ANALISIS FILOGENETICO CON DATOS MOLECULARES

Curso optativo en el Posgrado de Ciencias Biológicas

Semestre 2008-1

1. Profesores:

Dra. Susana Magallón Puebla, Departamento de Botánica, Instituto de Biología, 3er Circuito de Ciudad Universitaria, Del. Coyoacán, México D.F. 04510. Tel. 5622-9087, s.magallon@ibiologia.unam.mx.

Dr. David Gernandt, Departamento de Botánica, Instituto de Biología, 3er Circuito de Ciudad Universitaria, Del. Coyoacán, México D.F. 04510. Tel. 5622-9080, dgernandt@ibiologia.unam.mx.

M. en C. Laura M. Márquez Valdelamar, Laboratorio de Biología Molecular, Instituto de Biología, 3er Circuito de Ciudad Universitaria, Del. Coyoacán, México D.F. 04510. Tel. 5622-9073, lmarquez@ibiologia.unam.mx.

2. Tìtulo: Análisis Filogenético con Datos Moleculares. Curso orientado a estudiantes de Sistemática, pero lo pueden cursar estudiantes de otras orientaciones del posgrado.

3. Requisitos:

Para la sección de laboratorio: Estar desarrollando un proyecto de investigación que incluya el análisis de secuencias de DNA o haber definido el grupo de estudio, identificado el marcador molecular y contar con los iniciadores (oligos o primers) que utilizará. NUMERO MAXIMO DE ESTUDIANTES: 10.

Para la sección de análisis: Haber aprobado Sistemática I, o tener conocimientos equivalentes. Tener acceso a equipo de cómputo y programas para obtención, edición y alineamiento de secuencias moleculares, y realización de análisis filogenéticos. La mayoría de los programas que se utilizarán en clase son de distribución gratuita. NUMERO MAXIMO DE ESTUDIANTES INSCRITOS: 12.

4. Número de sesiones y horas/semana: 96 horas en 32 sesiones durante 16 semanas (6 horas por semana; El primer mes diario de 10:00 a 14:00 en el Laboratorio).

5. Horario:

Agosto 15 a Septiembre 10: Sección de Laboratorio: Diariamente.

Septiembre 12 a Noviembre 28: Sección de Análisis: Lunes y Miércoles, de 10:00 a 13:00 hrs.

PRESENTACION DEL CURSO: Lunes 13 de Agosto, 10:00 hrs., Aula 1 de Posgrado, Instituto de Biología.

6. Lugar: Instituto de Biología, UNAM. Sesiones de laboratorio: Laboratorio de Biología molecular (1er piso, Edificio B). Sesiones de análisis: Aula 1 y Sala de Cómputo de Posgrado (Planta Baja, Edificio C).

7. Características específicas de las aulas requeridas:

(1) Laboratorio de Biología Molecular, incluyendo equipo para extracción, amplificación y secuenciación de DNA (pipetas, cámara de geles, centrífugas, congeladores, termociclador, secuenciador, etc).

(2) Sala de cómputo: Pizarrón para impartición de sesiones de teoría; computadoras para que los estudiantes apliquen las técnicas de alineamiento y análisis filogenético. Aunque la mayoría de los programas que se utilizarán son de distribución gratuita, será necesario que las computadoras tengan instalado PAUP* y MacClade.

8. Programa del curso:

Objetivos: Que los alumnos manejen los principales métodos de laboratorio y técnicas de análisis para obtener hipótesis filogenéticas con base en secuencias moleculares.

Descripción General: El curso incluye una Sección de Laboratorio, en la que se impartirá la teoría y la práctica para la obtención de secuencias moleculares, y una Sección de Análisis, en la que se impartirán la teoría y el uso práctico de programas para el manejo y análisis filogenético de datos moleculares. En el curso se enfatizarán tanto fundamentos y conceptos teóricos, como la práctica en el laboratorio y en la computadora.

Temario de la Sección de Laboratorio: Esta sección es un curso intensivo teórico-práctico de laboratorio que abarcará desde la extracción de DNA de organismos, hasta la secuenciación molecular. Prof. Laura Márquez.

1. Seguridad en el laboratorio

2. Introducción

a. Estructura del DNA y RNA

                  b. Colecta y preservación de muestras

                  c. Preparación de buffers

                  d. Cálculo de concentraciones

3. Extracción

a. Técnicas con kits comerciales

b. Técnicas convencionales

c. Cuantificación de DNA

4. Electroforesis

a. Preparación de geles de agarosa

                  b. Electroforesis

5. Amplificación

                  a. Reactivos empleados en la reacción en cadena de la polimerasa (PCR)

                  b. Características de la termocicladora

6. Purificación de los amplificados

                  a. Técnicas convencionales

                  b. Técnicas con kits comerciales

7. Secuenciación

                  a. Técnica de Maxam-Gilbert

                  b. Técnica de Sanger

8. Otras técnicas moleculares

Temario de la Sección de Análisis:

Esta sección es un curso teórico-práctico sobre aspectos generales de la estimación filogenética utilizando secuencias moleculares. Incluye una revisión básica de las características y tipos de datos moleculares, las características y utilidad de diferentes criterios de optimización filogenética, así como el uso de softwares en cada uno de los pasos. Profs. David Gernandt y Susana Magallón.

1. Características básicas de los datos moleculares.

Teoría: El DNA en las células, genomas; genes codificantes y no codificantes; nucleótidos, codones y aminoácidos; tipos de substituciones: transiciones, transversiones, inserciones, deleciones; tasas de substitución relativas; posiciones del codón; incongruencia entre particiones moleculares; homología en datos moleculares; homología histórica.

Práctica: Del secuenciador a la base de datos: BIOEDIT, GENBANK, BLAST, archivos NEXUS y FASTA.

2. Edición de secuencias.

Práctica: ensamblaje de contigs y edición de secuencias con BIOEDIT

2. Alineación de secuencias.

Teoría: Homología posicional; gaps como datos faltantes o como quinto estado; técnicas de codificación de gaps.

Práctica: CLUSTALX, MUSCLE, MACCLADE.

3. Análisis filogenético con Parsimonia.

Teoría: Tipos de parsimonia, pesado de caracteres, atracción de ramas largas, medidas de apoyo: bootstrap e índice de Bremer.

Práctica: Parsimonia con PAUP*, bootstrap con PAUP*, índice de Bremer con AUTODECAY.

4. Análisis filogenético con Máxima Verosimilitud.

Teoría: Principios y definición; modelos; matrices Q, R y P; modelos de substitución molecular para nucleótidos, aminoácidos y codones; modelos para caracteres morfológicos; medidas de apoyo: bootstrap paramétrico.

Práctica: selección de modelo con MODELTEST, ML con PAUP*.

5. Análisis filogenético con Inferencia Bayesiana.

Teoría: Principios y definición; probabilidades posteriores; modelos particionados; cadenas de Markov; medidas de apoyo: Bayes vs. Bootstrap.

Práctica: Análisis con MRBAYES.

Calendario:

Semanas 1 a 4 (Agosto 13 a Septiembre 5): Sesiones intensivas de laboratorio.

Sección de análisis:

Invitado 1: Dra. Laura Tovar

Invitado 2: Dr. Tonatiuh Romero

Invitado 3: M. en C. Fabiola Ramírez

Invitado 4: Dra. Amanda Castillo Cobián

Invitado 5: Dra. Helga Ochoterena Booth

9. Trabajo de campo: No habrá trabajo de campo.

10. Bibliografía básica

Ausbel, A., R. Brent, R. E. Kingston, D. D. Moore, J. G. Seidman, J. A. Smith y K. Struhl. 1992. Current protocols in Molecular Biology. John Wiley and Sons, USA.

Brown, T. A. 1999 Genomes. John Wiley and Sons Inc. New York, USA.

Felsenstein, J. 2004. Inferring phylogenies. Sinauer Associates, Inc., Sunderland, MA. 664 pp.

Ferreira, M. E. y D. Grattapaglia. 1998. Introducción al uso de marcadores moleculares en el análisis genético. 1ª Ed. Brasilia, EMBRAPA-CENARGEN 220 pp.

Gerstein, A. S. 2001. Molecular Biology. Problem Solver. A laboratory guide. Wiley-Liss, USA.

Graham, C. A. y A. J. Hill. 2001. DNA Sequencing protocols. Humana Press, USA.

Hall, B. G. 2004. Phylogenetic trees made easy: a how-to manual. 2nd edition. Sinauer Associates, Inc. Sunderland, MA. 221 pp.

Hillis, D. M., C. Moritz y B. K. Mable. 1996. Molecular systematics, 2nd edition. Sinauer Associates, Inc., Sunderland, MA. 655 pp.

Innis, M. A., D. H. Gelfand, J. J. Sninsky y T. J. White. 1990. PCR Protocols. A guide to methods and applications. Academic Press, USA.

Karp, A., P. G. Isaac, y D. S. Ingram. 2001. Molecular tools for screening biodiversity. Kluwer Academic Publishers, London.

Micklos, D. A., G.A. Freyer y D. A. Crotty. 2003. DNA Science A first course 2nd Ed. Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor New York, USA 575 pp. (sección de laboratorio: 317-500)

NCBI web site: http://www.ncbi.nlm.nih.gov

Page, R. D. M. y E. C. Holmes. 1998. Molecular evolution: a phylogenetic approach. Blackwell Scientific, Ltd., Malden, MA. 346 pp.

Salemi, M. y A. -M. Vandamme (eds.) 2003. The phylogenetic handbook: a practical approach to DNA and protein phylogeny. Cambridge University Press, Cambridge. 406 pp.

Sambrook, J. y D. W. Russell. 2001. Molecular Cloning. A laboratory Manual 3a Ed. CSHL Press, USA

Watson, J.D., et al. 2004. Molecular biology of the gene. 5th edition. CSHL Press.

Soltis, D. E., P. S. Soltis, y J. J. Doyle. 1998. Molecular systematics of plants II: DNA sequencing. Kluwer Academic Publishers, Norwell, MA. 574 pp.

Tagu, D. y C. Moussard (Eds.) 2006. Techniques for Molecular Biology. Science Publishers, Enfield, New Hampshire, USA. 227 pp.

11. Método de enseñanza – aprendizaje: El curso consiste de una sección inicial de laboratorio, en la que se impartirá la teoría y práctica de la obtención de secuencias moleculares, y de una sección de análisis, en la que se impartirá la teoría y práctica de edición, alineamiento y análisis filogenético de datos moleculares. La primera parte consiste en trabajo intensivo en el Laboratorio de Biología Molecular del Instituto de Biología, y estará principalmente a cargo de la Profesora Laura Márquez. La segunda parte se impartirá en el Aula de Cómputo del Posgrado del IB, y consistirá en sesiones de teoría sobre diferentes técnicas y métodos de análisis, demostraciones del uso de programas de cómputo, y la realización de ejercicios prácticos. Se pretende que mediante la evaluación teórica y la realización práctica de técnicas de laboratorio y de análisis, los estudiantes obtengan los elementos necesarios para diseñar y completar adecuadamente un estudio filogenético, desde la generación de los datos moleculares, hasta el análisis crítico de los mismos. En este curso se dará énfasis no sólo a los aspectos teóricos que subyacen las técnicas de laboratorio y métodos de análisis, sino que está diseñado para que los estudiantes adquieran conocimiento y experiencia práctica tanto en el laboratorio como el en análisis y evaluación de filogenias resultantes.

12. Método de evaluación:

Exámenes:

(1) Teoría y práctica del laboratorio (25%)

(2) Teoría y práctica de técnicas de análisis (25%)

(3) Teoría y práctica de técnicas de análisis (25%)

Desarrollo y presentación de proyecto de investigación:

Cada estudiante desarrollará a lo largo del semestre un proyecto de investigación en el que aplicará las técnicas de laboratorio y de análisis estudiadas durante el semestre. Deberá incluir la generación, edición y alineamiento de secuencias moleculares, y análisis filogenético con parsimonia, máxima verosimilitud e inferencia Bayesiana. Este proyecto será presentado ante el grupo a final del semestre (25%).