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Genética letal y genética de poblaciones

Genética letal y genética de poblaciones


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En la población europea, aproximadamente 1 de cada 2500 personas padece fibrosis quística, una enfermedad autosómica determinada genéticamente (descarada). Los padres sanos tienen un hijo que sufre de fibrosis quística. La mujer se vuelve a casar con un hombre sano. ¿Cuál es la probabilidad de que un hijo de este segundo matrimonio sufra de fibrosis quística?

Mi intento

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Genética de la fibrosis quística

La fibrosis quística es causada por un alelo autosómico recesivo. Por tanto, sabemos que la frecuencia del alelo homocigoto recesivo es $ P_ {aa} = frac {1} {2500} $, donde $ a $ denota el alelo recesivo y $ A $ denota el alelo dominante.

Resolviendo el problema

La probabilidad de que el segundo hijo (de un segundo marido) tenga fibrosis quística es la probabilidad de que un segundo marido sea heterocigoto ($ P_ {aA} $) multiplicado por la probabilidad de que este padre transmita el alelo recesivo $ a $ ($ frac {1} {2} $) multiplicado por la probabilidad de que la madre transite por el alelo recesivo $ a $ ($ frac {1} {2} $, tenga en cuenta que sabemos que la madre es heterocigótica porque está sana pero ya tuvo un hijo que sufre de fibrosis quística).

Entonces la respuesta es $ p_ {Aa} frac {1} {2} frac {1} {2} = p_ {Aa} frac {1} {4} $, solo necesitamos calcular $ p_ {Aa} PS Sea $ x $ la frecuencia del alelo $ a $ recesivo, luego $ P_ {Aa} = 2 x (1-x) $ en el equilibrio de Hardy Weinberg. Como sabemos $ p_ {aa} = frac {1} {2500} = x ^ 2 $, resulta que $ x = sqrt { frac {1} {2500}} = frac {1} {50} = 0,02 $. Por lo tanto, $ p_ {Aa} = 2 x (1-x) = 0.0392 $. La respuesta final es $ p_ {Aa} frac {1} {4} = frac {0.0392} {4} = 0.0098 ≈ frac {1} {100} $.

Que hiciste mal

Estuviste bastante cerca de la respuesta correcta. En sus cálculos, multiplicó la frecuencia del alelo recesivo $ a $ (que llamé $ x $) por $ frac {1} {4} $ pero debería haber multiplicado la frecuencia de los genotipos heterocigotos (que llamé $ p_ { Aa} = 2 x (1-x) $) por $ frac {1} {4} $.


Identificación de genes embrionarios letales en humanos mediante mapeo de autocigosidad y secuenciación del exoma en familias consanguíneas.

La identificación de variantes genéticas que conducen a fenotipos discernibles es el núcleo de la genética mendeliana. Un enfoque que considere la letalidad embrionaria como un fenotipo mendeliano genuino tiene el potencial de revelar nuevas causas genéticas, lo que ampliará nuestra comprensión del desarrollo humano temprano a nivel molecular. Las familias consanguíneas en las que la letalidad embrionaria se segrega como un fenotipo mendeliano recesivo ofrecen una oportunidad única para el descubrimiento de nuevos genes de alto rendimiento, como se ha establecido para otros fenotipos posnatales recesivos.

Resultados

Hemos estudiado 24 familias elegibles mediante el mapeo de autozigosidad y la secuenciación del exoma completo. Además de revelar mutaciones en genes previamente vinculados a la letalidad embrionaria en casos graves, nuestro enfoque reveló siete nuevos genes candidatos (THSD1, PIGC, UBN1, MYOM1, DNAH14, GALNT14, y FZD6). Una mutación fundadora en uno de estos genes, THSD1, que se ha relacionado con la permeabilidad vascular, representó la letalidad embrionaria en tres de las familias del estudio. A diferencia de los otros seis genes candidatos, pudimos identificar una segunda mutación en THSD1 en una familia con un fenotipo menos severo que consiste en hidropesía fetal y edema postnatal persistente, lo que proporciona más apoyo al vínculo propuesto entre este gen y la letalidad embrionaria.

Conclusiones

Nuestro estudio representa un paso importante hacia el análisis sistemático de "genes letales embrionarios" en humanos.


Se revisó la estructura genética de la población natural de Raleigh de Drosophila melanogaster.

La población natural de Raleigh de Drosophila melanogaster se volvió a analizar con especial atención a los posibles efectos disgénicos durante la extracción de cromosomas. Se extrajeron aproximadamente 600 segundos cromosomas de la población natural de Raleigh, la mitad en el citoplasma de hembras capturadas en la naturaleza (antecedentes genéticos nativos) y la mitad en el citoplasma de la línea de laboratorio, C160 (In (2LR) SM1, Cy / In (2LR) bw (V1)) (antecedentes genéticos extraños). No pudimos encontrar diferencias significativas entre los dos esquemas de extracción en la frecuencia de los segundos cromosomas letales (Q = 0.252 para las líneas con el fondo genético negativo frente a 0.231 para las líneas con el fondo genético extraño) o en el homocigoto perjudicial (D) y cargas letales (L) (D = 0,210 frente a 0,251 L = 0,287 frente a 0,264). El tamaño efectivo de la población se estimó en aproximadamente 19.000, según la tasa de alelismo de los cromosomas letales. La carga homocigótica disminuyó notablemente en los 15 años transcurridos desde un estudio anterior de la misma población.


Materiales y métodos

Sitios de liberación y cría

Jacobina, en el estado de Bahía, Brasil, es una ciudad de tamaño moderado de

75.000 habitantes ubicados en las coordenadas 11 ° 10′51 ″ S, 40 ° 31′04 ″ W (Fig. 1). Jacobina está rodeada por varios kilómetros en todas direcciones por caatinga, un bioma ecológico seco en el que Ae. aegypti no puede reproducirse, lo que convierte a Jacobina en una isla para este mosquito.

Mapa de Jacobina. Las ovitrampas donde se recolectaron las muestras se indican con puntos de colores, codificados por vecindario. Los lanzamientos se realizaron en los barrios de Pedra Branca, Catuaba e Inocoop pero nunca en la zona Centro. © Colaboradores de OpenStreetMap.

La instalación de cría de la cepa de liberación se encuentra en la Biofabrica Moscamed Brasil en Juazeiro, a unos 200 kilómetros al norte de Jacobina. La crianza masiva y el sexado se describen en Harris et al. 7. Semanalmente, se transportaron pupas macho a Jacobina y se mantuvieron en una instalación local durante una semana para permitir la eclosión antes de la liberación, aproximadamente 450 mil machos OX513A fueron liberados cada semana a partir de junio de 2013 y continuaron hasta septiembre de 2015 6. Los estrenos se realizaron en los barrios Pedra Branca, Catuaba e Inocoop, pero nunca en el Centro. Se tomaron muestras de trampas de oviposición semanalmente en las localidades indicadas en la Fig. 1. Se incubaron los huevos y se registraron las frecuencias de larvas fluorescentes y de tipo salvaje ver Garzeira et al. 6 para obtener detalles de la proporción de fluorescentes y de tipo salvaje en cada momento. Las larvas de cuarto estadio de cada tipo se colocaron en

80% de etanol y traído a la Universidad de Yale de genotipado. Se pueden encontrar más datos sobre el efecto de las liberaciones en Jacobina en Graziera et al. 6 .

Análisis genéticos

Usamos un chip SNP Affymetrix desarrollado a medida para el genotipado 8. Se colocaron aproximadamente 200 ng de ADN genómico de mosquitos individuales en 95 pocillos de una placa de 96 pocillos, con un control de agua destilada. Las placas se enviaron al Núcleo de Genómica Funcional de la Universidad de Carolina del Norte, Chapel Hill, para la hibridación y producción de archivos de datos enviados a la Universidad de Yale. Usamos el paquete R SNPolisher v1.4 (Afffymetrix, Santa Clara, CA) para generar y procesar llamadas de genotipo. Mientras que el chip SNP contiene sondas para aproximadamente 27.000 SNP bialélicos bien validados que pasan pruebas de herencia mendeliana y genotipado & gt98% de todas las muestras 8, 21.770 eran polimórficas en nuestras muestras de Jacobina y genotipadas en & gt98% de todos los individuos.

Genotipamos muestras tomadas de Centro y una muestra combinada de Catuaba / Pedra Branca antes de que comenzaran las liberaciones. Luego, mientras continuaban las liberaciones, muestreamos todos los vecindarios seis, 12 y 27–30 meses después de que comenzaran las liberaciones. La última muestra a los 27-30 meses fue una muestra combinada de tres meses incluida después de que cesaron las emisiones a los 27 meses. Los tamaños de las muestras se encuentran en la Tabla 1. Excepto por la muestra final combinada de 27 a 30 meses, cada muestra analizada después de que comenzaron las liberaciones fue de trampas de huevos expuestas durante una sola semana y se tomaron muestras de larvas de al menos cinco trampas en cada vecindario. La posición de las trampas se mantuvo igual durante todo el estudio.

Para confirmar que nuestros análisis genéticos fueron precisos en la detección de híbridos, también genotipamos 57 larvas fluorescentes recolectadas seis meses después de las liberaciones que representan F1 descendencia entre la cepa de liberación y la población natural.

Analiza

Realizamos tres tipos de análisis. Primero, para confirmar que nuestro panel de SNPs podía discriminar entre la cepa de liberación OX513A y la población natural antes de la liberación, realizamos un Análisis de Componentes Principales (PCA) usando el paquete R en LEA 9. En segundo lugar, el paquete R "introgress" 10 se implementó designando a OX513A y Jacobina antes de su lanzamiento (vecindarios combinados Centro, Catuaba y Pedra Branca) como las dos poblaciones parentales. En tercer lugar, realizamos un análisis ADMIXTURE como se describe en 11 y se muestra en la Fig. 2C. Para este análisis, filtramos para excluir los SNP estrechamente vinculados utilizando la opción –indep de PLINK 12, lo que resultó en un panel de 14,252 SNP. Luego, se utilizó un análisis ANOVA seguido de una prueba de TukeyHSD post-hoc para probar las diferencias estadísticas (nivel de confianza 0,95) en los valores Q medios entre las poblaciones y, lo que es más importante, entre las poblaciones anteriores y posteriores a la liberación.

(A) Análisis de componentes principales (PCA) en la cepa de liberación OX513A y tres vecindarios Jacobina (Centro y Catuaba / Pedra Branca) antes de que comenzaran las liberaciones. (B) Índice híbrido (índice h) como se realizó en INTROGRESS 10. Un índice de 1.0 indica los individuos de OX513A "puros", 0.0 indica los individuos de pre-liberación de Jacobina "puros". Los individuos están organizados por vecindario indicado en la parte inferior de la figura, luego por fecha de recolección: antes del lanzamiento, 6, 12 o 27 a 30 meses después del lanzamiento. Los híbridos F1 verificados por fluorescencia se agrupan y etiquetan como F1. La línea discontinua horizontal representa el punto de corte (índice h = 0.02) la máxima pre-liberación observada. (C) ADMIXTURE 11 análisis de todos los genotipos individuales. La proporción de cada color para cada individuo representa la proporción de la ascendencia de ese individuo atribuible al grupo rojo (OX513A) o azul (pre-lanzamiento de Jacobina).

Infecciones por virus

La cepa del serotipo 2 del virus del dengue (DENV-2) probada se aisló durante una epidemia en Brasil en 2010 de un paciente en Santos, Brasil. La cepa, denominada ACS46 13, fue descrita en Cugola et al. 14 y fue amablemente proporcionada por el Instituto Evandro Chagas en Belém, Pará.

Los procedimientos de infección por mosquitos se describen en detalle en Cost-da-Silva et al. 15 . Brevemente, las hembras pre-apareadas de cinco a siete días de edad fueron alimentadas con sangre artificialmente usando un alimentador Glytube (22). Se mezclaron DENV-2 del noveno subcultivo (T9) o ZIKV BR del cuarto subcultivo (T4) con eritrocitos concentrados humanos y suero sanguíneo inactivado para alimentar a las hembras. Las concentraciones finales de DENV-2 y ZIKV BR en la solución de alimentación fueron 1,7 x 10 10 copias del genoma / ml y 2,2 x 10 6 unidades formadoras de placa (ufp) / ml, respectivamente.

Ensayos de virus

Las hembras ingurgitadas de las cepas ROCK, OX513A y Jacobina se separaron de los mosquitos no ingurgitados y se mantuvieron con sacarosa al 10%. Catorce días después de la ingesta de sangre (14 PBM), las hembras fueron CO2 anestesiado y mantenido en hielo. Los cuerpos individuales de los mosquitos se separaron de las cabezas y se congelaron por separado inmediatamente en hielo seco y se almacenaron a -80 ° C. El ARN total se extrajo usando QIAamp Viral RNA Mini Kit (Qiagen). Las copias genómicas de DENV-2 o ZIKV BR se midieron usando el método qRT-PCR de un solo paso como se describe en (22). Para generar la curva estándar de DENV-2, se amplificó un fragmento de 119 pb de la cepa ACS46 con cebadores 15 D1-TS2 y se clonó en el vector pCR2.1 (Invitrogen). Este plásmido se utilizó para estimar el número de copias de DENV para cada muestra. Las condiciones del termociclador para la amplificación de DENV-2 fueron 48 ° C durante 30 min y 95 ° C durante 10 min 45 ciclos de 95 ° C durante 30 segundos, 55 ° C durante 30 segundos y 60 ° C durante 30 segundos, y una curva de fusión paso de 95 ° C durante 1 min, 60 ° C durante 30 seg y 95 ° C durante 1 min, con un aumento de temperatura de 60 ° C a 95 ° C a 0,02 ° C / seg.

Se realizaron análisis estadísticos para evaluar diferencias significativas en los niveles virales (prueba de Kruskal-Wallis seguida de la prueba de comparación múltiple de Dunn) o las tasas de infección de cabezas o cuerpos (prueba exacta de Fisher) entre las tres cepas de mosquitos. El programa y los procedimientos para realizar los análisis se describieron previamente 15.


DISCUSIÓN

Los elementos genéticos parásitos o egoístas tienen atractivos claros como herramientas potenciales para la ingeniería genética y el control de poblaciones, ya que pueden propagarse a través de una población incluso si no aumentan la aptitud de los organismos que los portan; de hecho, pueden propagarse incluso si causan algún daño . Además, nuestra comprensión cada vez mayor de la base molecular de la pulsión significa que se está volviendo factible sintetizar elementos artificiales nosotros mismos (Han y Boeke 2004 Adelman et al. 2007 Chen et al. 2007). Este artículo es una investigación teórica de las condiciones bajo las cuales una clase de elemento genético parasitario, los HEG, podría ser útil para la ingeniería genética de poblaciones y, en particular, para aplicaciones para controlar plagas o vectores de enfermedades. El objetivo del trabajo presentado aquí es proporcionar una guía para diseñar constructos eficientes con la menor probabilidad de que surja resistencia.

Se consideran dos usos lógicamente diferentes de los HEG. En primer lugar, investigamos cómo podría utilizarse su capacidad intrínseca de localización. Un HEG podría diseñarse para apuntar a un gen esencial y, por lo tanto, imponer una carga genética en una población o en un vector para anular un gen que es esencial para la transmisión de enfermedades pero no esencial para el huésped. En segundo lugar, consideramos un HEG colocado en el cromosoma Y que reconoce y corta uno o más sitios del cromosoma X. Al reducir la competencia de los espermatozoides portadores de X, el cromosoma Y impulsor se propaga, lo que provoca una proporción de sexos sesgada por los hombres que puede reducir drásticamente la tasa de crecimiento de la población.

Nuestros modelos muestran que un HEG que se dirige a un gen esencial puede potencialmente causar una reducción sustancial en la aptitud de la población, mientras que uno que se dirige a un gen cuyo knockout tiene consecuencias menores para la aptitud del huésped rápidamente se fija. Estas estrategias se basan en la ruptura del cromosoma causada por la reparación del HEG mediante conversión génica con el cromosoma homólogo como plantilla. En nuestros modelos, la frecuencia de búsqueda por este mecanismo se describe mediante el parámetro mi que normalmente debería ser lo más alto posible. Pero la reparación por conversión de genes no es la única vía posible, y los experimentos han demostrado que la frecuencia de los diferentes tipos de reparación puede depender del contexto genómico. Por ejemplo, si el sitio de escisión está flanqueado por repeticiones directas, entonces la ruta de hibridación de una sola hebra (SSA) generalmente parece predominar, al menos en la línea germinal masculina premeiótica. En este proceso, se elimina toda la secuencia de ADN entre las repeticiones: por lo tanto, se pierde el sitio HEG, pero es poco probable que se reconstituya un gen funcional. Por tanto, la SSA reduce la eficacia de la búsqueda de origen en lugar de dar lugar a alelos resistentes. En un conjunto de experimentos con Drosophila, la vía SSA se utilizó dos tercios del tiempo en la línea germinal masculina premeiótica y la conversión representó solo el 10-20% de las reparaciones (Preston et al. 2006). En otros experimentos, sin repeticiones directas que flanquean el sitio de escisión, se observó reparación de conversión aproximadamente 85% de las veces [excluyendo la reparación de la cromátida hermana, que regenera con precisión el sitio objetivo, produciendo un cromosoma que simplemente se puede cortar de nuevo (Rong y Golic 2003)]. Estos experimentos indican que será importante evitar objetivos que estén flanqueados por repeticiones directas. El momento de la expresión de HEG también puede ser importante: si la escisión es tardía en la espermatogénesis, entonces puede predominar la unión de extremos no homólogos (NHEJ) (Preston et al. 2006). Aquí, los extremos del cromosoma se ligan directamente sin la participación del homólogo (y, como se discute a continuación, con una alta probabilidad de pérdida de la secuencia de reconocimiento de HEG), nuevamente no se obtiene el resultado deseado. También puede haber diferencias en la frecuencia de reparación de conversión (mi), dependiendo de dónde se encuentre el objetivo en el genoma.

Si el objetivo de la intervención es imponer una carga a la población, los modelos sugieren que es mejor apuntar a un gen que afecta la fertilidad que a la viabilidad y que, en general, es mejor que el objetivo sea recesivo (aunque en algunos casos la carga máxima se obtiene cuando la aptitud heterocigota se reduce algo, 0 & lt h & lt 0,5). En Drosophila se cree que hay alrededor de 3000 genes esenciales para la viabilidad y entre 50 y 100 necesarios para la fertilidad femenina, la mayoría de los cuales son recesivos (Ashburner et al. 1999, 2005). También es posible imponer una carga si uno apunta a la fertilidad masculina. En Drosophila hay dos genes (fallar y furtivo) que, cuando se interrumpen, tienen el efecto de afectar el desarrollo del embrión después de la fertilización (Ohsako et al. 2003 Wilson et al. 2006 Smith y Wakimoto 2007). Fallar es necesario para una correcta descondensación de la cabeza de los espermatozoides y furtivo es necesario para la descomposición adecuada de la membrana plasmática de los espermatozoides. Los homólogos de estos genes en especies de plagas y vectores son objetivos potenciales. En principio, si un gen afectara tanto la fertilidad masculina (de esta manera) como la fertilidad femenina, apuntar a él podría ser más eficiente que eliminar un gen esencial, pero no está claro si tales genes existen en los insectos.

También es posible apuntar a genes que tienen consecuencias de aptitud en un solo sexo o que tienen diferentes frecuencias de búsqueda en los dos sexos. Apuntar solo a las mujeres es ventajoso ya que los costos generales reducidos permiten que el HEG alcance frecuencias de equilibrio más altas (y se extienda más rápido) y luego imponga una mayor carga a la población. Para la mayoría de los vectores de enfermedades humanas, es la hembra la que requiere una ingesta de sangre antes de la oviposición y transmite el patógeno, otra ventaja para dirigirse preferentemente a este sexo.

Pueden usarse diferentes secuencias de control para determinar el momento relativo de la búsqueda y la expresión del gen diana por el HEG. Encontramos que las construcciones son más invasivas si la expresión de HEG es posterior a la del gen diana, de modo que los heterocigotos tienen una aptitud más o menos normal. En muchos casos, los HEG no se pueden propagar si los individuos en los que ocurre la conversión de genes experimentan las consecuencias de la aptitud física, y la velocidad de propagación y la carga eventual de cualquier HEG que tenga un costo de aptitud significativo es menor si el homing ocurre antes de la expresión del objetivo. gene.

Existe una circunstancia en la que la incapacidad de propagación de un HEG de acción temprana puede ser una ventaja positiva. Se ha logrado un control exitoso de varias plagas mediante la liberación masiva de machos que han sido esterilizados con productos químicos o radiación (técnicas de insectos estériles, TIE). Un desarrollo de esto es diseñar letales dominantes dependientes de la condición que se crían en masa en presencia de un represor artificial que inactiva este gen (Thomas et al. 2000 Atkinson et al. 2007 Phuc et al. 2007). Si se liberan al medio ambiente en cantidades suficientes, provocan el colapso de la población al competir con los machos de tipo salvaje por parejas que luego no pueden producir descendencia (en ausencia del represor artificial en el campo). Si el gen solo es letal para las mujeres (Thomas et al. 2000), esta liberación de insectos con una técnica letal dominante (RIDL) tiene la ventaja adicional de que la progenie masculina de los insectos liberados puede transmitir la letalidad femenina a la siguiente generación. Aunque en ausencia de nuevas versiones, el rasgo desaparece rápidamente, su persistencia temporal en el entorno es una ventaja de RIDL sobre SIT. Un HEG que no pudiera extenderse a través de una población podría combinarse con un constructo letal femenino dependiente de la condición en una estrategia de "RIDL-con-impulso", que sería más eficaz que RIDL por sí mismo (Thomas et al. 2000), aunque nuevamente sin persistencia a largo plazo.

Los modelos muestran que para regiones amplias de espacio de parámetros, que generalmente involucran HEG con costos de aptitud sustanciales en el estado heterocigoto, el destino del constructo depende de su frecuencia inicial. Aunque estos HEG no se pueden propagar desde raros, si se liberaran en cantidades suficientes, las construcciones se extenderían hasta la fijación. La capacidad de muchas construcciones de HEG para extenderse desde raras, incluso en presencia de costos, las distingue de una serie de elementos impulsores potenciales, por ejemplo, medea elementos, Wolbachia y cromosomas subdominantes, que en presencia de costos requieren que las frecuencias excedan un umbral antes de que ocurra la propagación (Sinkins y Gould 2006). Si se desarrolló una construcción de HEG y luego se descubrió que se extendía solo por encima de una frecuencia umbral modesta, aún podría ser útil como mecanismo impulsor. Actualmente, no vemos ventajas particulares para tales construcciones y los esfuerzos deben dirigirse al desarrollo de HEG que se pueden propagar desde raros.

En el caso de las enfermedades transmitidas por insectos, una estrategia diferente que implica la búsqueda de origen es apuntar a un gen cuya desactivación no tiene costos para el vector o son relativamente bajos, pero que es esencial para la transmisión exitosa del parásito. Dichos HEG aumentan rápidamente en frecuencia hasta la fijación en la población y consideraciones tales como si el HEG actúa antes o después de la expresión del gen diana tienen poco o ningún efecto sobre si se propaga. Actualmente, existe un estudio intensivo de los productos de genes de mosquitos requeridos por Plasmodium y otros agentes patógenos (p.ej., Dinglasan et al. 2007 Ecker et al. 2007) y las medidas de los costes al vector de su nocaut serían muy interesantes.

Cualquier estrategia que tenga como objetivo imponer una carga de aptitud a una población conduce inevitablemente a una fuerte selección de resistencia. Para los HEG, la forma más fácil de que se produzca la resistencia es que surja un alelo que codifique un gen funcional pero que no posea el sitio de reconocimiento de HEG. Esto podría surgir a través de una mutación puntual o, muy probablemente, a través de la ruptura del cromosoma causada por el hecho de que el HEG no se reincorpora por reparación homóloga sino por NHEJ. Aquí mostramos que si un mutante de escape tiene una aptitud normal, entonces se propagará y el HEG eventualmente desaparecerá. Si el HEG tiene bajos costos de aptitud, entonces la propagación del mutante de escape ocurrirá lentamente y aún pueden ocurrir beneficios significativos a corto plazo en el manejo de la población. Pero para los HEG cuyo propósito principal es imponer una carga, cualquier mutante de escape que surja destruirá rápidamente cualquier beneficio.

Por tanto, es fundamental diseñar un HEG en el que la pérdida del sitio de reconocimiento en el gen diana también implique la pérdida de la función del gen. Algunos HEG que se dirigen a genes que codifican proteínas han evolucionado para "ignorar" los sitios silenciosos de la tercera base en la secuencia objetivo, a fin de ampliar su propia especificidad (Koufopanou et al. 2002 Kurokawa et al. 2005). Si esta característica se puede mantener en los HEG diseñados, entonces se puede anular el tipo más obvio de mutación resistente. La pérdida del sitio de reconocimiento que surge de NHEJ normalmente implica la eliminación de un tramo corto de ADN y, por lo tanto, la ingeniería de un HEG para reconocer el ADN que codifica un sitio activo de una enzima, o un motivo conservado equivalente, debería garantizar que su pérdida provoque una falta de funcionalidad. Otras estrategias que podrían explorarse incluyen dirigirse a múltiples sitios dentro del mismo gen simultáneamente y dirigirse a múltiples genes simultáneamente. Al igual que la resistencia a múltiples fármacos, estas medidas podrían retrasar sustancialmente la evolución de la resistencia, posiblemente permitiendo suficiente tiempo para que ocurra la extinción local.

La segunda forma distinta de usar un HEG es destruir los cromosomas X en la meiosis masculina y así sesgar la proporción de sexos (Burt 2003), una estrategia que se modeló formalmente aquí por primera vez. Este mecanismo no depende del homing per se pero en el HEG proporciona una ventaja extramendeliana a su portador del cromosoma Y. Se conocen cromosomas Y conductores de origen natural de dos géneros de mosquitos de importancia médica, Aedes y Culex, lo que es alentador para esta estrategia (Newton et al. 1976 Sweeny y Barr 1978 Wood y Newton 1991 Cha et al. 2006). No se sabe nada a nivel molecular de cómo funcionan, pero citológicamente el impulso está asociado con roturas del cromosoma X en la meiosis masculina (Cazemajor et al. 2000 Windbichler et al. 2007). El grado en que la ruptura del cromosoma X favorece al cromosoma Y depende de manera crítica de la biología del organismo. Demostramos que si hay costos para reducir la producción de espermatozoides, o si se produce un apareamiento múltiple y la fertilización es una lotería, entonces la propagación de la Y portadora de HEG puede ralentizarse. De manera similar, si los cromosomas X dañados “pseudofertilizan” los óvulos, es decir, si compiten con otros espermatozoides y crean cigotos que luego mueren, la propagación Y portadora de HEG puede ralentizarse y, en el límite, incluso prevenirse por completo. Carecemos de información sobre estos problemas para los principales vectores y plagas, y sería necesario realizar estudios sobre la biología reproductiva de una especie candidata con anticipación para evaluar el resultado probable de la adopción de este enfoque. Por ejemplo, si la irradiación de espermatozoides (que causa roturas de cromosomas) conduce a la muerte de cigotos y no de espermatozoides, como ocurre en algunas especies, esto sugeriría que podría ocurrir una pseudofertilización.

Un mutante de escape en el cromosoma X que destruye el sitio de reconocimiento de HEG y no reduce drásticamente la aptitud aumentaría en frecuencia y finalmente devolvería la proporción de sexos a la igualdad. También esperaríamos que un mutante supresor en un autosoma se diseminara de manera similar y destruyera el sesgo de la proporción de sexos, aunque no hemos modelado este escenario. Nuevamente, al igual que con los HEG clásicos, la probabilidad de que se produzca resistencia se puede reducir diseñando el HEG para cortar múltiples sitios en el cromosoma X. Esto también es ventajoso en cuanto a frecuencias de corte (mi) menos de un sitio múltiple aumenta el sesgo de equilibrio de la proporción de sexos. Un ejemplo de cómo podría implementarse esto lo proporciona Anopheles gambiae, el vector más importante de malaria en África subsahariana. En esta especie, las repeticiones de ADNr están restringidas al cromosoma X, y la endonucleasa autodirigida I-PpoI de los mohos de limo Physarum reconoce y corta una secuencia dentro del gen (Windbichler et al. 2007). Dado que hay copias & gt100 del gen del ADNr (Collins y Paskewitz 1996), la evolución de la resistencia será un evento muy raro. Tenga en cuenta que si el HEG de trituración de X se colocara en un autosoma, todavía interrumpiría el esperma X pero no se propagaría. Esta estrategia podría emplearse en una campaña no invasiva de manejo de plagas o vectores, aunque puede ser necesario hacer que la expresión de HEG dependa de la condición (usando una estrategia similar a RIDL) para permitir una cría masiva eficiente.

También se podrían idear híbridos entre las dos estrategias principales, la orientación clásica y el sesgo de la proporción de sexos. En la principal plaga agrícola, la moscamed (Ceratitis capitata), XX individuos requieren al menos una copia funcional del gen autosómico tra (transformador) para ser hembras fenotípicas (Pane et al. 2005). Si un HEG fue diseñado para eliminar el tra gen, conduciría al cromosoma Y a la extinción de modo que todos los machos serían XX tra - tra - y la proporción de sexos sería (1 - mi) / 2, donde mi es la eficiencia de la búsqueda (modelo detallado no mostrado).

A lo largo de este artículo, hemos medido el efecto de los HEG diseñados para reducir las densidades de población de plagas o vectores mediante lo que hemos llamado "carga de HEG", la disminución en la aptitud de la población causada por reducciones en la viabilidad y la fertilidad. El efecto de los sesgos de la proporción de sexos sobre la aptitud de la población se puede medir utilizando la misma métrica. Es de vital importancia enfatizar que la forma en que la carga de HEG se traduce en reducciones de población reales depende de la demografía particular y la dinámica de la población de las especies involucradas y también del contexto en el que se busca el manejo de plagas o vectores. Por ejemplo, si se intenta el control de la población de una especie invasora estacional o con una dinámica poblacional de auge y caída, entonces la preocupación más importante puede ser reducir la tasa máxima de crecimiento de la población. En estas circunstancias, la carga de HEG se correlacionará directamente con la reducción de la población y será un medio sencillo de comparar diferentes estrategias. Sin embargo, si una población está sujeta a una mortalidad dependiente de la densidad, entonces es posible que esté presente una carga sustancial de HEG, pero solo se observarán reducciones modestas o incluso nulas en el número de plagas o vectores. En estas circunstancias, la comparación de la carga de HEG proporciona una clasificación de la eficacia de diferentes estrategias, aunque no una métrica cuantitativa. En este artículo no hemos extendido deliberadamente los modelos desarrollados aquí más allá de la frecuencia en el dominio de la densidad, ya que creemos que los análisis basados ​​en sistemas particulares y biologías específicas son los medios más efectivos de explorar estos temas. También somos conscientes de que nuestros modelos han sido puramente deterministas y han asumido generaciones discretas: los modelos estocásticos con generaciones superpuestas serán valiosos para proporcionar una guía sobre la cantidad de insectos portadores de HEG que deberían liberarse en un programa de manejo real.

El objetivo del trabajo aquí descrito es principalmente ayudar en el diseño de HEG que podrían usarse en el manejo de plagas y vectores, especialmente que involucran insectos. El éxito de una estrategia basada en HEG dependerá de (i) el descubrimiento de sitios de reconocimiento adecuados o la ingeniería exitosa de HEG para reconocer nuevos sitios, (ii) la capacidad de los HEG para cortar y albergar insectos, (iii) el diseño de constructos y estrategias de implementación para evitar o retrasar la resistencia, y (iv) la aceptación regulatoria de una estrategia de manejo de plagas o vectores que involucre manipulación genética. Hemos mencionado anteriormente un sitio de reconocimiento significativo en un vector de la malaria que puede ser cortado por un HEG de origen natural, mientras que ha habido un progreso reciente sustancial en la reingeniería de HEGS para reconocer sitios nuevos (Ashworth et al. 2006 Arnould et al. 2007). El trabajo preliminar sugiere que los HEG introducidos artificialmente pueden funcionar en las células de los mosquitos (Windbichler et al. 2007). Queda mucho por hacer, pero creemos que los HEG ofrecen perspectivas interesantes para enfoques novedosos para el manejo de plagas y vectores y que la consideración de la genética de su población será importante para guiar este desarrollo.


& # 8216 Enfoque inteligente & # 8217: Los científicos crean organismos libres de transgénicos utilizando ingeniería genética

Un nuevo año significa nuevos comienzos. Pero para los residentes de los Cayos de Florida, un pequeño archipiélago frente a la costa de Florida, el amanecer de 2021 parece presagiar malos vientos.

En agosto de 2020, el gobierno local aprobó un plan para liberar 750 millones de mosquitos modificados genéticamente (GM). Una empresa británica de biotecnología llamada Oxitec ha planeado ejecutar este lanzamiento durante dos años. Sin embargo, más de 236.000 personas han firmado una petición en contra de esta decisión porque temen los efectos desconocidos a largo plazo de la liberación de mosquitos transgénicos en el medio ambiente.

La incursión de Oxitec en los EE. UU. Siguió a una década de pruebas en las Islas Caimán y en Brasil. En su sitio web, la compañía exhibe publicaciones que abarcan dos décadas.

El gobierno de Florida ha otorgado a Oxitec un & # 8216 permiso de uso experimental & # 8217. De conformidad con esto, la Agencia de Protección Ambiental del país y los Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades evaluaron 25 estudios científicos.

Pero la presencia de material transgénico en estos mosquitos ha demostrado ser suficiente para avivar las detenciones de los residentes de los Cayos de Florida y # 8217.

Más al norte, los investigadores de la Universidad de Minnesota han desarrollado una forma novedosa de resolver este problema. Utilizaron la ingeniería genética para crear organismos para su liberación que no están modificados genéticamente.

Maciej Maselko era asociado postdoctoral en la universidad cuando formó parte del estudio. “Slow and expensive regulatory approvals for GM insect release” inspired the team’s work, he told The Wire Science. “We looked for a way to get the benefits achieved with GM insect release but without needing to release GM insects.”

He conceptualised the experiment with PhD scholar Siba Das and molecular biology professor Michael Smanski. The results were published in November 2020.

In a typical control intervention, researchers release sterile male mosquitoes into the environment. These compete with wild males to mate with wild females. Mosquitoes mate only once in their lifetime. Since mating with sterile mosquitoes produces no offspring, the local mosquito population begins to fall.

The methods to select these male mosquitoes to subsequently release are either labour intensive or need specialised equipment. The colony that scientists rear is also often three times larger than the number of males released. Third, a mosquito lives typically for 8-10 days. So scientists must select the males to release close to the site of intervention.

Genetic modification eases these issues. In Oxitec’s method, males carry a self-limiting gene. When these males mate with an unmodified female in the wild, the resultant offspring inherits the gene. This gene pushes the insect’s protein production machinery to over-produce a particular protein, which then interferes with normal development of the offspring. Eventually, the young mosquito dies before maturing into an adult. In genetic engineering parlance, this genetic pathway is called a lethal circuit.

Maselko’s method took the lethal circuit a few notches up the difficulty graph. By way of demonstration, the team used two strains of the model organism of genetic modification experiments: the fruit fly (Drosophila melanogaster). Like humans, fruit flies have two sex chromosomes, X and Y. Females have two X chromosomes and males have one X and one Y.

In Maselko’s method, one strain has a lethal circuit on the X chromosome (X L ) while another has a lethal circuit on the Y chromosome (Y L ). These lethal circuits can be switched on and off as required by modifying the composition of the substance in which the flies are nurtured.

In the first step, the team grew the Y L strain in conditions where the lethal circuit is activated. These mate with wild type females (XX). All males (XY L ) die, leading to female offspring, XX, that don’t have the lethal circuit.

In a separate second step, the team grew the X L strain in conditions where the lethal circuit is activated. Males carrying only one copy of the lethal variant (X L Y) survive, while all females (X L X L ) die.

In the third and final step, the surviving females from the first step (XX) are mated with surviving males (X L Y) from the second step. The team again grew the offspring in conditions where the lethal circuit is activated. This produced only males (XY) that don’t have the lethal circuit.

“Our approach enables a more centralised production approach, where only eggs can be shipped,” Maselko said. “This needs modest facilities to rear, sterilise and release the males.”

Max Scott, a professor of entomology at Genetic Pest Management, North Carolina State University, called the approach “a clever scheme for producing only non-GM males”.

He also said “the Y chromosome has few genes. Finding a location where the lethal circuit works is a real challenge.”

Maselko’s team seems to have addressed this challenge. In the three batches that the researchers raised using this method, 2,932 males were generated, and one female.

Omar Akbari, an associate professor of cell and developmental biology at the University of California, San Diego, echoed Scott’s assessment. He said he would like to see this model work in actual mosquitoes.

In response to Akbari’s point that the resulting males are not sterile, Maselko said the team would “either sterilise them with X-rays or use the Wolbachia infection approach.”

Wolbachia are bacterial species that occur naturally in 60% of insect species – but they don’t occur in Aedes aegypti mosquitoes. A 2009 study showed that infecting Aedes mosquitoes with Wolbachia reduces the transmission of dengue, Zika and other viruses. Scientists are trialling the technique in many countries, under the World Mosquito Program. At least one scientific paper discussing trial results is expected later this year.

The Minnesota team screened over a thousand fruit flies looking for lethal circuits. They found none. The mathematical possibility of the lethal circuit surviving their experimental process, according to the team’s estimate, is 0.1%.

The Non-GMO Project is a non-profit organisation that verifies the absence of GM material in seeds, retail goods, drugs, livestock feed and supplements. According to its latest standards, its threshold for certification ranges from 0.25%-1.5%.

However, Scott is unsure if this will help people. “Whether a non-GM male derived from two GM strains would be acceptable [to people] is hard to know.”

Phil Taylor, director of the ARC Centre for Fruit Fly Innovation, Australia, said that “from a regulatory perspective, it does test the boundaries a bit – as most novel technologies do.”

Maselko is now a CSIRO Synthetic Biology Future Fellow at Macquarie University in Australia. He wants to conduct larger trials in mosquitoes before scaling up their solution.

Ameya Paleja is a molecular biologist based in Hyderabad. He blogs at Coffee Table Science.


WHAT IS CONSERVATION GENETICS?

Conservation genetics is a mixture of ecology, molecular biology, population genetics, mathematical modeling and evolutionary systematics (the construction of family relationships). It is both a basic and an applied science. Scientists must first understand the genetic relationships of the organisms under study. Once this basic science is understood by scientists, management techniques must then be applied by wildlife managers to preserve biological diversity in these species.

The organisms under investigation are usually endangered or threatened populations. To develop a management strategy, scientists ask: what has brought these populations to the brink of extinction, and what steps can be taken to reverse this trend? Information about the genetic diversity of the animals under study helps scientists and managers in forming strategies to preserve and protect the diversity of plants and animals worldwide.


Environmental Variance

Genes are not the only players involved in determining population variation. Phenotypes are also influenced by other factors, such as the environment ([link]). A beachgoer is likely to have darker skin than a city dweller, for example, due to regular exposure to the sun, an environmental factor. Some major characteristics, such as sex, are determined by the environment for some species. For example, some turtles and other reptiles have temperature-dependent sex determination (TSD). TSD means that individuals develop into males if their eggs are incubated within a certain temperature range, or females at a different temperature range.


Geographic separation between populations can lead to differences in the phenotypic variation between those populations. Such geographical variation is seen between most populations and can be significant. One type of geographic variation, called a cline , can be seen as populations of a given species vary gradually across an ecological gradient. Species of warm-blooded animals, for example, tend to have larger bodies in the cooler climates closer to the earth’s poles, allowing them to better conserve heat. This is considered a latitudinal cline. Alternatively, flowering plants tend to bloom at different times depending on where they are along the slope of a mountain, known as an altitudinal cline.

If there is gene flow between the populations, the individuals will likely show gradual differences in phenotype along the cline. Restricted gene flow, on the other hand, can lead to abrupt differences, even speciation.


Lethal gene and population genetics - Biology

2. Genetic Drift: The Founder Effect

T he common cocklebur (Xanthium strumarium) has spread across North America with its unique hitchhiking, seed-bearing bur. Different populations of cockleburs throughout its range exhibit morphological variations that some botanists have classified as different varieties. There is some disagreement among botanists as to exactly how many varieties of common cocklebur exist, and precisely where is their native (indigenous) habitat. There are several named varieties listed in botanical literature, including var. canadense and var. glabratum however, some authorities believe Xanthium strumarium is one cosmopolitan species with many highly variable populations around the world. Since cockleburs can colonize new areas quite easily (particularly disturbed areas), they are good examples of the "founder effect." The founder effect is genetic drift that occurs when a small number of individuals, representing a fraction of the gene pool, establish (found) a new colony and only certain alleles (genes) of the original population are passed on to the next generation. The founding colony does not have the genetic variability of the main population, and the frequency of certain traits may increase greatly by genetic drift compared with the much larger ancestral population.

Left: Cocklebur (Xanthium strumarium)
bearing prickly, hitchhiking burs. Right: An
assortment of seed-bearing cockleburs. Igual que
Velcro fasteners, the cockleburs attach to
the fur of animals and articles of clothing.

A classic example of the founder effect is the "Dunkers," a politically incorrect name for a German Baptist religious sect that settled in Franklin County, Pennsylvania between 1719 and 1729. Since the original families (who did not marry outside their religious sect) settled in Pennsylvania, there has been a dramatic change in some of their gene frequencies. For example, the frequency of type A blood in the "Dunkers" is now 60 percent, compared to 42 percent for the United States and 45 percent for West Germany. "Dunkers" also have fewer individuals with certain recessive traits, such as hitchhiker's thumb and attached ear lobes, compared with the U.S. population as a whole. The founder effect also explains the high frequency of dwarfism and polydactylism (extra fingers) in the Amish of Lancaster Pennsylvania, a colony begun by a few individuals (at least one of whom carried these traits). There is some evidence that the first humans to reach North America (across the Bering Straits land bridge) brought with them gene frequencies not representative of the Asiatic population they left. The unusual variation in bark, foliage and growth characteristics in isolated groves of cypress (Cupressus species) throughout coastal and mountainous regions of California may also be due (in part) to the founder effect however, some traits, such as glandular (resinous) foliage, are more drought resistant and probably evolved by natural selection in the hot, dry interior regions of the state.

3. Genetic Drift: Population Bottlenecks

G enetic drift can also result in the loss of genes from a population. For example, the B allele was apparently not passed on to subsequent generations of Blackfoot people, because present populations are deficient in genotypes that contain the B allele (BB, BO and AB). When populations become greatly reduced in size, some genes may not be passed on to the next generation. This phenomenon is referred to as a "genetic bottleneck." As a result, genetic variability may be severely reduced in succeeding generations.

E xamples of "genetic bottlenecks" include the elephant seal (mercilessly hunted to near extinction in Baja California) and the endemic Torrey pine ( Pinus torreyana ) of San Diego County. The elephant seal was hunted almost to extinction in the 1800s, and by the end of the 1890s only about 20 survived. Because elephant seals breed harem-style, with a single male mating with a harem of females, one male may have fathered all the offspring at the extreme bottleneck point. The population today has expanded to about 30,000, but biochemical analysis shows that all of the elephant seals are almost genetically identical. The Torrey pine has also reached a genetic bottleneck in the small grove of trees that survives to this day at Torrey Pines State Park. Protein analysis of the pines shows practically no variability between individual trees. This lack of variability could seriously threaten their survival if the climate changes significantly. The population may not contain the genetic variability (gene pool) to adapt to a significant environmental change.

Simplified diagram of a genetic bottleneck. If the population of heterogeneous red and blue genetic members is reduced to a small number of individuals, the gene pool is greatly reduced. In this diagram, only a few red individuals survive the bottleneck. The few surviving red members pass their genes on to the new generation however, this new homogeneous red population has a drastically reduced genotypic and phenotypic variability because they are all descendents of the few red individuals that survived the bottleneck. The northern elephant seal and Torrey pine have passed through genetic bottlenecks in the recent past, resulting in an almost total loss of genetic variability. As a result, the ability of these populations to adapt to changing environments may be very limited. This diagram could also be explained with an original population composed of red and blue alleles. When the population reached a very low level or bottleneck, only the red allele was passed on and the blue allele was lost. This simple analogy might help to explain how the B allele was lost from the indigenous Blackfoot people of North America.

4. Demonstration Of Genetic Drift

For a simplified demonstration of genetic drift, place 24 red beads and 24 white beads into an empty container. Make 24 random matings from this container of 24 red beads and 24 white beads. Assume that red (R) is dominant over white (r). Shake the container several times to make sure the beads are thoroughly mixed. Each random mating consists of reaching into the container and drawing out two beads. Each pair of beads essentially represents a pair of red or white genes carried by a pair of sex cells (egg and sperm). In order that you don't discriminate on the basis of color, make each draw without looking at the beads. When you draw two beads record your result in Table 3 below. If you get two red beads, place a tabulation mark under RR. If you get a red and a white bead, place a tabulation mark under Rr. If you get two white beads, place a tabulation mark under rr. Make a total of 24 draws, always replacing the beads back into the original container before the next draw. [Note: This exercise works best if the total number of beads in your container is exactly twice the number of draws (e.g. 48 beads for 24 draws, 60 beads for 30 draws, or 80 beads for 40 draws). Also use an even number of beads, such as 48, 60 or 80. The Biology 100 Laboratory Manual says to use 50 beads, but use 48 instead (24 red and 24 white).

Although this is a population problem involving a cross between the males and females of an entire population, the mathematical result comes out the same as a monohybrid cross involving one pair of heterozygous genes from each parent (Rr x Rr). In this type of cross we would expect to have the following genotype percentages in the offspring: 25% RR, 50% Rr and 25% rr. Since red (R) is dominant over white (r), 75% of the population will be red and 25% will be white. This cross is shown in the following Table 2:


Real-World Applications of Molecular Genetics

Recent advances in molecular biology allow us to develop and apply the tools and concepts of molecular genetics to the conservation of biological resources. Working with our partners, we design and implement studies that provide genetic and genomic information for a broad range of applications, as detailed below.

Real-World Applications

Recent advances in molecular biology allow us to develop and apply the tools and concepts of molecular genetics to the conservation of biological resources. Working with our partners, we design and implement studies that provide genetic and genomic information for a broad range of applications, as detailed below.

Population structure – We can quantify genetic differences between populations and, consequently, the level of gene flow and movement among populations throughout a species' range.

Population health and history – Current genetic diversity and historical population bottlenecks can be assessed through the analysis of genetic and genomic data.

Assess taxonomic uncertainty – Information on genetic distinctiveness, along with other lines of evidence such as morphological and behavioral characteristics, can be used to identify and potentially redefine the existing taxonomic classification of a given species or subspecies. Such delineations are highly relevant for species status determinations (endangered, threatened, or at-risk).

Assess adaptive potential – With advancing genomic technology, it is now possible to locate and assess genes that may contribute to a species' ability to respond to environmental change (for example, climate change).

Landscape genetics – Genetic data can be used in conjunction with environmental data (for example, habitat, elevation, roads) to identify landscape features that function as barriers to movement for species.

Assess family relations/mating systems – Mating systems and parentage can be inferred through “genetic fingerprinting” of family members.

Population modeling – Models can make use of genetic data to predict potential impacts of different management scenarios (for example, fertility control) on the genetic diversity of managed populations.

Estimate population size and survival rates – DNA from non-invasively sampled individuals (using feathers, feces, or hair, for example) can be used as a molecular tag and analyzed with traditional mark-recapture techniques to estimate population size and survival rates.

Species identification – Molecular genetic tests can be used to identify the species and sometimes even the population of origin from a sample (feather, tissue, feces, hair) of unknown origin.

Tracking migratory animals – Genetic differences between breeding populations may be used as a basis for assigning migratory animals (like birds, fish, and sea turtles) to a particular breeding population, even if animals are captured on migration or at another location far away from their breeding area.

Gender identification – The gender of an individual can be determined by isolating and analyzing molecular markers on the sex chromosomes sometimes this is necessary when morphological or behavioral characteristics between males and females are indistinguishable.

Species detection – The presence of difficult-to-observe species can be inferred in an area by screening DNA in environmental samples (eDNA), like water and soil, for species-specific genetic markers.

Dietary analysis – Feces or stomach contents can be screened to figure out what a particular animal has been eating.


Ver el vídeo: CRISPR: ESTO VA A MODIFICAR EL GENOMA HUMANO PARA SIEMPRE! SUPER HUMANOS (Mayo 2022).


Comentarios:

  1. Palmer

    Definitivamente una respuesta rápida :)

  2. Anton

    Buenas tardes a todos los visitantes de este hermoso blog. También quiero contribuir a toda la historia de críticas positivas. Como todos los demás usuarios de este blog, estoy completamente satisfecho con absolutamente todo (lo cual es bastante raro, ya que soy profesor de profesión). La velocidad de trabajo, la navegación, una interfaz convencionalmente entendida y todo un mar de información positiva son mi entorno favorito. Hoy soy la primera vez que visito este sitio, pero estoy listo para convertirme en un usuario activo. Estaré encantado con todos los que me apoyen y también utilicen este blog día tras día.

  3. Tamirat

    Una buena respuesta, felicitaciones

  4. Jader

    Esta es una opinión muy valiosa.

  5. Gann

    Estoy de acuerdo, la muy buena información

  6. Kerr

    Por favor, perdóname por interrumpirte.



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