eleção Natural eleção Natural: obrevivência e reprodução diferencial de indivíduos na população Valor daptativo: progênie gerada que sobrevive e reproduz na próxima geração eleção natural requer variação herdável para valor adaptativo (não basta sorte!) Define valor adaptativo esperado de um genótipo em um ambiente específico DN codifica informações que em conjunto com ambiente influenciam fenótipo Entre características que podem ser influenciadas por respostas geneticamente determinadas ao ambiente estão: no ambiente Uma vez vivo, o sucesso reprodutivo no ambiente Uma vez vivo e tendo reproduzido, a fertilidade ou fecundidade no ambiente. Estes são os componentes do valor adaptativo eleção Natural O ambiente influencia a probabilidade de vários genótipos replicarem o seu DN. eleção favorece um caráter que aumente o valor adaptativo. Indivíduos com maior valor adaptativo tendem a passar mais genes para a próxima geração. Enquanto valor adaptativo for herdável, as diferenças na contribuição à próxima geração induzidas pela seleção natural irão alterar o pool gênico. eleção Natural Enquanto valor adaptativo for herdável, as diferenças na contribuição à próxima geração induzidas pela seleção natural irão alterar o pool gênico. eleção natural tende a aumentar o valor adaptativo médio da população. Este aumento do valor adaptativo médio é a adaptação ao meio ambiente. Valor daptativo ( Fitness ) Embora seja individual, definimos em relação a grupos de indivíduos: De mesmo genótipo De mesmo fenótipo Contribuição genética coletiva à próxima geração. Evitem usar a sobrevivência do mais apto. Porquê? Vários argumentam que é tautológico. Quem são os mais aptos? Os que sobrevivem!!! maioria das pessoas não compreende os termos sobrevivência e apto. eleção Natural em um locus único em um deme se reproduzindo ao acaso Freqüências zigóticas Meio mbiente Z a Z a Z s l l a l Freqüências no adulto Meio mbiente Prob. acasalamento Freqüências em adultos que acasalaram Pool Gênico Z l /l m m a m a m Z l m a Z a l a /lm / lm *b / 2 b Meiose a / 2 b a p = (b m Z l + /2b a m a Z a l a ) / w a Z a l a /l Z l /l m Z l / lm *b a a q = (b m Z l + /2b a m a Z a l a ) / w
Façamos w = b m l ; w a = b a m a l a ; w = b m l Freqüências zigóticas Meio mbiente Valor daptativo Freqüências em adultos que acasalaram pelo # prole Z a Z a Z W W a W a Z W Z a W a Z W Façamos W = V C b ; W a = V a C a b a ; W = V C b Freqüências zigóticas Meio mbiente Valor daptativo Freqüências em adultos que acasalaram pelo # prole p 2 a 2pq q 2 W W a W a p 2 W 2pqW a q 2 W Converter para Freq ao dividir por µ = W = p 2 W +2pqW a +q 2 W Converter para Freq ao dividir por µ = W = p 2 W +2pqW a +q 2 W Freqüência de adultos que se acasalaram Z W / W a Z a W a / W Z W / W Freqüência de adultos que se acasalaram p 2 W /W a 2pqW a /W q 2 W /W Meiose / 2 / 2 Meiose / 2 / 2 Pool Gênico p = Z W /W + ½Z W a /W a q = Z W /W + ½Z a W a /W Pool Gênico p = p 2 W /W + pqw a /W a q = q 2 W /W + pqw a /W Pool Gênico Pool Gênico p = p 2 W /W + pqw a /W a q = q 2 W /W + pqw a /W p = p 2 W /W + pqw a /W a q = q 2 W /W + pqw a /W p = p 2 W /W + pqw a /W =( p 2 W + pqw a )/W = p(pw + qw a )/W p = p 2 W /W + pqw a /W =( p 2 W + pqw a )/W p = p(pw + qw a )/W p = p - p = p(pw + qw a )/W - p = p[pw + qw a )/W - ] p = p[pw + qw a - W]/W Observe que W = W(p+q)=pW+qW p = p[pw + qw a - W]/W = p[pw + qw a - pw - qw]/w =p[p(w -W)+ q(w a -W)]/W 2
Observe que W = W(p+q)=pW+qW p = p[pw + qw a - W]/W = p[pw + qw a - pw - qw]/w =p[p(w -W)+ q(w a -W)]/W p = Z W /W + ½Z W a /W p Pool Gênico a q = Z W /W + ½Z a W a /W = [Z (W - W) + ½Z a (W a -W)]/W = p[z (W - W) + ½Z a (W a -W)]/pW = p/w[z (W - W) + ½Z a (W a -W)/p] Desde que p e W serão sempre > 0, esta é a única parte da equação que pode mudar de sinal e portanto determinar a direção da evolução sob seleção natural. O que é: p(w -W)+ q(w a -W)? O que é: p(w -W)+ q(w a -W)? Fenótipo médio do valor adaptativo O que é: p(w -W)+ q(w a -W)? O que é: p(w -W)+ q(w a -W)? Desvios genotípicos para o fenótipo médio do valor adaptativo Freqüência com que os desvios no valor adaptativo serão encontrados na população 3
O que é: p(w -W)+ q(w a -W)? Este é o excesso médio (verage Excess) do alelo para o fenótipo do valor adaptativo p = pa /W eleção Natural será uma força evolutiva quando: p 0 ou p (ou seja, quando existir variação genética), e a 0 (ou seja, quando existir variação herdável para o valor adaptativo Para se entender seleção natural p = pa /W Esta é a equação fundamental da eleção Natural para genótipos mensurados. penas o componente herdável do valor adaptativo pode promover mudanças evolutivas por seleção natural. PENE COMO UM GMET! mutação nemia Falciforme na África Um exemplo de seleção natural 4
ICELND MDGCR Infecção de uma hemácia pelo parasita da malária O fenótipo da anemia falciforme Células falciformes são filtradas preferencialmente no baço células infectadas com malária são freqüentemente filtradas pois o processo de virar falciforme ocorre antes do parasita completar o ciclo de vida O alelo é portanto, um alelo autossômico, dominante para resistência à malária. maioria de mortes devido a anemia falciforme e malária ocorrem antes da fase adulta. Lembrem-se que viabilidade é o fenótipo de viver até a fase adulta! Distribuição de anemia falciforme e malária na África e no mundo Em um ambiente sem malária, o alelo é um alelo recessivo para viabilidade uma vez que apenas os homozigotos desenvolvem a anemia falciforme. Em um ambiente com malária, o alelo é um alelo sobredominante para viabilidade uma vez que apenas os heterozigotos são resistentes à malária e não desenvolvem anemia falciforme. Duas complicações para esta simples estória na África: epidêmica é recente na maioria da África tropical úmida, e o processo de adaptação à malária na África ainda não está em equilíbrio. epidêmica na África 5
ICELND MDGCR epidêmica na África epidêmica na África Esta colônia introduziu a complexa agricultura Malásia nesta região Há cerca de 2000 anos atrás, uma colônia Malásia-Indonésia estabeleceu-se em Madagascar epidêmica na África Esta agricultura foi assimilada por povos que falavam Bantu, e se seguiu uma grande expansão dos Bantu na África há cerca de 500 anos atrás. agricultura Malásia na África É associada a uma agricultura de corte e queima: Fornece habitat e sítios de criação para nopheles gambiae, o principal mosquito vetor da malária. Resulta em alta densidade local de populações humanas que são necessárias para estabelecer e manter malária como uma doença comum. epidêmica na África Duas complicações para esta simples estória na África: epidêmica é recente na maioria da África tropical úmida, e o processo de adaptação à malária na África ainda não está em equilíbrio. Existe um terceiro alelo, Hemoglobina C, também envolvido na adaptação à malária na África. 6
Mutação Hemoglobina C Hb- GG Hb- GTG Valina Ácido Glutâmico Hb-C 6 o Códon G Lisina nemia Resistência à sem Hb-, e C C (evera) C (Leve) Estes valores podem ser usados como valores adaptativos relativos NÃO Hb-, e C Hb-, e C nemia Resistência à C (evera) C (Leve) NÃO nemia Resistência à C (evera) C (Leve) NÃO sem sem Os alelos e definem uma doença genética autossômica recessiva: seleção irá garantir que continue rara, mas será difícil de eliminá-la em uma população acasalando-se ao acaso. Os alelos e C definem um conjunto de alelos neutros em um ambiente sem malária: uas freqüências são determinadas pela deriva genética, migração e mutação. nemia Resistência à sem com Hb-, e C C (evera) C (Leve) s relativas observadas na África Tropical NÃO.3 Hb-, e C é o melhor genótipo, de longe! e seleção natural é a sobrevivência do mais apto, então a freqüência do alelo C e do genótipo devem aumentar. o contrário do que se diz, a seleção natural não é a sobrevivência do mais apto. eleção natural é variação herdável no valor adaptativo, portanto, pense como um gameta: Qual gameta terá o maior excesso médio (ou seja, terá filhos que serão em média os melhores)? 7
Pool gênico inicial pré- p = 9 p =.005 p C =.005 Valor adaptativo médio inicial após transição para a agricultura Malásia p = 9 p =.005 p C =.005 Com acasalamento ao acaso, fenótipo médio = W = 0 Fenótipos iniciais após transição para a agricultura Malásia c/ Desvios genotípicos (W = 0) p = 9 -.00.099 -.70 p =.005 p C =.005 C -.00 C -.20.3.399 Fenótipos iniciais após transição para a agricultura Malásia com Desvios Genotípicos (W = 0) -.00.099 a = -0.0005 a = 0.0935 a C = 0.0000 -.70 C -.00 C -.20.3.399 Fenótipos iniciais após transição para a agricultura Malásia a = -0.0005 a = 0.0935 a C = 0.0000 p x = p x a x /W resposta adaptativa inicial a um ambiente com malária é: diminuir, aumentar, deixar C do mesmo jeito Pool Gênico após várias gerações de seleção em um ambiente com malária W = 07 p = 5 p = 0.045 p C = 0.005 8
Pool Gênico após várias gerações de seleção em um ambiente com malária p C =.005 Pool Gênico após várias gerações de seleção em um ambiente com malária com Malaria Desvios genotípicos (W = 07) p = 5 -.007.093 -.707 C -.007 C -.207.045.3.393 a = -0.003 a = 0.055 a C = -0.04 pós a resposta adaptativa inicial a malária, seleção natural continua a diminuir aumentar, e diminuir C Pool Gênico após várias gerações de seleção em um ambiente com malária c/ p -p p C 0 À medida que p aumenta, W aumenta e os desvios genotípicos ficam cada vez mais negativos. Portanto, a seleção natural elimina o alelo C. C C p.3 Um equilíbrio por seleção natural irá ocorrer apenas quando p = 0 para todos os alelos. p = -p c/ a = (-p )(-W) + p (-W) = 0 = a = (-p )(-W) + p (-W) p Um equilíbrio por seleção natural irá ocorrer apenas quando p = 0 para todos os alelos. Um equilíbrio por seleção natural irá ocorrer apenas quando p = 0 para todos os alelos. p = -p p p = -p p a = (-p )(-W)+p (-W) = a = (-p )(-W)+p (-W) Coeficientes de eleção (s) mede o valor do valor adaptativo do genótipo em relação a alguma referência a = (-p )(-W)+p (-W) = a = (-p )(-W)+p (-W) (-p )()+p () = (-p )()+p () +0.p = -0.8p p = 0. p = 0./ = 0. Portanto, em equilíbrio, p = 0. e p =0.89 9
0 s freqüências alélicas no equilíbrio são mantidas por seleção natural em um polimorfismo balanceado s freqüências alélicas no equilíbrio são mantidas por seleção natural em um polimorfismo balanceado p = 0.89 p =0. p = 0.89 p =0. Este balanço ocorre porque quando p < 0., a > 0 (resistência à malária domina o excesso médio), e quando p > 0., a < 0 (a anemia domina o excesso médio) 9 W = O equilíbrio p = 0.89 0 W = p =0. No equilíbrio, existe variação genotípica no valor adaptativo, mas não existe variação genética aditiva (Excessos médios = 0). 0.0 W = Um equilíbrio por seleção natural irá ocorrer quando p = 0 para todos os alelos. a = p(w -w) + (-p)(w a -w) = (-p)(w -w) + p(w a - w) = a a pw + (-p)w a = pw a + (-p)w (-p) (w a - w ) = p(w a -w ) e considerarmos W a =, temos que (-p eq ) t = p eq s p eq = t / (s+ t) Duas respostas possíveis à p eq = t / (s+ t) p p 0 p C 0 eleção tem dois efeitos: Promover mudança adaptativa Impedir alteração ao impedir alteração do status quo p = 0.89 p =. C p C =
Duas respostas possíveis à Duas respostas possíveis a p p p 0 p C 0 p 0 p C 0 p = 0.89 p =. C p C =. O genótipo mais apto é eliminado. O genótipo mais apto é fixado 2. Valor adaptat. médio vai de.9 a.9. 2. Valor adaptat. médio vai de.9 a.3. p = 0.89 p =. C p C = Com uma exceção. O genótipo mais apto é eliminado. O genótipo mais apto é fixado 2. Valor adaptat. médio vai de.9 a.9. 2. Valor adaptat. médio vai de.9 a.3. 3. 20% dos indivíduos tem viabilidade relativa de e 80% ou tem anemia ou susceptibilidade à malaria. 3. 00% dos indivíduos tem viabilidade relativa de.3 e nenhum tem anemia ou susceptibilidade à malaria. 3. 20% dos indivíduos tem viabilidade relativa de e 80% ou tem anemia ou susceptibilidade à malaria. 3. 00% dos indivíduos tem viabilidade relativa de.3 e nenhum tem anemia ou susceptibilidade à malaria. Hb-, e C Hb-, e C C C C C sem Malaria sem é um alelo recessivo, deletério em relação a, portanto, seleção natural irá mantê-lo raro em um ambiente pré-. C é um alelo neutro em relação a, logo, algumas vezes o alelo C terá sua freqüência aumentada por deriva. Imagine que existisse um deme com este pool gênico antes da agricultura começar Fenótipos iniciais após transição para a agricultura Malásia p = 5 p =.005 C.045 com Malaria Desvios genotípicos (W = 02) a = -0.00 a = 0.08 a C = 0.05 -.002.098 -.702 C -.002 C -.202.3.398 resposta adaptativa inicial a um ambiente com malária é o aumento da freqüência de e de C.
2 Pool Gênico após várias gerações de seleção em um ambiente com malária Pool Gênico após várias gerações de seleção em um ambiente com malária com p = 8.05 C C C.3 a = -0.009 a = -0.005 a C = 0.044 pós a resposta adaptativa inicial à malária, a seleção natural continua a reduzir, aumentar C, e agora também irá reduzir. Desvios Genotípicos (W = 4) -.0.09 -.7 -.0 -.2.39 Existe uma correlação negativa entre as freqüências de e C em regiões com malária na África 5 0 C llele Frequency o.5 0.0 o.o5 o.o o.o o.o5 0.0 o.5 llele Frequency in 72 West frican Populations Excesso médio de C em ambiente com malária Excesso médio de C em ambiente com malária
3 daptação por seleção natural daptação por seleção natural depende da história: daptação por seleção natural daptação por seleção natural depende também do presente: Quais mutações estão presentes e quais suas freqüências. Destas condições iniciais, a seleção natural modifica o pool gênico a partir da perspectiva do gameta até que não haja mais herdabilidade para o valor adaptativo (ou seja, não exista mais variação genética aditiva). Quais mutações estão presentes, quais suas freqüências e como eles se encontram (sistema de acasalamento). Como vocês esperam que este sistema se adapte à malária caso não haja acasalamento ao acaso, e sim uma pequena endogamia? Como vocês esperam que este sistema se adapte caso não haja acasalamento ao acaso, e sim uma pequena endogamia? Como vocês esperam que este sistema se adapte caso não haja acasalamento ao acaso, e sim uma pequena endogamia? nemia Resistência à sem com C (evera) C (Leve) NÃO.3 Como vimos, a existência de endogamia aumenta a freqüência de homozigotos e diminui a de heterozigotos na população. vantagem do alelo se expressa em heterozigose e a desvantagem em homozigotos, logo, um aumento da endogamia aumentará a seleção contra Por outro lado, a vantagem do alelo C se expressa em homozigose e a desvantagem em heterozigotos, logo, um aumento da endogamia aumentará a seleção favorável a C daptação como um processo poligênico Variação na região de Hbβ foi uma forma das populações se adaptarem à malária, mas não foi a única. Mais de 300 mutações independentes foram identificadas para G6PD, que está envolvida em estresse oxidativo celular. Tais deficiências limitam capacidade de Plasmodium de sobreviver nas células. Mutações associadas à talassemia também foram associadas à resistência a malária. Mais de 80 mutações induzem à α- talassemia e mais de 200 a β - talassemia. daptação por eleção Natural O curso da adaptação é sempre restrito pela disponibilidade de variação genética. Mesmo pressões de seleção uniformes podem criar respostas adaptativas diferentes. daptação em geral envolvem vários loci, com funções bioquímicas, celular e/ou no desenvolvimento distintas.