Biologia Molecular Computacional Homologia

Transcrição

1 Biologia Molecular Computacional Homologia Luiz Thibério Rangel

2 O que é homologia? Conceito básico para estudos de genômica comparativa; Passo inicial para estudos de filogenia(omica); Importante para pipelines de anotação funcional; Utilizado em processos de modelagem estrutural;

3 O que é homologia? É o compartilhamento de uma estrutura com origem comum!

4 O que é homologia? Essa origem é comum porque foi herdada a partir de um ancestral comum!

5 O que é homologia? O conceito de homologia é oposto ao de Analogia: caracteres análogos não possuem origem comum, mesmo possuindo funções semelhantes!

6 Adaptação para biologia molecular Genes de organismos distintos herdados a partir do mesmo ancestral são homólogos!

7 Adaptação para biologia molecular Homologia não significa igualdade, simplesmente origem comum!

8 Adaptação para biologia molecular Homologia um caracter booleano! Verdadeiro ou Falso Afirmações como: 30% de homologia; 78% homólogos; Forte homologia!

9 Adaptação para biologia molecular Homologia um caracter booleano! Verdadeiro ou Falso Afirmações como: 30% de homologia; 78% homólogos; Forte homologia!! S A D RA R E

10 Adaptação para biologia molecular Homologia um caracter booleano! Verdadeiro ou Falso Afirmações como: 30% similares; 78% de similaridade; Divergiram recentemente! Ou a origem é comum ou não!

11 Tipo de homologia Diferentes maneiras de divergir levam a diferentes tipos de homologia: Ortólogos Parálogos Xenólogos

15 Ortologia Ortólogos: genes que divergiram por especiação cada descendente possui uma cópia do gene tendência à conservar função: ambas instâncias continuam sendo necessárias gene T0

16 Ortologia Ortólogos: genes que divergiram por especiação cada descendente possui uma cópia do gene tendência à conservar função: ambas instâncias continuam sendo necessárias especiação gene gene T0 T1

17 Ortologia Ortólogos: genes que divergiram por especiação cada descendente possui uma cópia do gene tendência à conservar função: ambas instâncias continuam sendo necessárias especiação gene gene gene gene T0 T1 T2

18 Ortologia Ortólogos: genes que divergiram por especiação cada descendente possui uma cópia do gene tendência à conservar função: ambas instâncias continuam sendo necessárias especiação gene gene gene gene T0 T1 T2 Cada espécie possui uma cópia de gene

19 Paralogia Parálogos: genes que divergiram por duplicação! genes parálogos estão presentes em mais de uma cópia! Após a divergência a função tende a mudar! gene T0

20 Paralogia Parálogos: genes que divergiram por duplicação! genes parálogos estão presentes em mais de uma cópia! Após a divergência a função tende a mudar! duplicação gene gene T0 T1

21 Paralogia Parálogos: genes que divergiram por duplicação! genes parálogos estão presentes em mais de uma cópia! Após a divergência a função tende a mudar! duplicação gene gene gene gene T0 T1 T2

22 Paralogia Parálogos: genes que divergiram por duplicação! genes parálogos estão presentes em mais de uma cópia! Após a divergência a função tende a mudar! duplicação gene gene gene gene T0 T1 T2 O organismo possui duas cópias de gene

23 Paralogia Parálogos: genes que divergiram por duplicação! genes parálogos estão presentes em mais de uma cópia! Após a divergência a função tende a mudar! duplicação espécie gene T0

24 Paralogia Parálogos: genes que divergiram por duplicação! genes parálogos estão presentes em mais de uma cópia! Após a divergência a função tende a mudar! duplicação espécie gene T0 T1

25 Paralogia Parálogos: genes que divergiram por duplicação! genes parálogos estão presentes em mais de uma cópia! Após a divergência a função tende a mudar! duplicação espécie gene T0 T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7

26 Paralogia Parálogos: genes que divergiram por duplicação! genes parálogos estão presentes em mais de uma cópia! Após a divergência a função tende a mudar! duplicação espécie gene T0 T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7

27 Paralogia Parálogos: genes que divergiram por duplicação! genes parálogos estão presentes em mais de uma cópia! Após a divergência a função tende a mudar! pressão seletiva agindo de maneiras diferentes duplicação espécie gene T0 T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7

28 Parálogos: recentes Vs. antigos Parálogos: duplicação recente: Inparálogos duplicação antiga: Outparálogos duplicação espécie gene T0 T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7

31 Parálogos: recentes Vs. antigos Inparálogos Regra do dedão: Duplicação ocorreu depois da especiação em questão Duplicação recente = Menos tempo para divergir especiação duplicação

32 Parálogos: recentes Vs. antigos Outparálogos Regra do dedão: Duplicação ocorreu antes da especiação em questão Duplicação antiga = Mais tempo para divergir duplicação especiação

33 Exemplo: Ortologia Hemoglobinas α e β são conservadas em praticamente todos vertebrados! portanto são as hemoglobinas de humano e ornintorrinco são homólogas! Ancestral comum

34 Exemplo: Ortologia Hemoglobinas α e β são conservadas em praticamente todos vertebrados! portanto são as hemoglobinas de humano e ornintorrinco são homólogas! Ancestral comum Hb Hb

35 Exemplo: Paralogia Agnatha possuem hemoglobinas homotetraméricas apenas um gene codifica as 4 subunidades;

36 Exemplo: Paralogia Agnatha possuem hemoglobinas homotetraméricas apenas um gene codifica as 4 subunidades; as subunidades α e β surgiram a partir da duplicação do gene ancestral! hemoglobina ancestral hemoglobinas αeβ α β β α

37 Exemplo: Paralogia

38 Exemplo: Paralogia Cachorro (e.g.) só possui 2 fotorreceptores: gene de fotoreceptor enxerga em PB! Ancestral com apenas 2 cones gene de fotoreceptor

39 Exemplo: Paralogia Primatas possuem 3 fotorreceptores! como?!?!

40 Exemplo: Paralogia Primatas possuem 3 fotorreceptores! como?!?! Ancestral com apenas 2 cones duplicação do gene presente no cromossomo X! Por isso diatonismo é mais comum em homens! gene de fotoreceptor 2 cópias do fotoreceptor

41 Xenologia Xenólogos Divergíram por Transferência Horizontal de Genes Aquisição de novas funções

42 Xenologia Xenólogos Divergíram por Transferência Horizontal de Genes Aquisição de novas funções THG

45 Xenologia Xenólogos Divergiram por Transferência Horizontal de Genes Conteúdo GC Leva a desvios composicionais no genoma

46 Xenologia Xenólogos Divergiram por Transferência Horizontal de Genes Conteúdo GC Leva a desvios composicionais no genoma

47 Xenologia Xenólogos Divergiram por Transferência Horizontal de Genes Leva a desvios composicionais no genoma Conteúdo GC profago!

48 Exemplo: Xenologia Induzir a fusão de células é um mecanismo utilizado por vírus para expandir; formação de um sincício;

49 Exemplo: Xenologia Muito semelhante ao sinciciotrofoblasto de mamíferos placentários!

50 Exemplo: Xenologia Os genes que possibilitam a formação do sinciciotrofoblasto são os syncytin A e B: genes de origem VIRAL! provável infecção em um óvulo ou espermatozoide

51 Intervalo?!?!

52 Aplicações: alinhamentos globais Objetivo de alinhamentos globais é sobrepor sítios homólogos das sequências alinhadas:

53 Aplicações: alinhamentos globais Objetivo de alinhamentos globais é sobrepor sítios homólogos das sequências alinhadas: lacunas: são adicionadas quando há uma inserção/deleção, e portanto não há equivalente na outra sequência

54 Aplicações: alinhamentos globais Objetivo de alinhamentos globais é sobrepor sítios homólogos das sequências alinhadas: pareamentos e não-pareamentos: essas posições vão ser sobrepostas de acordo com a inserção das lacunas

55 Agrupamento de homólogos Agrupar genes com origens comuns; Geralmente a partir de sequências protéicas; Objetivos: anotação funcional; homologia função ortólogos e inparálogos tendem a conservar função; genes com funções equivalentes; filogenia; genômica comparativa;

56 Algoritmo de melhor hit Bidirecional: 1. Comparações all-vs-all (BLAST) gene01 gene01 gene02 gene13 gene03 gene14 gene04 gene07 gene05 gene05 gene06 gene06 gene07 gene01 gene08 gene02 gene09 gene03 gene10 gene15 gene11 gene21 gene12 gene07

57 Algoritmo de melhor hit Bidirecional: 1. Comparações all-vs-all (BLAST) 2. Buscar melhores hits recíprocos a. recíproco?!?! gene01 gene01 gene02 gene13 gene03 gene14 gene04 gene07 gene05 gene05 gene06 gene06 gene07 gene01 gene08 gene02 gene09 gene03 gene10 gene15 gene11 gene21 gene12 gene07

60 Algoritmo de melhor hit Bidirecional: 1. Comparações all-vs-all (BLAST) 2. Buscar melhores hits recíprocos gene01 gene01 gene02 gene13 gene03 gene14 gene04 gene07 gene05 gene05 gene06 gene06 gene07 gene01 gene08 gene02 gene09 gene03 gene10 gene15 gene11 gene09 gene11 gene08

61 Algoritmo de melhor hit Bidirecional: 1. Comparações all-vs-all (BLAST) 2. Buscar melhores hits recíprocos a. remover hits não significantes! i. Identidade: 30% ii. cobertura: 50% iii. e-value: gene01 gene01 gene02 gene13 gene03 gene14 gene04 gene07 gene05 gene05 gene06 gene06 gene07 gene01 gene08 gene02 gene09 gene03 gene10 gene15 gene11 gene09 gene11 gene08

62 Algoritmo de melhor hit Bidirecional: 1. Comparações all-vs-all (BLAST) 2. Buscar melhores hits recíprocos a. remover hits não significantes! i. Identidade: 30% ii. cobertura: 50% iii. e-value: gene01 gene01 gene02 gene13 gene03 gene14 gene04 gene07 gene05 gene05 gene06 gene06 gene07 gene01 gene08 gene02 gene09 gene03 gene10 gene15 gene11 gene09 gene11 gene08

63 Algoritmo de melhor hit Bidirecional: 1. Comparações all-vs-all (BLAST) 2. Buscar melhores hits recíprocos a. remover hits não significantes! b. montagem dos pares semente gene01 gene01 gene02 gene13 gene03 gene14 gene04 gene07 gene05 gene05 gene06 gene06 gene07 gene01 gene08 gene02 gene09 gene03 gene10 gene15 gene11 gene09 gene11 gene08

64 Algoritmo de melhor hit Bidirecional: 1. Comparações all-vs-all (BLAST) 2. Buscar melhores hits recíprocos a. remover hits não significantes! b. montagem dos pares semente 3. Adição de Inparálogos a. hit significante no mesmo genoma gene01 gene01 gene02 gene13 gene03 gene08 gene04 gene07 gene05 gene05 gene06 gene06 gene07 gene01 gene08 gene02 gene09 gene03 gene10 gene15 gene11 gene09 gene11 gene08

65 Algoritmo de melhor hit Bidirecional: 1. Comparações all-vs-all (BLAST) 2. Buscar melhores hits recíprocos a. remover hits não significantes! b. montagem dos pares semente 3. Adição de Inparálogos a. hit significante no mesmo genoma b. hit significante no outro genoma gene01 gene01 gene02 gene13 gene03 gene08 gene04 gene07 gene05 gene05 gene06 gene06 gene07 gene01 gene08 gene02 gene09 gene03 gene10 gene15 gene11 gene09 gene11 gene08

66 Algoritmo de melhor hit Bidirecional: extras Algoritmo de Clusterização de Markov (MCL): método de clusterização de grafos (redes); refinar resultado do BBH (granularidade); Parâmetros básicos: expansão e inflação

67 Algoritmo de melhor hit Bidirecional: extras Algoritmo de Clusterização de Markov (MCL): método de clusterização de grafos (redes); refinar resultado do BBH (granularidade); Parâmetros básicos: expansão e inflação

68 Algoritmo de melhor hit Bidirecional: extras Sintenia: suporte para hipótese de homologia; identificar o verdadeiro ortologo ;

72 Algoritmo de melhor hit Bidirecional: extras Sintenia: suporte para hipótese de homologia; identificar o verdadeiro ortologo ; e entr a i c stân enta o i d da aum anjos o t s n a e rr aum genom de rea os ero núm

74 Exemplo: sintenia Identificar transferência horizontal! comparar com P. stutzeri: R. gelatinosus D. aromatica apresentam sintenia?

75 R. gelatinosus Exemplo: sintenia

76 D. aromatica Exemplo: sintenia

77 Exemplo: sintenia Diferentes abordagens para avaliar

78 Aplicações: agrupamento de proteínas Exemplos de ferramentas InParanoid/Multiparanoid apenas BBH; 2 processos separados: formação de pares; sobreposição de pares de genomas;

79 Aplicações: agrupamento de proteínas Exemplos de ferramentas orthomcl BBH e ajuste com o MCL; suporta maior quantidade de genomas; mais usado;

80 Aplicações: bases de dados Se você quer apenas saber o homólogo de um gene específico, o processo é bem mais simples! comparar sua sequência com um conjunto já agrupado; diversas BDs com focos diferentes;

81 Aplicações: bases de dados COG: 1º BD de grupos homólogos; considerado por muitos o gold standard ; curados manualmente; poucos genomas; desativado em 2012

82 Aplicações: bases de dados eggnog baseado no COG; o mais abrangente; baseado em funções diversas formas de busca; grupos hierárquicos;

83 Aplicações: bases de dados OMA diversas formas de busca; baseado em funções grupos hierárquicos;

84 Aplicações: filogen(ia ômica) 1. Agrupamento de hómologos 2. Genes comuns às espécies de interesse 3. Descartar grupos contendo parálogos a. porque? 4. Alinhamento e árvore