Evoluo Molecular O estudo da histria dos organismos

Evolução Molecular O estudo da história dos organismos através das macromoléculas. . .

Ciências Históricas p Análise de documentos n n Perda pela ação do tempo Perda por acidentes ou ações criminosas O historiador deve ser capaz de reunir a documentação disponível e tentar reconstruir um evento a partir dela p Novas evidências p n n Corroboram a história Modificam a interpretação

Evolução p Alteração das freqüências gênicas

Evolução Ciência Histórica p Documentos p n Organismos fósseis Caracteres morfológicos p Datação p n Organismos atuais Caracteres Morfológicos p Aspectos comportamentais p Fisiologia p Moléculas p

Morfologia p Primeira ferramenta utilizada n n p Grande influência do ambiente n n n p Propiciou grandes descobertas Permite o estudo dos fósseis Desenvolvimento História de vida Plasticidade fenotípica Seleção Natural n Convergência evolutiva

Moléculas p Não sofrem necessariamente a ação do ambiente n p Mecanismos de modificação bem conhecidos pela genética molecular n n n p A variação é considerada neutra Replicação do DNA Mutações Mecanismos de reparo Análise estatística e probabilística

Alguns conceitos básicos. . .

1 - Árvores. . .

Árvores Filogenéticas A F I G B H C D E OTU – Unidade Taxonômica Operacional (Nó terminal) Ramo Terminal Nó ancestral Ramo Ancestral

Árvores Filogenéticas A F I G B 3 E Tempo 1 B 2 C 2 H C D A 2 2 1 6 1 unidade E D

Árvores Filogenéticas

2 - Teoria Neutralista Kimura (1968) p Alta variabilidade molecular p Os fatores mais importantes na evolução molecular dos organismos são: p n n n Oscilação aleatória dos genes Seleção Purificadora Mutações p Seleção positiva: efeito eventual

Teoria Neutralista p Concepções equivocadas: n n n Moléculas seletivamente neutras não têm função As substituições neutras são apenas ruído A teoria neutralista rejeita a Seleção Natural

3 - Relógio Molecular pÀ medida que duas espécies divergem de um ancestral comum, acumulam mutações em uma taxa regular, ficando progressivamente mais diferentes uma da outra. . .

Relógio Molecular A A 1 1 mutação 2 mutações A 2 Especiação 2 mutações 1 mutação 3 mutações 2 mutações Acúmulo de Diferenças

Div. Gen. Relógio Molecular Tempo

4 - Homologia p Um caráter é homólogo em dois organismos se foi herdado por ambos a partir de seu ancestral comum. p Para análise de sequências: Não existe percentagem de homologia: ou uma sequência é homóloga, ou não é n Quanto maior a similaridade entre as sequências, maior a probabilidade de serem homólogas n No entanto, duas sequências podem ser homólogas e não apresentar similaridades (depende do tempo de divergência entre elas) n

5 - Duplicação Gênica Aumento da quantidade de genes nas células p Frequente formação de pseudo-genes p n p (genes que foram desligados) Leva à construção de árvores de genes, e não de espécies. . .

Duplicação Gênica

6 - Ortologia e Paralogia p a 1 e a 2; b 1 e b 2 são ortólogos p a 1 e b 1; a 1 e b 2, a 2 e b 1. . . são parálogos

7 - Xenologia p Resultado de transmissão horizontal. n n Ex: Elemento P em Drosophila. Muito importante na análise de árvores filogenéticas moleculares de microorganismos, especialmente vírus e bactérias.

8 - Analogia p Convergência evolutiva. n O ancestral comum possuía esta característica? Sim: Homólogas p Não: Análogas p n Dificilmente ocorrem analogias em caracteres moleculares

Cladismo x Fenética

Cladistas X Feneticistas p Fenética: n n n Taxonomia numérica OTUs (Operational Taxonomic Units) Agrupamento das espécies por similaridade morfológica global p Se a taxa de evolução entre as OTUs for uniforme, a fenética oferece uma medida do tempo que separa as espécies, ou seja, o tamanho dos braços de uma árvore

Cladistas X Feneticistas p Cladística Henning (1950) – 1966. n Tenta inferir a história evolutiva n Parte de sinapomorfias n Requer um grupo externo para definir plesiomorfias n p Problema: os cladistas crêem que seu método reconstroi a árvore verdadeira, e que o reconhecimento de sinapomorfias é a única maneira de reconstruir filogenias.

Cladistas X Feneticistas Distâncias fenéticas são inconcebíveis para os cladistas p Para os cladistas, mesmo caracteres moleculares, que são quantitativos e não qualitativos, deveriam ser analisados sob seu ponto de vista p Hoje a maioria dos pesquisadores reconhece a superioridade filosófica da abordagem cladística, o que não invalida a fenética em filogenia, especialmente molecular p

Finalmente. . . Filogenia Molecular

Vantagens e Desvantagens p Vantagens: A comparação entre organismos muito diferentes é possível p Uso de genes diferentes para diferentes problemas p A evolução molecular é melhor compreendida que a morfológica p Existem modelos e testes p Relógio molecular e Neutralismo - Teoricamente é possível datar os eventos de divergência. p

Vantagens e Desvantagens p Desvantagens: Técnicas mais caras n Uso de produtos cancerígenos e radioativos n Árvores de genes e não de espécies n

Escolha do Gene p De acordo com a taxa de substituições nucleotídicas, levando em conta o tempo estimado de divergência dos organismos a serem comparados n n Pseudogenes, regiões intergênicas e íntrons são indicados para espécies próximas ou populações Histonas são indicadas para filogenias entre reinos.

Métodos Moleculares p Extração do DNA total do organismo p Reação de PCR com “primers” apropriados para amplificar o gene escolhido p Purificação dos fragmentos p Sequenciamento

Métodos Moleculares p Verificação da qualidade dos cromatogramas

Bancos de Dados p EMBL http: //www. ebi. ac. uk/embl/ p Gen. Bank http: //www. ncbi. nlm. nih. gov p DDBJ http: //www. ddbj. nig. ac. jp/ p INSD http: //www. insdc. org/

NCBI Início – dezembro/1982 – 606 entradas p Incorporação de Sequências: p n n n Submissão direta pelos autores Associação com grandes projetos de sequenciamento de genomas completos Intercâmbio com o INSD

NCBI p Agosto/2009 – n 108. 431. 692 entradas (sequências) 41 genomas completos de Eucariotos (649 em andamento) 6. 121 genomas de Procariotos (1. 457 completos) 2. 567 genomas de Vírus completos. n E o banco continua crescendo. . . n n n

Análise das Sequências p BLAST (ferramenta do NCBI) n n Permite a comparação rápida da sequência obtida no laboratório com as sequências presentes nos bancos de dados Permite a busca por sequências semelhantes para a construção de filogenias

Análise das Seqüências p Alinhamento de bases n Garante que os sítios a serem comparados são homólogos AAC T T C AGT C AT T GGT GT C C T T T GT AGT T AA AAC T T C AGT GAT T GGAGT C C T GT AGGT AC AAT T T CGAGT C AT NGGT GT C C T GT AAC AAC T T C AGAC AT T GGT GT C C T T T GT AGT T AC §http: //www. megasoftware. net

Alinhamento p Alinhe as seguintes sequências proteicas. . . MKLSPAD n MSLSPKD n MLSPAD n p Dica prática: Se você precisar de um computador para alinhar as suas sequências, melhor não usálas. . .

Alinhamento p Clustal. W n Alinhar duas sequencias T C T G C A T C A G C • •

Alinhamento p Se as sequências a serem alinhadas forem codificadoras de proteínas, é conveniente alinhar a partir da sequência de aminoácidos p Se as sequências forem m. RNAs, é conveniente alinhar a partir das regiões de grampos (em muitos casos, é conveniente excluir as alças dos alinhamentos)

Reconstrução da Filogenia p Métodos que buscam, dentre todas as árvores possíveis, a que melhor represente a história evolutiva dos organismos estudados: n Máxima Parcimônia p n Máxima Verossimilhança p n Escolha da topologia que apresentar o menor número de substituições. Escolha da topologia que apresentar o maior grau de adequação a um modelo de substituição. Evolução Mínima p Escolha da topologia que apresentar o menor tamanho dos ramos § Problema: O número de topologias aumenta exponencialmente com o número de OTUs.

N. de OTUs 2 3 4 5 6 7 8 9 10 15 20 25 30 40 50 N. de árvores enraizadas 1 3 15 105 945 10. 395 135 2. 027. 025 34. 459. 425 2, 13458 x 1014 8, 20079 x 1021 1, 19257 x 1030 4, 9518 x 1038 1, 00985 x 1057 2, 75292 x 1076 N. de árvores não enraizadas 1 1 3 15 105 945 1. 395 135 2. 027. 025 7, 90585 x 1012 2, 21643 x 1020 2, 53738 x 1028 8, 68736 x 1036 1, 31149 x 1055 2, 83806 x 1074