Genética de Populações. Genética de Populações. Deriva 1/2N e. Mutações recentes. Alelos Neutros. Mutações recentes

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1 Deriva 1/2N e Por que então é também importante em grandes populações? Mutações recentes Mutações recentes Qual a prob de uma mutação que ocorreu pela 1 a vez passar para a próxima geração? Modelo aleatório, Distribuição de Poisson! P (i =0) = e -2 2 i / i!, logo: Alelos neutros Mutações recentes Qual a prob de uma mutação que ocorreu pela 1 a vez passar para a próxima geração? Alelos Neutros São alelos funcionalmente equivalentes aos seus alelos ancestrais na probabilidade de se replicar e deixar descendentes na próxima geração Se k = 4, p = 0.14 Se k = 1, p = 0.61 Conseqüências do Founder-flush e de efeitos fundadores Embora tais alelos tenham sido discutidos por Wright e Fisher, apenas após a década de 60 sua importância foi reconhecida Estudo da geração e manutenção da variação genética Até a década de 1960 apenas conseguiu investigar isto indiretamente pelo estudo do fenótipo Ausência de dados levou a grande controvérsia acerca da extensão da variação genética Escola Clássica - muito pouca variação na natureza Muller Escola Balanceada - muita variação mantida na natureza Dobzhansky Escola clássica - mutação é fator mais importante e por isso mesmo raro. Morgan e Muller Mutação surge e é rapidamente selecionada, ou aumenta de freqüência ou é eliminada da população. Seleção natural mantém polimorfismo baixo nas populações - variação era rara. 1

2 Escola balanceada Sturtevant e Dobzhanski sugeriram que existia bastante variação na natureza. Esta variabilidade seria mantida na população em forma de polimorfismos balanceados, que fariam com que ambos alelos permanecessem na população. Da mesma forma que na escola clássica, seleção tem papel fundamental na determinação da variação genética encontrada. Década de 60 Seqüenciamento de aminoácidos permitiu a comparação de genes homólogos em espécies diferentes Eletroforese de proteínas permitiu a investigação de polimorfismo em vários loci no genoma. Harris e Hopkinson (1966) em humanos Hubby e Lewontin (1966) em populações naturais Comparação de seqüências de aminoácidos Medição de divergência de Seqüência Seqüência 1 Seqüência 2 leu arg phe cys ser ser arg leu phe cys ser ser arg Várias medidas possíveis, mais simples é a comparação do número proporcional de diferenças: Seqüência 1 Seqüência 2 leu arg phe cys ser ser arg leu gap phe cys ser ser arg p = n d / n Seqüência 1 Seqüência 2 Seqüência 3 Seqüência 4 Seqüência 5 Seqüência 6 leu arg phe cys ser ser arg leu gap phe cys ser phe arg leu gap phe cys ser phe arg leu arg ile cys ser ser arg leu arg ile cys ala ser arg leu arg phe cys ile ser arg n d = número de diferenças n = número de aminoácidos Distância é corrigida com Poisson para considerar substituições múltiplas Medição de divergência de seqüência Divergência pode ser usada para agrupar Seqüências de aa de cadeias alfa de hemoglobina No. de Taxa : 5 Gaps/Dados ausentes : Deleção completa Método de distância : AA corrigida Poisson No. de Sítios : 140 d : Estimativa Tubarão [1] Homem [2] Camundongo [3] Galinha [5] Salamandra [6] Carpa?? 2

3 Relógio Molecular Década de 60 Seqüenciamento de aminoácidos permitiu a comparação de genes homólogos em espécies diferentes Eletroforese de proteínas permitiu a investigação de polimorfismo em vários loci no genoma. Harris e Hopkinson (1966) em humanos Hubby e Lewontin (1966) em populações naturais Mudanças moleculares em genes e seus produtos acumulam relativamente constantes no tempo Debate começou a ser resolvido na década de 60 quando pesquisadores começaram a investigar variação natural por metologias moleculares - eletroforese, seqüenciamento Eletroforese em gel de amido Década de 60 Seqüenciamento de aminoácidos - questionou a quantidade de variação interespecífica Eletroforese de proteínas - questionou a quantidade de variação intraespecífica Década de 60 Maioria das espécies têm grandes quantidades de variação genética, e ainda era subestimada! Não resolveu a controvérsia, pois a discussão mudou da quantidade de variação para a significância da variação genética. Escola clássica tornou-se a escola da evolução neutralista 3

4 A explicação de Motoo Kimura (Kimura 1968) Variação era muito alta e as mudanças muito rápidas para serem explicadas pela seleçao natural - baseado em seq de aa (hb e cyt c) Kimura calculou uma média de 1 aa p/ 28 my em uma proteína de 100 aa - Preço muito alto considerando o conceito de Haldane de carga genética e custo da seleção (1 a cada 300 gerações) A explicação de Motoo Kimura (Kimura 1968) Estimativa de Haldane indica 1 substituição a cada 300 gerações - Estas substituições estavam acontecendo muito mais rapidamente 1-1 subst a cada 28my por 100 aa 2 - Tamanho de genoma de mamífero 4 x 10 9 bp aa = 300 pb e 20% de substituição sinônima portanto 1 aa subst 1.2 subst pb A explicação de Motoo Kimura (Kimura 1968) Teoria Neutralista de Evolução Molecular : Motoo Kimura ( ) Estimativa de Haldane indica 1 substituição a cada 300 gerações - Estas substituições estavam acontecendo muito mais rapidamente 4 - Tempo que levaria para estas subst ocorrerem no genoma: (28 x 10 6 ) / (4 x 10 9 /300) / 1.2 = 1.8 anos Publicações de 1968 sobre evolução neutralista através da deriva explicam tanto os altos níveis de variação quanto o relógio molecular - Muito superiores à taxa de subst de 1 a cada 300 gerações Teoria Neutralista de Evolução Molecular : Motoo Kimura ( ) Vários aspectos da evolução de caracteres neutros não dependem do tamanho populacional. Ein? Mas não é α 1/2N? Teoria Neutralista não diz respeito apenas à deriva, e sim à interação entre deriva e mutação. 2N genes em uma população. P fixação = 1/(2N) Taxa de mutação de alelos neutros μ Taxa de produção de novos alelos neutros = 2Nμ Taxa de evolução molecular = 1/2N x 2Nμ = μ 4

5 Taxa de evolução molecular = 1/2N x 2Nμ = μ Taxa que mede probabilidade fixação de alelos novos criados na população. Nesta equação não existe o efeito do tamanho populacional na taxa de evolução neutra por deriva Deriva é uma força evolutiva importante para alelos neutros em todas as populações, não apenas as pequenas! Taxa de evolução molecular = 1/2N x 2Nμ = μ Explica a existência de um relógio molecular Explica a quantidade de polimorfismos na natureza Modelo Fisher-Wright de deriva genética Taxa de Evolução 2N = 18 Probabilidade de fixação de uma nova mutação neutra: = 1/2N requer uma média de 4N gerações. Tempo entre fixações sucessivas = 1/μ gerações. 2N = 100 *N = Tamanho efetivo populacional. Qual?? Hartl & Clark (1997) Principles of Population Genetics Hartl & Clark (1997) Principles of Population Genetics Infinite Allele Model - Cada mutação produz um novo alelo. Não existe identidade por estado, apenas ibd. O impacto da deriva e da mutação pode ser quantificado: P não mutação = (1 - μ) 2 À medida que N diminui, F aumenta. Quando μ aumenta, F diminui. Deriva aumenta a probabilidade de ibd, enquanto mutação a diminui 5

6 Equilíbrio entre deriva e mutação na população: F (t) = F (t-1) Arredondando (1- μ) 2 1- Feq = Heq = heterozigosidade esperada, logo: (4 N ef μ) (θ ) H = = (1 + 4 N ef μ) (1 + θ ) Chamemos θ = 4 N ef μ, que mede a força da mutação em relação à deriva F eq = homozigosidade esperada (θ ) H = (1 + θ ) Críticas sobre a teoria neutralista O que é μ e como medir? E como medir N ef? Na ausência de estimativas confiáveis, quaisquer valores poderiam ser usados Grande poder explanatório, mas difícil de se testar! Mudanças corrigidas de amino ácido por 100 resíduos MamÍferos Aves/Répteis Mamíferos/ Répteis abcde diferentes MY Fibrinopeptídeos Répteis/Peixes Carpa/Lampreia f g h i V ertebrados/ Insetos μ não é constante em genes sob pressão de seleção j Hemoglobina 5.8 MY Citocromo c 20.0 MY 10 Evolução das globinas 1 Separação dos ancestrais De plantas e animais Substituições possíveis no DNA purinas A G transições transversões C T transições pirimidinas 0 Cretaceous Jurassic Triassic Permian Carboniferous Devonian Silurian Ordovician Cambrian Algonkian Huronian Pliocene Miocene Oligocene Eocene Paleocene Milhões de anos desde a divergência 6

7 Limitações Funcionais Mutações sinônimas são mais comumente fixadas na evolução Taxas diferentes entre mutações silentes e nãosilenciosas (alteração da seqüência de aa) silent replacement Substituições por sítio por anos histona3 Mutações sinônimas Mutações não-sinônimas Insulina mioglobina albumina interleucina 1 apolipoproteína A-1 interferon B1 relaxina Substituições por sítio por anos Diferentes tipos de seqüência evoluem em taxas diferentes Regiões à montante Regiões à jusante Sítios não-degenerados Sítios 2x não-degenerados Sítios 4x não-degenerados Introns Pseudogenes mtdna Animal A evidência de taxa de evolução diferente em proteínas diferentes apenas favorece a teoria neutralista se for inconsistente com a idéia da seleção natural determinando a evolução molecular Fisher afirmou que quanto menor o efeito de um alelo, maior a chance dele ter um efeito benéfico Teoria da evolução de Fisher Mutações aleatórias em um fenótipo qualquer podem ou não ser favoráveis Taxa de evolução e relógio molecular entre espécies diferentes são compatíveis com ambas as hipóteses. E dados de variação intraspecífica? De acordo com o neutralismo, qualquer nível de variação pode ser explicado por níveis diferentes de μ e N ef. 7

8 Se μ é constante para certos genes, a diferença em heterozigosidade esperada é causada por N ef diferentes no neutralismo. Se μ é constante para certos genes, a diferença em heterozigosidade esperada é causada por N ef diferentes no neutralismo. Todos os H eq < 0.25 Valores restritos de θ, --> logo de N ef Grande parte da H está entre 0.01 e 0.10, indicando apenas um aumento de 10 vezes no N ef, enquanto o N variou em até 14 ordens de magnitude! N ef N mas mesmo assim... Teoria quase neutra de evolução E se olharmos para μ? μ não é a taxa de mutação, e sim a taxa de mutação NEUTRA - sem efeito na viabilidade Ohta olhou para certos tipos de mutação: Se s «1/N a mutação é seletivamente neutra Se s» 1/N a mutação é afetada por seleção Mas e se s 1/N? Teoria quase neutra de evolução Fisher ignorou a probabilidade de fixação Mutações de efeito fenotípico intermediário são mais prováveis de terem papel na adaptação Teoria quase neutra A taxa neutra de evolução é mais alta em populações pequenas por incluir algumas mutações que seriam desfavorecidas em populações maiores. Prob. Mutação favorável Fisher Efeito da mutação Prob. substituição adaptativa Kimura Efeito da mutação Quando N ef aumenta, μ diminui N ef μ fica com distribuição mais restrita o que pode explicar os valores de H encontrados! 8

9 Teoria quase neutra As predições do relógio molecular vão pro espaço μ é função agora de N ef e discrepâncias do relógio molecular são esperadas Porque relógio molecular e neutralidade absoluta não explicam bem os dados observados, teoria neutra é boa hipótese nula. 9