convento de agustinos de Brno (conocido en la época como Brünn ). En 1847 se ordenó sacerdote. Mendel fue titular de la prelatura de la Imperial y Real Orden Austriaca del emperador Francisco José I , director emérito del Banco Hipotecario de Moravia, fundador de la Asociación Meteorológica Austriaca , miembro de la Real e Imperial Sociedad Morava y Silesia para la Mejora de la Agricultura, Ciencias Naturales y Conocimientos del País y jardinero (aprendió de su padre cómo hacer injertos y cultivar árboles frutales). Mendel presentó sus trabajos en las reuniones de la Sociedad de Historia Natural de Brünn 3 (Brno) el 8 de febrero y el 8 de marzo de 1865 , y los publicó posteriormente como Experimentos sobre hibridación de plantas ( Versuche über Plflanzenhybriden ) en 1866 en las actas de la Sociedad. Sus resultados fueron ignorados por completo, y tuvieron que transcurrir más de treinta años para que fueran reconocidos y entendidos. 2 Curiosamente, el mismo Charles Darwin no sabía del trabajo de Mendel, según lo que afirma Jacob Bronowski en su célebre serie/libro El ascenso del hombre . 4 Al tipificar las características fenotípicas (apariencia externa) de los guisantes las llamó «caracteres». Usó el nombre «elemento» para referirse a las entidades hereditarias separadas. Su mérito radica en darse cuenta de que en sus experimentos (variedades de guisantes) siempre ocurrían en variantes con proporciones numéricas simples. Los «elementos» y «caracteres» han recibido posteriormente infinidad de nombres, pero hoy se conocen de forma universal con el término genes , que sugirió en 1909 el biólogo danés Wilhem Ludwig Johannsen . Para ser más exactos, las versiones diferentes de genes responsables de un fenotipo particular se llaman alelos . Los guisantes verdes y amarillos corresponden a distintos alelos del gen responsable del color. Mendel falleció el 6 de enero de 1884 en Brünn, a causa de una nefritis crónica. Primera ley o principio de la uniformidad: «Cuando se cruzan dos individuos de raza pura, los híbridos resultantes son todos iguales». El cruce de dos individuos homocigotas , uno de ellos dominante (AA) y el otro recesivo (aa), origina sólo individuos heterocigotas , es decir, los individuos de la primera generación filial son uniformes entre ellos (Aa). Segunda ley o principio de la segregación: «Ciertos individuos son capaces de transmitir un carácter aunque en ellos no se manifieste». El cruce de dos individuos de la F1 (Aa) dará origen a una segunda generación filial en la cual reaparece el fenotipo "a", a pesar de que todos los individuos de la F1 eran de fenotipo "A". Esto hace presumir a Mendel que el carácter "a" no había desaparecido, sino que sólo había sido "opacado" por el carácter "A" pero que, al reproducirse un individuo, cada carácter se segrega por separado. Tercera ley o principio de la combinación independiente: Hace referencia al cruce polihíbrido (monohíbrido: cuando se considera un carácter; polihíbrido: cuando se consideran dos o más caracteres). Mendel trabajó este cruce en guisantes, en los cuales las características que él observaba (color de la semilla y rugosidad de su superficie) se encontraban en cromosomas separados. De esta manera, observó que los caracteres se transmitían independientemente unos de otros. Esta ley, sin embargo, deja de cumplirse cuando existe vinculación (dos genes están muy cerca y no se separan en la meiosis ). Algunos autores obvian la Primera Ley de Mendel, y por tanto llaman Primera Ley al Principio de la segregación y Segunda Ley al Principio de la transmisión independiente (para estos mismos autores, no existe una Tercera Ley). El núcleo de sus trabajos –que comenzó en el año 1856 a partir de experimentos de cruzamientos con guisantes efectuados en el jardín del monasterio– le permitió descubrir las tres leyes de la herencia o leyes de Mendel , gracias a las cuales es posible describir los mecanismos de la herencia y que fueron explicadas con posterioridad por el padre de la genética experimental moderna, el biólogo estadounidense Thomas Hunt Morgan ( 1866 - 1945 ). En el siglo XVIII se había desarrollado ya una serie de importantes estudios acerc Kölreuter, W. Herbert, C. C. Sprengel y A. Knight, y ya en el siglo XIX, los de Gärtner y Sageret (1825). La culminación de todos estos trabajos corrió a cargo, por un lado, de Ch. Naudin (1815-1899) y, por el otro, de Gregor Mendel, quien llegó más lejos que Naudin. Las tres leyes descubiertas por Mendel se enuncian como sigue: según la primera, cuando se cruzan dos variedades puras de una misma especie, los descendientes son todos iguales y pueden parecerse a uno u otro progenitor o a ninguno de ellos; la segunda afirma que, al cruzar entre sí los híbridos de la segunda generación, los descendientes se dividen en cuatro partes, de las cuales una se parece a su abuela, otra a su abuelo y las dos restantes a sus progenitores; por último, la tercera ley concluye que, en el caso de que las dos variedades de partida difieran entre sí en dos o más caracteres, cada uno de ellos se transmite de acuerdo con la primera ley con independencia de los demás. Para realizar sus trabajos, Mendel no eligió especies, sino razas autofecundas bien establecidas de la especie Pisum sativum . La primera fase del experimento consistió en la obtención, mediante cultivos convencionales previos, de líneas puras constantes y en recoger de manera metódica parte de las semillas producidas por cada planta. A continuación cruzó estas estirpes, dos a dos, mediante la técnica de polinización artificial. De este modo era posible combinar, de dos en dos, variedades distintas que presentan diferencias muy precisas entre sí (semillas lisas-semillas arrugadas; flores blancas-flores coloreadas, etc.). El análisis de los resultados obtenidos permitió a Mendel concluir que mediante el cruzamiento de razas que difieren al menos en dos caracteres, pueden crearse nuevas razas estables (combinaciones nuevas homocigóticas). Pese a que remitió sus trabajos con guisantes a la máxima autoridad de su época en temas de biología, W. von Nägeli, sus investigaciones no obtuvieron el reconocimiento hasta el redescubrimiento de las leyes de la herencia por parte de H. de Vries, C. E. Correns y E. Tschernack von Seysenegg, quienes, con más de treinta años de retraso, y después de haber revisado la mayor parte de la literatura existente sobre el particular, atribuyeron a Johan G. Mendel la prioridad del descubrimiento. endel inició sus experimentos eligiendo dos plantas de guisantes que diferían en un carácter, cruzó una variedad de planta que producía semillas amarillas con otra que producía semillas verdes; estas plantas forman la llamada generación parental (P) . Como resultado de este cruce se produjeron plantas que producían nada más que semillas amarillas, repitió los cruces con otras plantas de guisante que diferían en otros caracteres y el resultado era el mismo, se producía un carácter de los dos en la generación filial. Al carácter que aparecía le llamo carácter dominante y al que no, carácter recesivo . En este caso, el color amarillo es uno de los caracteres dominantes, mientras que el color verde es uno de los caracteres recesivos. Las plantas obtenidas de la generación parental se denominan en conjunto primera generación filial (F1) . Mendel dejó que se autofecundaran las plantas de la primera generación filial y obtuvo la llamada segunda generación filial (F2) , compuesta por plantas que producían semillas amarillas y por plantas que producían semillas verdes en una proporción 3:1 (3 de semillas amarillas y 1 de semillas verdes). Repitió el experimento con otros caracteres diferenciados y obtuvo resultados similares en una proporción 3:1. A partir de esta experiencia, formuló las dos primeras leyes. Más adelante decidió comprobar si estas leyes funcionaban en plantas diferenciadas en dos o más caracteres, para lo cual eligió como generación parental a plantas de semillas amarillas y lisas y a plantas de semillas verdes y rugosas. Las cruzó y obtuvo la primera generación filial, compuesta por plantas de semillas amarillas y lisas, con lo cual la primera ley se cumplía; en la F1 aparecían los caracteres dominantes (amarillos y lisos) y no los recesivos (verdes y rugosos). Obtuvo la segunda generación filial autofecundando a la primera generación filial y obtuvo semillas de todos los estilos posibles, plantas que producían semillas amarillas y lisas, amarillas y rugosas, verdes y lisas y verdes y rugosas; las contó y probó con otras variedades y se obtenían en una proporción 9:3:3:1 (9 plantas de semillas amarillas y lisas, 3 de semillas amarillas y rugosas, 3 de semillas verdes y lisas y una planta de semillas verdes y rugosas). Un aspecto no muy conocido de su vida fue que se dedicó durante los últimos 10 años de su vida a la apicultura . Mendel reconoce que las abejas resultaron un modelo de investigación frustrante. Es probable que el experimento realizado con abejas fuera guiado para confirmar la teoría de la herencia. Uno puede presumir que en 1854 Mendel discute en Silesia con los apicultores la hipótesis de Jan Dzierzon que enuncia que las reinas infértiles o los huevos que no son fecundados por esperma de los machos producen zánganos , produciéndose reproducción sexual en las hembras y reproducción asexual en los machos o zánganos. A este proceso Jan Dzierzon lo denominó partenogénesis . La teoría de Dzierzon fue confirmada por hibridación , si bien el cruce de abejas es difícil, pues durante el vuelo nupcial de la reina no debe haber zánganos extraños. Por ello, Mendel construyó una jaula de tejido de cuatro metros de largo y cuatro de alto, situando la colmena en el exterior de ella, para lograr el objetivo deseado que era realizar los cruces necesarios para lograr los híbridos de diferentes razas de abejas . Pero la teoría de Dzierzon no se confirmó en vida de Mendel. Seguramente lo que Mendel pretendía era probar la segregación de caracteres genéticos. El director de la Sociedad de Apicultura de Brünn (Brno), Ziwansky, proveyó diferentes razas de abejas de la especie Apis mellifera : italianas ( Apis mellifera ligustica ), carniolas ( Apis mellifera carnica ), egipcias y chipriotas , que los apicultores locales reproducían. Las chipriotas fueron obtenidas directamente de Chipre por el conde Kolowrat. Algunas de las abejas con diferencias de colores fueron obtenidas de Pernambuco (estado) (Brasil), incluidos algunos especímenes de Sudamérica. Estos fueron enviados por el profesor Macowsky a Mendel y eran abejas de la especie Trigona lineata , melipónidos o abejas sin aguijón , criadas durante dos años sucesivos. Mendel fue un activo miembro de la Sociedad de Apicultura de Brünn ( Brno ) y en 1871 fue nombrado presidente de la misma. Entre el 12 y el 14 de septiembre de 1871, Mendel y Ziwansky fueron delegados por la Asociación de Apicultura de Brünn (Brno) al Congreso de Apicultura en lengua germana a desarrollarse en Kiel . En 1873 Mendel declinó la presidencia y en 1874 fue reelecto, pero por circunstancias personales privadas indicó que le resultaba imposible ocupar el cargo. En 1877 se afirma, en Honigbienen (la revista de la Asociación), que el prelado de las abejas poseía 36 colmenas . Pero en realidad el interés biológico de Mendel residía en la relación que tienen las abejas con las flores.
- Microarray technologies; three approaches to microarray manufacturing are depicted. ( a) Photolithography: a glass wafer modified with photolabile protecting groups (X) is selectively activated for DNA synthesis by shining light through a photomask (M1). The wafer is then flooded with a photoprotected DNA base (A–X), resulting in spatially defined coupling on the chip surface. A second photomask (M2) is used to deprotect defined regions of the wafer. Repeated deprotection and coupling cycles enable the preparation of high-density oligonucleotide microarrays. ( b) Mechanical microspotting: a biochemical sample is loaded into a spotting pin by capillary action, and a small volume is transferred to a solid surface by physical contact between the pin and the solid substrate. After the first spotting cycle, the pin is washed and a second sample is loaded and deposited to an adjacent address. Robotic control systems and multiplexed printheads allow automated microarray fabrication. ( c) Ink jetting: a biochemical sample is loaded into a miniature nozzle equipped with a piezoelectric fitting (rectangles) and an electrical current is used to expel a precise amount of liquid from the jet onto the substrate. After the first jetting step, the jet is washed and a second sample is loaded and deposited to an adjacent address. A repeated series of cycles with multiple jets enables rapid microarray production. Text: Mechanical microspotting A second robust set of technologies are the mechanical microspotting approaches, an original version of which was developed by Shalon and Brown2,16 and later commercialized at Synteni (Fremont, CA, USA). Microspotting, a miniaturized version of earlier DNAspotting techniques10, encompasses a family of related deposition technologies that enable automated microarray production by printing small quantities of premade biochemical substances onto solid surfaces (Fig. 2b). Printing is accomplished by direct surface contact between the printing substrate and a delivery mechanism that contains an array of tweezers, pins or capillaries that serve to transfer the biochemical samples to the surface (Fig. 2b). Some of the advantages of the microspotting technologies include ease of prototyping and therefore rapid implementation, low cost and versatility. One disadvantage of microspotting is that each sample must be synthesized, purified and stored prior to microarray fabrication. The microspotted microarrays currently manufactured at Synteni contain as many as 10 000 groups of cDNAs in an area of ~3.6 cm2; each cDNA feature permits the expression monitoring of its cognate human gene. A set of four Synteni microarrays should thus allow the expression monitoring of ~40 000 human genes, the number of unique expressed sequences currently in public databases. Although microspotting is unlikely ever to produce the densities of photolithography, improvements in mechanicalspotting technologies will eventually allow the automated production of chips containing 100 000 features in an area of ~6.5 cm2. Because of the ease of use and affordability, microspotting may become the microarray technology of choice for the basic research laboratory. Ink jets A third group of microarray technologies, the ‘dropon- demand’ delivery approaches, provide another way to manufacture microarrays (Fig. 2c). The most advanced of these approaches are adaptations of the inkjetting technologies18–21, which utilize piezoeletric and other forms of propulsion to transfer biochemical substances from miniature nozzles to solid surfaces (Fig. 2c). Similar to the microspotting approaches, drop-on-demand technologies allow high-density gridding of virtually any biomolecule of interest, including cDNAs, genomic DNAs, antibodies and small molecules. Ink-jetting technology is being developed at several centres including Incyte Pharmaceuticals (Palo Alto, CA, USA) and Protogene (Palo Alto, CA, USA). Although ink jetting is not currently as robust as photolithography or microspotting, this approach has been used to prepare microarrays of single cDNAs at a density of 10 000 spots cm22. Because ink jetting does not require direct surface contact, piezoelectric delivery is theoretically amenable to very high throughput. Improvements in sample loading and sample changing should, coupled with the inherent high-density capabilities of this approach, eventually enable the manufacture of complex microarrays. Piezoelectric-based delivery of phosphoramidite reagents has recently been used for the manufacture of high-density oligonucleotide microarrays21. The successful application of ink jetting in a gene-expression setting (Fig. 3) demonstrates the immediate utility of this technology for genome analysis.
- From next generation DNA sequencing. Primera generación , Sanger (1977) secuenciación utilizada para garndes regiones “shotgun sequencing) DNA fragmentado, clonaje, transformación, target resequencing por secuenciación directa (explicar secuenciaciòn directa) B secuenciación de segunda generación. 4 Métodos. Secuenciación de arreglo cíclico: Secuenciación de un arreglo de Adn por ciclos alternativos de manipulación enzimática y obtencion de datos basados en imágenes. Figure 1 Work flow of conventional versus second-generation sequencing. (a) With high-throughput shotgun Sanger sequencing, genomic DNA is fragmented, then cloned to a plasmid vector and used to transform E. coli. For each sequencing reaction, a single bacterial colony is picked and plasmid DNA isolated. Each cycle sequencing reaction takes place within a microliter-scale volume, generating a ladder of ddNTP-terminated, dye-labeled products, which are subjected to high-resolution electrophoretic separation within one of 96 or 384 capillaries in one run of a sequencing instrument. As fluorescently labeled fragments of discrete sizes pass a detector, the four-channel emission spectrum is used to generate a sequencing trace. ( b) In shotgun sequencing with cyclic-array methods, common adaptors are ligated to fragmented genomic DNA, which is then subjected to one of several protocols that results in an array of millions of spatially immobilized PCR colonies or ‘polonies’15. Each polony consists of many copies of a single shotgun library fragment. As all polonies are tethered to a planar array, a single microliter-scale reagent volume (e.g., for primer hybridization and then for enzymatic extension reactions) can be applied to manipulate all array features in parallel. Similarly, imaging-based detection of fluorescent labels incorporated with each extension can be used to acquire sequencing data on all features in parallel. Successive iterations of enzymatic interrogation and imaging are used to build up a contiguous sequencing read for each array feature. Secuenciación de arreglo cíclico: secuenciación de un arreglo de ADN por ciclos alternativos de manipulación enzimática y la obtención de datos basados en imágenes. Ver etapas luego: librería (enrichment) etc…
- From next generation DNA sequencing Figure 2 Clonal amplification of sequencing features. (a) The 454, the Polonator and SOLiD platforms rely on emulsion PCR20 to amplify clonal sequencing features. In brief, an in vitro–constructed adaptorflanked shotgun library (shown as gold and turquoise adaptors flanking unique inserts) is PCR amplified (that is, multi-template PCR, not multiplex PCR, as only a single primer pair is used, corresponding to the gold and turquoise adaptors) in the context of a water-in-oil emulsion. One of the PCR primers is tethered to the surface (5′-attached) of micron-scale beads that are also included in the reaction. A low template concentration results in most bead-containing compartments having either zero or one template molecule present. In productive emulsion compartments (where both a bead and template molecule is present), PCR amplicons are captured to the surface of the bead. After breaking the emulsion, beads bearing amplification products can be selectively enriched. Each clonally amplified bead will bear on its surface PCR products corresponding to amplification of a single molecule from the template library. ( b) The Solexa technology relies on bridge PCR21,22 (aka ‘cluster PCR’) to amplify clonal sequencing features. In brief, an in vitro–constructed adaptor-flanked shotgun library is PCR amplified, but both primers densely coat the surface of a solid substrate, attached at their 5′ ends by a flexible linker. As a consequence, amplification products originating from any given member of the template library remain locally tethered near the point of origin. At the conclusion of the PCR, each clonal cluster contains ~1,000 copies of a single member of the template library. Accurate measurement of the concentration of the template library is critical to maximize the cluster density
- From Applications of next-generation sequencing technologies in functional genomics Fig. 1. Sequence census approach. In the sequence census approach used in next-generation sequencing, short reads are mapped to the template molecule to provide three types of information. Sequence data are used to reveal sequence polymorphisms in the template, e.g., a SNP (red and yellow), the abundance of reads is used as a quantitative measure of the abundance of the template, and the particular areas of the template covered by reads reveal the internal structure of the template, e.g., the presence of exons and introns. text The read lengths currently achievable by 454 technology are approaching 300 bp (Roche Applied Sciences), yet are still shorter than the 700–900 bp achieved by Sanger sequencing. The Illumina and ABI/ SOLiD instruments generate even shorter ∼35-bp reads. The large numbers of short reads produced by next-generation sequencers provide opportunities for the development of new applications that benefit from the particular data format. For instance, next-generation technologies have been widely applied in contexts whereby sequencing of only a portion of the molecule is sufficient (referred to as sequence census applications [27]). The sequence census approach (Fig. 1) uses short reads (or “tags”) to assign the site of origin of the read instead of determining the entire sequence of the original DNA molecule. By mapping the sequence read to its molecule of origin, the presence of the molecule is established. Significantly, the number of reads that map to a particular nucleic acid species correlates with the abundance of the species in the cell [28–30]. The sequence census approach is conceptually similar to the serial analysis of gene expression (SAGE) method initially developed with Sanger sequencing [31]. In SAGE, the abundance of a particular mRNA species is estimated from the count of sequence fragments (tags) derived from its 3′ end [31]. Since the advent of next-generation sequencers that reduce the cost ----------------------- Fig abajo from BFAST: An Alignment Tool for Large Scale Genome Resequencing Evaluation of alignment algorithms from simulated 50 base pair reads. 10,000 50 bp reads each fitting to different read classes were aligned using indicated algorithms back to the human genome. Sensitivity is defined as the percent of all reads that were mapped correctly and is plotted on the y-axis in panels A, C, and E. The percentage of reads that are mapped to an incorrect location are plotted on the y axis in panels B, D, and F. The x-axis of panels A and B maps the number of sequence differences in the reads relative to the consensus genome. The x-axis plots the length of a contiguous deletion in panels C and D, and the length of a contiguous insertion in panels E and F. The alignment method is indicated as colored lines per the key within the first figure panel. Text We first consider the relative sensitivity and accuracy of read mapping with variable numbers of mismatches to consensus (Figure 3A and 3B). The ability to map reads with no errors is relatively trivial and differs between methods due mainly to the upper limit on the number CALs generated before a read is ignored as well as the stringency of post-alignment filters. As expected from the design of the algorithm, BFAST has substantially better sensitivity than the other methods when considering combinations of single base errors. The relative improvement in sensitivity of BFAST is demonstrated for the mapping of 50 bp reads with 3 or more mismatches to the consensus genome. For instance, BFAST is able to align 50 mer reads with 5 errors to the human genome with 80% sensitivity and under 1% mismapping rate without the use of paired end data far exceeding other implemented mapping algorithms. The dominant error mode for the most massively parallel sequencers is single base miscalls. Thus, BFAST permits a larger fraction of reads with errors to be correctly aligned. Further, in some biological contexts, even in the absence of machine errors, BFAST would improve correct variant detection (such as highly polymorphic locations of the human genome like at the HLA locus).
- From: Advances in understanding cancer genomes through second-generation sequencing Types of genome alterations that can be detected by second-generation sequencing. Sequenced fragments are depicted as bars with coloured tips representing the sequenced ends and the unsequenced portion of the fragment in grey. Reads are aligned to the reference genome (for example, mostly chromosome 1 in this example). The colours of the sequenced ends show where they align to. Different types of genomic alterations can be detected, from left to right: point mutations (in this example A to C) and small insertions and deletions (indels) (in this example a deletion shown by a dashed line) are detected by identifying multiple reads that show non-reference sequence; changes in sequencing depth (relative to a normal control) are used to identify copy number changes (shaded boxes represent absent or decreased reads in the tumour sample); paired-ends that map to different genomic loci (in this case, chromosome 5) are evidence of rearrangements; and sequences that map to non-human sequences are evidence for the potential presence of genomic material from pathogens. Text Detecting classes of genome alterations In contrast to previously available genome technologies, such as first-generation sequencing and array-based methods, second-generation sequencing methods can provide a comprehensive picture of the cancer genome by detecting each of the major alterations in the cancer genome (FIG. 3). Here we describe the analysis of each type of alteration briefly. AND more, read….text
- From next generation sequencing
- From How to map billions of short reads onto genomes
- Each cell indicates the number of genes with nonsynonymous (NS) variants, splice acceptor and donor site mutations (SS) and coding indels (I). Filtering either by requiring the presence of NS/SS/I variants in siblings (kindred 1 (A+B)) or of multiple unrelated individuals (columns) or by excluding annotated variants (rows) identifies 26 and 8 candidate genes under a dominant model and only a single candidate gene, DHODH, under a recessive model (light gray cells). Exclusion of mutations predicted to be benign using PolyPhen (row 5) increases sensitivity under a dominant model but excludes DHODH under a recessive model because a variant in kindred 1 is predicted to be benign. A single candidate gene is identified in kindred 1 under a recessive model and excluding benign mutations (dark gray cell), but this candidate is excluded in comparisons with unrelated cases of Miller syndrome. Mutations in this candidate, DNAH5, were found to cause a primary ciliary dyskinesia in kindred 1. The asterisk indicates that a second gene, CDC27, was also identified as a candidate gene, but this is due to the presence of multiple copies of a processed pseudogene that recurrently gave rise to a false positive signal in exome analyses. -------------------------------------- Figure 2 Genomic structure of the exons encoding the open reading frame of DHODH. DHODH is composed of nine exons that encode untranslated regions (UTR) (orange) and protein coding sequence (blue). Arrows indicate the locations of 11 different mutations found in 6 families with Miller syndrome.
- From: What would you do if you could sequence everything? Figure 2 Relative sample and data throughputs for different nucleic acid detection and sequencing technologies. A rough estimate of the number of samples that can be run on a single instrument in one week with the resultant data points is shown on a logarithmic scale for different technologies. This is intended for comparative scale and is not exact. Figure 1 The number of publications with keywords for nucleic acid detection and sequencing technologies. PubMed (http://www. ncbi.nlm.nih.gov/sites/entrez) was searched in two-year increments for key words and the number of hits plotted over time. For 2007–2008, results from January 1–March 31, 2008 were multiplied by four and added to those for 2007. Key words used were those listed in the legend except for new sequencing technologies (‘next-generation sequencing’ or ‘ high-throughput sequencing’), ChIP (‘chromatin immunoprecipitation’ or ‘ChIP-Chip’ or ‘ChIPPCR’ or ‘ChIP-Seq’), qPCR (TaqMan or qPCR or ‘real-time PCR’) and SNP analysis (SNPs or ‘single-nucleotide polymorphisms’ and not nitroprusside (nitroprusside is excluded because sodium nitroprusside is sometimes abbreviated as ‘ SNP’ but is generally unrelated to genetics)).
- From thesis internet Fisher FROM Sequencing technologies the next generation Figure 1 | template immobilization strategies. In emulsion PCR (emPCR) (a), a reaction mixture consisting of an oil–aqueous emulsion is created to encapsulate bead–DNA complexes into single aqueous droplets. PCR amplification is performed within these droplets to create beads containing several thousand copies of the same template sequence. EmPCR beads can be chemically attached to a glass slide or deposited into PicoTiterPlate wells (fIG. 3c). Solid-phase amplification ( b) is composed of two basic steps: initial priming and extending of the single-stranded, single-molecule template, and bridge amplification of the immobilized template with immediately adjacent primers to form clusters. Three approaches are shown for immobilizing single-molecule templates to a solid support: immobilization by a primer ( c); immobilization by a template (d); and immobilization of a polymerase (e). dNTP, 2′-deoxyribonucleoside triphosphate.
- From: Figure 3 | strategies for identifying disease-causing variants. Two discovery strategies using next-generation sequencing are likely to be of particular importance while sequencing costs remain high: sequencing in families with multiple affected individuals ( a; shaded individuals are affected), and sequencing individuals at one or both ends of a trait distribution ( b; the size of the individual represents the severity of the phenotype). In the case of family-based sequencing, it may often prove economical to first sequence the most distantly related co-affected individuals. Under either scenario, it is likely that follow-up genotyping in additional families or cohorts will be of particular importance to confirm the role of candidate variants. Red stars represent the causal variant. In a, stars of other colours represent variants that are shared by the sequenced individuals and do not segregate in the family. Text: until complete genomic sequencing is inexpensive enough to use in the large sample sizes that would be needed to perform whole-genome association studies with no a priori weighting of putative functional variants, two designs are likely to be the primary engines of discovery. The first design involves selecting families that have multiple affected individuals (family-based sequencing), and the second approach involves selecting individuals that are at the extreme ends of a trait distribution (extreme-trait designs) (fIG. 3). extremetrait designs will be particularly important for identifying variants that are rare but not private and that have modest to high effect sizes. Sequencing affected individuals in families. under this design, a family with multiple individuals affected with a common disease would be selected. One economical design could involve the initial sequencing of the most distantly related, co-affected family members and the identification of overlapping variants, as the more distantly related the co-affected individuals, the fewer genetic variants they will share. However, even distant relatives will share too many variants to allow easy identification of the causal variants, even when relatives share the same rare causal variants (which will not always be the case). The list of variants will therefore need to be further screened by function, zygosity, population frequency and/or the type of gene affected to focus on the most likely candidates. Promising variants would then be checked for co-segregation in the family. However, for most common diseases, the evidence emerging from cosegregation analyses will not be sufficient to distinguish among a large set of candidate pathogenic variants. For example, consider a pedigree involving 16 individuals who are affected with bipolar disorder and 35 who are unaffected67; the probability of co-segregation by chance would be 0.0003. This statistic means that co-segregation analysis would be a possible approach for prioritizing among a small set of key functional variants, such as protein-truncating variants, but would be insufficient for distinguishing among more general classes, such as all coding variants, let alone all identified variants. With such a small discovery sample size, the successful narrowing down of possible causal variants will be heavily dependent on the causal variant being rare or private and of obvious functional consequence. Most likely, the discovery paradigm will require combining co-segregation evidence with evidence from additional families and association evidence that is based on the typing of candidate variants in large case–control cohorts. The development of appropriate test statistics that combine these different lines of evidence is a current priority for the field. This suggests that modest linkage evidence may be a promising way to narrow down the region (and variants) of interest. For example, Sobreira et al. discovered the cause of metachondromatosis, a dominant Mendelian disease with incomplete penetrance, by first running a linkage analysis on a small pedigree with DNA for only 12 family members68. The analysis implicated six regions, with logarithm of the odds (lOD) scores of 2.5, 1.8 and 1.07, that comprised a total of 42 Mb. The authors then sequenced the entire genome of one affected patient from this pedigree and eight unrelated controls, and focused analysis on private, good-quality variants with functional consequences for protein-coding genes in the 42 linked megabases. This allowed them to identify the causative protein-truncating variant, which was found in a linkage peak with the second-highest lOD score; this variant was confirmed by locating a similar variant in a second, unrelated family with the disease. Although these results are for a Mendelian disease, and similar studies for common diseases are unlikely to be this simple, they show that a combination of weak linkage evidence and functional prioritization can be used to identify the causative variant by sequencing only one patient genome. Extreme-trait sequencing. A basic extreme-trait design would be to sequence a small, carefully selected population at one or both ends of the extremes of a phenotype (this idea has been discussed previously69 and an exploration of power in this context is available70). Obvious examples include individuals who are known to be highly exposed to HIV but remain uninfected or individuals at the extremes of the distributions for blood pressure. Because variants that contribute to the trait will be enriched in frequency in such a population, even small sample sizes may suggest many candidate variants that can then be genotyped for confirmation in a much larger group of samples. Consider a case in which a variant is enriched 30-fold in such an extreme population, as with hypersensitivity to abacavir. If this variant were rare in the general population, say with a MAF of 0.1%, one would need to sequence about 30 extreme individuals to see it once. Although identifying enrichment for this particular variant would probably involve the sequencing of at least 100 extreme individuals, this would not be the case if multiple rare variants in the same gene affect the phenotype. Searching for genes with an enrichment of rare variants in extreme individuals will implicate this gene even at a low number of sequenced genomes, although again this will be heavily dependent on the variants being of obvious function. Although currently the only examples of the identification of causal variants by whole-genome or whole-exome sequencing come from Mendelian diseases, Ng et al.64,66 used this technique to identify genes that were enriched for rare variants in a very small number of cases versus controls: the same variant did not need to be present in all cases. For the follow-up of variants identified in extreme-trait sequencing, family members of the extreme individuals will be invaluable for confirming potentially causal variants through co-segregation analysis. This strategy will be an effective complement to extreme-trait sequencing in nearly every situation in which family members who show variability in the trait are available for such a follow-up. These two strategies will be some of the most effective methods for using whole-genome sequence data from a small number of individuals. It seems likely that for many diseases that affect only a small proportion of the population (for example, schizophrenia, epilepsy and amyotrophic lateral sclerosis), both designs will be used and will complement one another. However, such studies will also face many challenges. The success of familybased sequencing will depend on the rarity of causal variants in the population at large, and the genetic bases of conditions that affect a relatively small proportion of the population are likely to be more easily identified than conditions, such as type 2 diabetes, that affect a much higher proportion of the population. In the case of such common diseases, even families that carry relatively high impact rare variants will show imperfect co-segregation, and the enrichment of specific causal variants among affected, unrelated individuals will be much lower. For extreme-trait sequencing, accurate phenotyping will be of vital importance; as only a small number of individuals will be sequenced, the inclusion of even a small proportion of misclassified individuals because of factors such as measurement error could affect the analysis. At small sample sizes, both methods will also depend on the causal variants being of obvious functional consequence. Furthermore, the accurate calling of variants and sufficient coverage to identify the presence of causal variants in all individuals will be crucial. Finally, the sheer number of rare and private variants that will be identified will make identification of the causal variants difficult; this problem will be
- From: Exome sequencing makes medical genomics a reality Figure 1 Exome sequencing and filtering strategy. In Ng et al.3, the list of variants from the exome sequences of four individuals with Miller syndrome was first screened to select for genes found to have two nonsynonymous, splice site or indel sequence variants in each of the individuals. This list was then compared to the exome sequences of eight healthy controls2 and dbSNP to exclude common variation and combined with a filtering strategy used to narrow the list of likely candidate genes underlying this rare disorder.
- Figure 2. Direct identification of the causal gene for a monogenic disorder by exome sequencing Boxes list the number of genes with 1+ nonsynonymous cSNP, splice-site SNP, or coding indel (“NS/SS/I”) meeting specified filters. Columns show the effect of requiring that 1+ NS/SS/I variants be observed in each of 1 to 4 affected individuals. Rows show the effect of excluding from consideration variants found in dbSNP, the 8 HapMap exomes, or both. Column 5 models limited genetic heterogeneity or data incompleteness by relaxing criteria such that variants need only be observed in any 3 of 4 exomes for a gene to qualify. Ng et al. Page 13 Nature. Author
- FROM Sequencing technologies the next generation Figure 2 | Four-colour and one-colour cyclic reversible termination methods. a | The four-colour cyclic reversible termination (CRT) method uses Illumina/Solexa’s 3′- O-azidomethyl reversible terminator chemistry23,101 (BOX 1) using solid-phase-amplified template clusters (fIG. 1b, shown as single templates for illustrative purposes). Following imaging, a cleavage step removes the fluorescent dyes and regenerates the 3′-OH group using the reducing agent tris(2-carboxyethyl)phosphine (TCEP)23. b | The four-colour images highlight the sequencing data from two clonally amplified templates. c | Unlike Illumina/Solexa’s terminators, the Helicos Virtual Terminators33 are labelled with the same dye and dispensed individually in a predetermined order, analogous to a single-nucleotide addition method. Following total internal reflection fluorescence imaging, a cleavage step removes the fluorescent dye and inhibitory groups using TCEP to permit the addition of the next Cy5-2′-deoxyribonucleoside triphosphate (dNTP) analogue. The free sulphhydryl groups are then capped with iodoacetamide before the next nucleotide addition33 (step not shown). One-base-encoded probe d | The one-colour images highlight the sequencing data from two single-molecule templates.
- Après la chute de l'Empire romain, les idées évolutionnistes continuèrent à être exposées par les savants et philosophes musulmans au Moyen Âge durant l'âge d'or de la civilisation islamique, alors que les théories anciennes de l'évolution et de la sélection naturelle [réf. nécessaire] étaient largement enseignés dans écoles islamiques 15 , 16 . Le savant, historien et philosophe John William Draper a parlé au XIX e siècle de la théorie mahométane de l'évolution 17 . Le premier naturaliste et philosophe musulman à développer une théorie de l'évolution fut le zoologiste Al-Jahiz (776-868) au IX e siècle 18 , 19 . Dans son Livre des Animaux , il dresse une anthologie animalière où est évoquée une évolution articulée selon trois mécanismes principaux : la lutte pour l’existence, la transformation d’espèces vivantes et l’influence de l’environnement naturel 20 . Il marque ainsi l’unité de la nature et les rapports entre divers groupes d’êtres vivants. À sa suite, pendant le X e siècle, plusieurs penseurs musulmans reprennent ses idées sur l'évolution des êtres vivants, comme Ali ibn Abbas al-Majusi ou Nasir ad-Din at-Tusi . Selon Sigrid Hunke (1913-1999), Ali ibn Abbas al-Majusi (?-982 ou 994) a expliqué l'origine des espèces par la voie de la sélection naturelle neuf siècles avant Darwin 21 . D'après Réda Benkirane, cette pensée naturaliste décrivant une évolution globale impliquant le minéral, le végétal et l’animal se retrouve entre autres chez le philosophe et historien iranien Ibn Miskawayh (932-1030) 22 Au X e siècle, les Frères de la pureté ( Ikhwan al-Safa ) décrivent dans une section de l' Épître des frères de la pureté la création des mondes et l'évolution par strates de la vie avec des détails qui auraient impressionné Darwin 23 . On y trouve l'idée d'évolution à partir de la matière, laquelle se transforme en vapeur, puis en eau, en minéraux, en plantes, en animaux, en singes et enfin en hommes 24 , 25 . Ainsi les groupes d’êtres parcourent dans l’engendrement de leurs formes définitives une évolution qui va du simple au complexe, passant par les quatre éléments (feu, terre, air, eau), les quatre natures (chaud, froid, sec, humide) et leurs combinaisons poursuivent encore la différenciation en règnes minéral, végétal et animal et précisent indéfiniment la spéciation du vivant 22 . L'épitre explique comment se déroule la manifestation par couches successives, ou stratifiées à partir du royaume minéral. Selon lui les entités minérales les plus développées vivent plus bas dans le royaume minéral jusqu'à ses plus hautes strates pour se mélanger imperceptiblement dans la strate supérieure du règne végétal. Il explique aussi l'existence de contacts entre les règnes animal et végétal ; et jusqu'au plus haut niveau du règne animal, dont le point culminant serait l'Homme. Les plus évolués seraient les hommes placés dans les hautes sphères, debout entre les anges et les animaux, pour servir sur la Terre comme lieutenants de Dieu. Par la suite, Nasir ad-Din at-Tusi (1201-1274) suggère la sélection des meilleurs et l'adaptation des espèces pour l'évolution environ six siècles avant Charles Darwin . Il utilise pour expliquer les transformations des espèces, le mot takâmul , qui signifie en arabe « perfectionnement ». Selon Tusi, ce sont les transformations de l'environnement qui poussent les espèces à évoluer ; ainsi ce seraient les espèces dont les individus sont les plus diversifiés en formes qui s'adapteraient le mieux aux changements. Tusi écrira ainsi : « "...l'équilibre (originel) a été endommagé, et les contrastes essentiels ont commencé à apparaitre à l'intérieur de ce monde très tôt. Par conséquent, quelques substances ont commencé à se développer plus rapidement et à s'améliorer plus que les autres." » et encore : « "Les organismes qui peuvent gagner les nouveaux dispositifs plus rapidement sont plus variables. En conséquence, elles gagnent des avantages par rapport à d'autres créatures." 26 » Farid Alakbarov étudie en détail ce domaine dans son livre intitulé : Nasiraddin Tusinin takamul gorushlari 27 . Enfin, l’historien maghrébin Ibn Khaldoun (1338-1405) recourt aux notions d’ordre, de structure, de plan, de rapports entre les êtres et des permutations réciproques, de progrès graduel de la création et de continuum des êtres vivants. Il suggère également la transformation progressive et organisée du minéral vers le végétal, l'animal, le singe et finalement l'Homme 28 . Il écrit ainsi que : « "le plan humain est atteint à partir du monde des singes ( qirada )." 28 » Si ces écrits n'ont pas fait condamner leurs auteurs par les autorités islamiques 29 , ils n'ont eu cependant que peu d'écho.