Avanços no entendimento da relação entre genótipo e fenótipo através de marcadores genéticos

Avanços no entendimento da relação entre genótipo e fenótipo através de marcadores genéticos Gabriel Rodrigues Alves Margarido Orientador: Antonio Augusto Franco Garcia

SUMÁRIO 2

SUMÁRIO 1. Introdução 2

SUMÁRIO 1. Introdução 2. Arquitetura Genética 2

SUMÁRIO 1. Introdução 2. Arquitetura Genética 3. Genética de Sistemas 2

SUMÁRIO 1. Introdução 2. Arquitetura Genética 3. Genética de Sistemas eqtls, redes e QTTs 2

SUMÁRIO 1. Introdução 2. Arquitetura Genética 3. Genética de Sistemas eqtls, redes e QTTs 4. Conclusões e Perspectivas 2

1. INTRODUÇÃO 3

1. INTRODUÇÃO Populações naturais variação fenotípica 3

1. INTRODUÇÃO Populações naturais variação fenotípica Complexidade em múltiplos locos Interações Condições ambientais 3

1. INTRODUÇÃO Populações naturais variação fenotípica Complexidade em múltiplos locos Interações Condições ambientais Variação no DNA Fenótipo 3

1. INTRODUÇÃO 4

1. INTRODUÇÃO Marcadores moleculares abundantes 4

1. INTRODUÇÃO Marcadores moleculares abundantes Métodos de genotipagem 4

1. INTRODUÇÃO Marcadores moleculares abundantes Métodos de genotipagem Métodos estatísticos 4

1. INTRODUÇÃO Marcadores moleculares abundantes Métodos de genotipagem Métodos estatísticos QTL (Quantitative Trait Loci) 4

1. INTRODUÇÃO Marcadores moleculares abundantes Métodos de genotipagem Métodos estatísticos QTL (Quantitative Trait Loci) Longo-prazo: explicar variação genética Genes, alelos, backgrounds, ambientes Base molecular 4

1. INTRODUÇÃO Marcadores moleculares abundantes Métodos de genotipagem Métodos estatísticos QTL (Quantitative Trait Loci) Longo-prazo: explicar variação genética Genes, alelos, backgrounds, ambientes Base molecular Limitações tecnológicas 4

1. MAPEAMENTO DE QTL GENÓTIPO LIGAÇÃO FENÓTIPO 5

1. MAPEAMENTO DE QTL 5

1. MAPEAMENTO DE QTL Detecção e localização 7

1. MAPEAMENTO DE QTL Detecção e localização PODER Probabilidade de rejeitar uma hipótese nula falsa 7

1. MAPEAMENTO DE QTL Detecção e localização PODER Efeito ( δ/ σ W ) Frequências alélicas PODER Probabilidade de rejeitar uma hipótese nula falsa 7

1. MAPEAMENTO DE QTL Detecção e localização PODER Efeito ( δ/ σ W ) Frequências alélicas PODER Probabilidade de rejeitar uma hipótese nula falsa PRECISÃO Fração de recombinação DL 7

1. MAPEAMENTO DE QTL Fonte: Steinmetz et al., Nature, 2009 8

1. MAPEAMENTO DE QTL Fonte: Steinmetz et al., Nature, 2009 Iterativo 8

1. MAPEAMENTO DE QTL Fonte: Steinmetz et al., Nature, 2009 Iterativo Genes candidatos 8

1. MAPEAMENTO DE QTL Fonte: Steinmetz et al., Nature, 2009 Iterativo Genes candidatos Genomas anotados 8

1. MAPEAMENTO DE QTL Fonte: Steinmetz et al., Nature, 2009 Iterativo Genes candidatos Genomas anotados Mapeamento recombinação alta resolução 8

2. ARQUITETURA GENÉTICA 9

2. ARQUITETURA GENÉTICA 2.1. Número de locos e tamanho dos efeitos 9

2. ARQUITETURA GENÉTICA 2.1. Número de locos e tamanho dos efeitos 2.2. Descoberta de locos 9

2. ARQUITETURA GENÉTICA 2.1. Número de locos e tamanho dos efeitos 2.2. Descoberta de locos 2.3. Contexto 9

2. ARQUITETURA GENÉTICA 2.1. Número de locos e tamanho dos efeitos 2.2. Descoberta de locos 2.3. Contexto 2.4. Pleiotropia 9

2. ARQUITETURA GENÉTICA 2.1. Número de locos e tamanho dos efeitos 2.2. Descoberta de locos 2.3. Contexto 2.4. Pleiotropia 2.5. Base molecular 9

2.1. NÚMERO E EFEITOS Fonte: Paterson et al., Genetics, 1991 10

2.1. NÚMERO E EFEITOS Fonte: Paterson et al., Genetics, 1991 Poucos QTLs com grandes efeitos 10

2.1. NÚMERO E EFEITOS Fonte: Paterson et al., Genetics, 1991 Poucos QTLs com grandes efeitos Arquitetura moderadamente complexa 10

2.1. NÚMERO E EFEITOS Fonte: Paterson et al., Genetics, 1991 Poucos QTLs com grandes efeitos Arquitetura moderadamente complexa Falta de poder 10

2.1. NÚMERO E EFEITOS Fonte: Lai et al., Nature Methods, 2007 Drosophila 2.326 marcas 21.207 F 2 QTL Cromossomo Posição P-valor Machos 1 2L 23B3 0,013 2 2L 27F1-28D2 0,001 3 2L 35A1 < 0,001 4 2L 38A7-A8 0,016 5 2R 47C1-47C6 < 0,001 6 2R 51E9-52C4 < 0,001 7 2R 53A1 0,020 8 2R 56A2-56D3 0,001 9 2R 58C1-58C4 0,001 10 3R 94E1 0,020 11 3R 96E10 0,012 Fêmeas 12 X 3F7-4B1 0,002 13 X 7C4 0,015 14 2L 35A1 0,001 15 2R 57A8-57B7 < 0,001 16 2R 58C2-C3 0,023 17 3L 77E5 0,024 18 3R 97F3 0,007 11

2.1. NÚMERO E EFEITOS Fonte: Kroymann & Mitchell-Olds, Nature, 2005 12

2.1. NÚMERO E EFEITOS Fonte: Kroymann & Mitchell-Olds, Nature, 2005 Arabidopsis 12

2.1. NÚMERO E EFEITOS Fonte: Kroymann & Mitchell-Olds, Nature, 2005 Arabidopsis 1cM Não detectado em busca pelo genoma 12

2.1. NÚMERO E EFEITOS Fonte: Kroymann & Mitchell-Olds, Nature, 2005 Arabidopsis 1cM Não detectado em busca pelo genoma Genes de pequeno efeito devem ser maioria dos polimorfismos 12

2.1. NÚMERO E EFEITOS 13

2.1. NÚMERO E EFEITOS Duas décadas de estudos 13

2.1. NÚMERO E EFEITOS Duas décadas de estudos Grandes efeitos são raros 13

2.1. NÚMERO E EFEITOS Duas décadas de estudos Grandes efeitos são raros Variação genética: muitos locos com efeitos muito pequenos para serem detectados Falta de poder 13

2.2. NOVOS LOCOS 14

2.2. NOVOS LOCOS Conhecimento da base genética 14

2.2. NOVOS LOCOS Conhecimento da base genética Mutagênese em organismos modelo Fenótipo selvagem vs. alelos nulos 14

2.2. NOVOS LOCOS Conhecimento da base genética Mutagênese em organismos modelo Fenótipo selvagem vs. alelos nulos Deficiências Locos necessários para o fenótipo selvagem Efeitos sutis em caracteres quantitativos 14

2.2. NOVOS LOCOS Fonte: Mezey et al., Genetics, 2005 15

2.2. NOVOS LOCOS Fonte: Mezey et al., Genetics, 2005 Complementação 15

2.2. NOVOS LOCOS Fonte: Mezey et al., Genetics, 2005 Complementação Sobreposição? 15

2.2. NOVOS LOCOS Fonte: Mezey et al., Genetics, 2005 Complementação Sobreposição? 14 novos locos 15

2.2. NOVOS LOCOS 16

2.2. NOVOS LOCOS Pouco conhecimento sobre genes candidatos 16

2.2. NOVOS LOCOS Pouco conhecimento sobre genes candidatos Genoma: território inexplorado Efeitos fenotípicos de alelos naturais 16

2.2. NOVOS LOCOS Pouco conhecimento sobre genes candidatos Genoma: território inexplorado Efeitos fenotípicos de alelos naturais Análise genética quantitativa Método eficiente para anotação funcional 16

2.3. CONTEXTO 17

2.3. CONTEXTO Epistasia Genótipo x Ambiente Genótipo x Sexo 17

2.3. CONTEXTO Epistasia Genótipo x Ambiente Genótipo x Sexo Perturbação Perdas marginais 17

2.3. CONTEXTO Epistasia Genótipo x Ambiente Genótipo x Sexo Perturbação Perdas marginais Importância Redes e manutenção da variação 17

2.3. CONTEXTO Fonte: Phillips, Nature Reviews Genetics, 2008 Epistasia 18

2.3. CONTEXTO Fonte: Phillips, Nature Reviews Genetics, 2008 Epistasia COMUM 18

2.3. CONTEXTO Fonte: Phillips, Nature Reviews Genetics, 2008 Epistasia COMUM Mapeamento de QTLs 18

2.3. CONTEXTO Fonte: Phillips, Nature Reviews Genetics, 2008 Epistasia COMUM Mapeamento de QTLs Múltiplos testes 2 a 2 Tamanho populacional 18

2.3. CONTEXTO Fonte: Phillips, Nature Reviews Genetics, 2008; Garcia et al., Genetics, 2008 45% 19

2.3. CONTEXTO Fonte: Phillips, Nature Reviews Genetics, 2008; Garcia et al., Genetics, 2008 Epistasia em caráter quantitativo 45% 19

2.3. CONTEXTO Fonte: Phillips, Nature Reviews Genetics, 2008; Garcia et al., Genetics, 2008 Epistasia em caráter quantitativo Epistasia e heterose (alógamas e autógamas) 45% 19

2.3. CONTEXTO Fonte: Kroymann & Mitchell-Olds, Nature, 2005 Arabidopsis 1cM 20

2.3. CONTEXTO Fonte: Kroymann & Mitchell-Olds, Nature, 2005 Epistasia 21

2.3. CONTEXTO Fonte: Kroymann & Mitchell-Olds, Nature, 2005 Epistasia +15,1% -5,1% 21

2.3. CONTEXTO Fonte: Kroymann & Mitchell-Olds, Nature, 2005 Epistasia +15,1% -5,1% Inúmeros outros exemplos 21

2.3. CONTEXTO 22

2.3. CONTEXTO Magnitude 22

2.3. CONTEXTO Magnitude Direção 22

2.3. CONTEXTO Magnitude Direção Independência 22

2.3. CONTEXTO Magnitude Direção Independência QTLs próximos 22

2.3. CONTEXTO Magnitude Direção Independência QTLs próximos Polimorfismos em único loco 22

2.4. PLEIOTROPIA 23

2.4. PLEIOTROPIA Correlações genéticas estáveis 23

2.4. PLEIOTROPIA Correlações genéticas estáveis Respostas correlacionadas à seleção artificial 23

2.4. PLEIOTROPIA Correlações genéticas estáveis Respostas correlacionadas à seleção artificial Restrições genéticas na evolução 23

2.4. PLEIOTROPIA Correlações genéticas estáveis Respostas correlacionadas à seleção artificial Restrições genéticas na evolução GENERALIZADA 23

2.4. PLEIOTROPIA Correlações genéticas estáveis Respostas correlacionadas à seleção artificial Restrições genéticas na evolução GENERALIZADA Ligação vs. Pleiotropia Novas mutações Mapeamento por associação (pequeno DL) 23

2.4. PLEIOTROPIA 24

2.4. PLEIOTROPIA Efeitos de perturbações genéticas em caracteres quantitativos em variantes naturais 24

2.4. PLEIOTROPIA Efeitos de perturbações genéticas em caracteres quantitativos em variantes naturais Subfuncionalização 24

2.4. PLEIOTROPIA Efeitos de perturbações genéticas em caracteres quantitativos em variantes naturais Subfuncionalização Drosophila 24

2.5. BASE MOLECULAR 25

2.5. BASE MOLECULAR Variantes moleculares causais QTN (Quantitative Trait Nucleotide) 25

2.5. BASE MOLECULAR Variantes moleculares causais QTN (Quantitative Trait Nucleotide) Frequências alélicas: forças seletivas 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 25

2.5. BASE MOLECULAR Variantes moleculares causais QTN (Quantitative Trait Nucleotide) Frequências alélicas: forças seletivas 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Variantes raros 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 25

2.5. BASE MOLECULAR Variantes moleculares causais QTN (Quantitative Trait Nucleotide) Frequências alélicas: forças seletivas 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Variantes raros Variantes com frequência alélica do alelo raro < 5% 25

2.5. BASE MOLECULAR SNPs com frequências intermediárias 26

2.5. BASE MOLECULAR SNPs com frequências intermediárias Genotipagem multiplex Poder para mapear QTLs 26

2.5. BASE MOLECULAR SNPs com frequências intermediárias Genotipagem multiplex Poder para mapear QTLs Indels? Variantes de larga escala no número de cópias? 26

2.5. BASE MOLECULAR Mudanças: codantes vs. regulatórias 27

2.5. BASE MOLECULAR Mudanças: codantes vs. regulatórias Polimorfismos sinônimos Estabilidade do mrna 27

2.5. BASE MOLECULAR Mudanças: codantes vs. regulatórias Polimorfismos sinônimos Estabilidade do mrna Polimorfismos em promotores e introns Ligação de fatores de transcrição Splicing 27

2.5. BASE MOLECULAR Mudanças: codantes vs. regulatórias Polimorfismos sinônimos Estabilidade do mrna Polimorfismos em promotores e introns Ligação de fatores de transcrição Splicing Padrão de expressão: quantidade, tempo e tecido 27

2.5. BASE MOLECULAR Fonte: Clark et al., Nature Genetics, 2006 28

QTN Fenótipo

QTN Fenótipo Endofenótipo

3. GENÉTICA DE SISTEMAS 30

3. GENÉTICA DE SISTEMAS Genômica Genética 30

3. GENÉTICA DE SISTEMAS Genômica Genética DNA Abundância de transcritos Fenótipos moleculares Fenótipo do organismo 30

3. GENÉTICA DE SISTEMAS Genômica Genética DNA Abundância de transcritos Fenótipos moleculares Fenótipo do organismo Redes causais de transcritos correlacionados 30

3. GENÉTICA DE SISTEMAS Mapeamento de QTNs 31

3. GENÉTICA DE SISTEMAS Mapeamento de QTNs Mapeamento de eqtls 31

3. GENÉTICA DE SISTEMAS Mapeamento de QTNs Mapeamento de eqtls Rede de coexpressão 31

3. GENÉTICA DE SISTEMAS Mapeamento de QTNs Mapeamento de eqtls Mapeamento de QTTs Rede de coexpressão 31

3. GENÉTICA DE SISTEMAS Fonte: Hansen et al., Trends in Plant Science, 2008 3.1. Mapeamento de eqtls (expression QTL) 32

3. GENÉTICA DE SISTEMAS eqtls 33

3. GENÉTICA DE SISTEMAS eqtls Número 33

3. GENÉTICA DE SISTEMAS eqtls Número Magnitude dos efeitos 33

3. GENÉTICA DE SISTEMAS eqtls Número Magnitude dos efeitos Proporção 33

3. GENÉTICA DE SISTEMAS eqtls Número Magnitude dos efeitos Proporção hot spots 33

3. GENÉTICA DE SISTEMAS eqtls Número Magnitude dos efeitos Proporção hot spots Correlações 33

3. GENÉTICA DE SISTEMAS eqtls Número Magnitude dos efeitos Proporção hot spots Correlações PODER (amostra; testes de hipóteses) 33

3. GENÉTICA DE SISTEMAS Fonte: Ayroles et al., Nature Genetics, 2009 3.2. Redes de coexpressão Rede regulatória Co-variação 34

3. GENÉTICA DE SISTEMAS Fonte: Ayroles et al., Nature Genetics, 2009 3.2. Redes de coexpressão Rede regulatória Co-variação Redundância Módulos Testes 34

3. GENÉTICA DE SISTEMAS Fonte: Ayroles et al., Nature Genetics, 2009 3.2. Redes de coexpressão Rede regulatória Co-variação Redundância Módulos Testes Direcionalidade (cis e trans eqtls) 34

3. GENÉTICA DE SISTEMAS Fonte: Ayroles et al., Nature Genetics, 2009 3.2. Redes de coexpressão Rede regulatória Co-variação Redundância Módulos Testes Direcionalidade (cis e trans eqtls) Sentido biológico 34

3. GENÉTICA DE SISTEMAS Fonte: Ayroles et al., Nature Genetics, 2009 3.2. Redes de coexpressão Rede regulatória Co-variação Redundância Módulos Testes Direcionalidade (cis e trans eqtls) Sentido biológico Culpa por associação 34

3. GENÉTICA DE SISTEMAS 3.3. QTTs (Quantitative Trait Transcript) 35

3. GENÉTICA DE SISTEMAS 3.3. QTTs (Quantitative Trait Transcript) Correlação transcrito fenótipo 35

3. GENÉTICA DE SISTEMAS 3.3. QTTs (Quantitative Trait Transcript) Correlação transcrito fenótipo Centenas! 35

3. GENÉTICA DE SISTEMAS 3.3. QTTs (Quantitative Trait Transcript) Correlação transcrito fenótipo Centenas! Poder e falsos-positivos 35

3. GENÉTICA DE SISTEMAS 3.3. QTTs (Quantitative Trait Transcript) Correlação transcrito fenótipo Centenas! Poder e falsos-positivos Redes 35

3. GENÉTICA DE SISTEMAS 3.3. QTTs (Quantitative Trait Transcript) Correlação transcrito fenótipo Centenas! Poder e falsos-positivos Redes Relações causais 35

3. GENÉTICA DE SISTEMAS 3.3. QTTs (Quantitative Trait Transcript) Correlação transcrito fenótipo Centenas! Poder e falsos-positivos Redes Relações causais DNA 35

3. GENÉTICA DE SISTEMAS Genótipo QTN Fenótipo 36

3. GENÉTICA DE SISTEMAS Genótipo QTN Fenótipo eqtl Intermediários QTT 36

3. GENÉTICA DE SISTEMAS Genótipo QTN Fenótipo eqtl Intermediários QTT Rede de coexpressão 36

3. GENÉTICA DE SISTEMAS Genótipo QTN Fenótipo eqtl Intermediários QTT Rede de coexpressão Rede biológica direcionada 36

3. GENÉTICA DE SISTEMAS Genótipo QTN Fenótipo eqtl Intermediários QTT Rede de coexpressão Rede biológica direcionada Transcritos causais vs. Associações consequentes 36

3. GENÉTICA DE SISTEMAS Genótipo QTN Fenótipo eqtl Intermediários QTT Rede de coexpressão Rede biológica direcionada Transcritos causais vs. Associações consequentes Dependência condicional 36

3. GENÉTICA DE SISTEMAS Fonte: Rockman, Nature, 2008; Mackay et al., Nature Reviews Genetics, 2009 37

3. GENÉTICA DE SISTEMAS Fonte: Rockman, Nature, 2008 38

3. GENÉTICA DE SISTEMAS Fonte: Zou et al., BMC Bioinformatics, 2007 39

3. GENÉTICA DE SISTEMAS Fonte: Ayroles et al., Nature Genetics, 2009 40

3. GENÉTICA DE SISTEMAS Fonte: Ayroles et al., Nature Genetics, 2009 41

CONCLUSÕES E PERSPECTIVAS 42

CONCLUSÕES E PERSPECTIVAS Poder 42

CONCLUSÕES E PERSPECTIVAS Poder Contexto biológico 42

CONCLUSÕES E PERSPECTIVAS Poder Contexto biológico Fenótipos, genótipos e indivíduos 42

CONCLUSÕES E PERSPECTIVAS Poder Contexto biológico Fenótipos, genótipos e indivíduos Amostras e condições 42

CONCLUSÕES E PERSPECTIVAS Poder Contexto biológico Fenótipos, genótipos e indivíduos Amostras e condições Proteínas, metabólitos e epigenética 42

CONCLUSÕES E PERSPECTIVAS Poder Contexto biológico Fenótipos, genótipos e indivíduos Amostras e condições Proteínas, metabólitos e epigenética Novas tecnologias x Desafios estatísticos 42

CONCLUSÕES E PERSPECTIVAS Poder Contexto biológico Fenótipos, genótipos e indivíduos Amostras e condições Proteínas, metabólitos e epigenética Novas tecnologias x Desafios estatísticos Questões em genética quantitativa evolutiva 42

OBRIGADO!