Nada em Biologia faz sentido senão à luz da evolução.

Transcrição

1 Marcos T. Geraldo ADAPTABILIDADE Nada em Biologia faz sentido senão à luz da evolução. Theodosius Dobzhansky (1973) 1

2 Processo de evolução em moléculas de DNA, RNA e proteínas Reconstrução das relações evolutivas entre genes e espécies Investigação das forças e mecanismos do processo evolutivo 2

3 Homologia Similaridade por origem comum CONCEITO QUALITATIVO (NÃO QUANTITATIVO) X 70% de homologia 70% de similaridade 3

4 Mas... Estruturas podem aparecer de forma independente (convergência evolutiva) - de função (várias evidências) - de sequência (ainda polêmico) Pode haver transferência genética horizontal 4

5 Homologia x Analogia Resultado de evolução convergente Aves Mamíferos Endotermia 5

6 Pachycereus pringlei Cactaceae - caule suculento - folhas modificadas em espinhos Euphorbia ingens Euphorbiaceae Transferência genética horizontal originária de processos antigos de recombinação ex: cloroplastos, mitocôndrias originária de processos mais recentes ex: infecção por retrovírus 6

7 História evolutiva de um grupo de genes ou organismos Principal objetivo Descrever as relações evolutivas em termos de uma relação de ancestralidade comum 7

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10 O que gera a grande diversidade de genes e espécies? Um dos principais agentes é o evento de duplicação gênica Pressão seletiva diminui (backup) Permite que uma (ou ambas) as cópias sofram alterações sem redução do fitness Duplicação Gênica Susumo Ohno (1970): livro Evolution by gene duplication A grande diversidade morfológica e de espécies em eucariotos Duplicação de genes, cromossomos ou genomas Principal fonte para surgimento de novos genes 10

11 Duplicação Gênica A partir de 3 processos principais: Crossing-over desigual Retrotransposição Não-disjunção durante a meiose Destino das cópias duplicadas Perda da cópia duplicada Neofuncionalização 11

12 Destino das cópias duplicadas Subfuncionalização Duplicação-Degeneração-Complementação (DDC) 12

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14 Duplicação Gênica Importância evolutiva da duplicação em larga-escala: significativo do material genético chance de que novos genes surjam e adquiram novas funções cordados surgimento vertebrados gnatostomados teleósteos EVOLUÇÃO DE FAMÍLIAS DE GENES E PROTEÍNAS acúmulo independente de alterações especiação duplicação gênica cópias ortólogas cópias parálogas acúmulo independente de alterações 14

15 Cópias ortólogas Cópias parálogas 15

16 Dados de sequências Alinhamento das sequências Método de análise filogenética Cálculo da melhor árvore Teste de confiabilidade Bancos de dados 16

17 DNA Apresenta algumas dificuldades: Proteína Saturação da terceira base Localização de introns e exons Mais informativo em termos evolutivos: Fornece evidência de seleção ou neutralismo Mais fácil e simples de visualizar Mais informativo em termos de função: Cada aminoácido apresenta propriedades como carga, tamanho... Basic Local Alignment Search Tool O que é? = é um algoritmo para acessar um banco de dados e buscar sequências de aminoácidos ou nucleotídeos que sejam similares a uma sequência-alvo específica Qual o objetivo do BLAST? = comparar informações de sequências biológicas primárias 17

18 Tipos de BLAST Query (sequência-alvo) Hits (sequências retornadas) blastn Nucleotídeos Nucleotídeos blastp Aminoácidos Aminoácidos blastx tblastn tblastx Nucleotídeos (6 matrizes de leitura) Aminoácidos Nucleotídeos (6 matrizes de leitura) Aminoácidos Nucleotídeos (6 matrizes de leitura) Nucleotídeos (6 matrizes de leitura) chance da similaridade ser ao acaso Valor de E A similaridade entre as sequências se deve a processos biológicos - evolutivos 18

19 O que é? = um alinhamento de sequências é uma forma de organizar sequências primárias de DNA, RNA ou proteínas Por que alinhar? = identificar regiões similares que possam ser consequência de relações evolutivas/funcionais entre elas Valor Qualitativo Inferência Valor Quantitativo Homólogo Não-homólogo 19

20 SE, 2 sequências de um alinhamento Compartilham ancestral comum Discordâncias entre as sequências (mismatches) Espaços (gaps) Mutações pontuais Inserções ou deleções (indels) Métodos de alinhamento Clustal Muscle Probcons MAFFT T-Coffee Etc 20

21 Formatos de arquivos......de sequências...de árvores filogenéticas FASTA (*.fasta) PHYLIP (*.phy) NEXUS (*.nex ou *.nxs) CLUSTAL (*.aln) NEXUS (*.nex ou *.nxs) NEWICK (*.nwk) 21

22 Outgroup Espécie A Espécie B Espécie C AAGCTTCATA GAGCTTCACA GTGCTTCACG GTGCCTCACG Sítios invariáveis Não informativos Out A B C Outgroup Espécie A Espécie B Espécie C AAGCTTCATA GAGCTTCACA GTGCTTCACG GTGCCTCACG Out A A G T C B C 22

23 Outgroup Espécie A Espécie B Espécie C AAGCTTCATA GAGCTTCACA GTGCTTCACG GTGCCTCACG A G T C Out A B A T A G C Outgroup Espécie A Espécie B Espécie C AAGCTTCATA GAGCTTCACA GTGCTTCACG GTGCCTCACG A G T C Out A B A T A G T C C 23

24 Isto é ruim? NÃO! Genes/proteínas conservadas são utilizadas para resolver relações filogenéticas antigas Genes/proteínas com média ou alta variação são utilizadas para resolver relações filogenéticas recentes Métodos de inferência filogenética 24

25 Métodos de inferência filogenética Máxima Verossimilhança Uso de um modelo de evolução específico Cálculo da árvore que se encaixa no conjunto de dados Análise mais explícita das suposições feitas sobre a evolução das sequências Mais exigente computacionalmente Métodos de inferência filogenética Inferência Bayesiana Outro método de verossimilhança Uso de pressupostos (priors) Algoritmo MCMC (Markov Chain Monte Carlo) cálculos da distribuição de verossimilhança e da probabilidade posterior Alto tempo computacional geração de um conjunto extenso de árvores 25

26 Exemplos: 26

27 Máxima Verossimilhança e Inferência Bayesiana Necessitam de um modelo de evolução/substituição modelos para nucleotídeos ModelTest modelos para aminoácidos ProtTest 27

28 Testes de confiabilidade MÁXIMA VEROSSIMILHANÇA Bootstrap tempo precisão alrt (aproximate likelihood ratio test) tempo precisão INFERÊNCIA BAYESIANA Probabilidade posterior 28

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30 Beauti & Beast Gera arquivo (*.xml) Inferência Bayesiana 30

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35 Figtree

36 Variabilidade pode ser desvantajosa: pode ser eliminada (seleção negativa ou purificadora) neutra: pode ou não se fixar (deriva genética) vantajosa: tem grande chance de se fixar (seleção positiva) Cálculo de dn = número de mutações não-sinônimas ds = número de mutações sinônimas dn ds <1 Seleção negativa ou purificadora =1 Seleção neutra >1 Seleção positiva 36

37 Por exemplo: dn/ds = 1,1 Seleção positiva??? Seleção neutra??? É preciso de algum teste estatístico 37

38 Como uma análise global pode ajudar? Entender a evolução de uma família de genes e proteínas Reunir um conjunto maior de dados para que as inferências filogenéticas sejam mais robustas Fazer uso de informações genômicas para suportar inferências filogenéticas 38

39 Banco de dados de família de proteínas 39

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42 ANÁLISE DE SINTENIA Análise de genes vizinhos a um gene em estudo??? Gene X??? Blocos sintênicos se mantêm relativamente preservados 42

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49 Estudo de caso: 49

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