Evoluo Molecular O uso de macromolculas como documentos

Evolução Molecular O uso de macromoléculas como documentos históricos

Ciências Históricas • Análise de documentos – 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 • Novas evidências – Corroboram a história – Modificam a interpretação

Evolução • Ciência Histórica • Documentos – Organismos fósseis • Caracteres morfológicos • Datação – Organismos atuais • • Caracteres Morfológicos Aspectos comportamentais Fisiologia Moléculas

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

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

Alguns conceitos básicos Antes de começar com a evolução molecular propriamente dita. . .

1 - Árvores

Árvores filogenéticas • Representações gráficas da história dos organismos – Mostra as relações de parentesco entre eles • A figura ao lado mostra a primeira árvore filogenética – Idealizada por Charles Darwin

Como olhar para uma árvore filogenética? Ramo terminal Nó terminal A Ramo ancestral F Nó ancestral H I Nó ancestral Ou nó basal Nó terminal F B G B H C I D A G C D E E Espécie irmã

Ramo terminal Ramo ancestral Nó terminal Nó ancestral Ou nó basal Espécies irmãs

Tempo

Que tipo de coisas uma árvore filogenética pode representar? A A B B C C D D E E Tempo OTUs alinhadas Nós terminais alinhados

65 52 39 26 13

Que tipo de coisas uma árvore filogenética pode representar? A 2 3 1 B 2 2 2 1 6 1 unidade E D C OTUs desalinhadas: Os tamanhos dos ramos representam o número de modificações desde cada nó ancestral

A raiz é necessária?

Raizes e Outgroups. . . • Para poder ter uma noção de tempo, é preciso enraizar a árvore • Se o objetivo for só inferir as relações entre as OTUs, não é necessário enraizar.

2 -Teoria Neutralista

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

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

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

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

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

Div. Gen. Relógio Molecular Tempo

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

Duplicação Gênica • Aumento da quantidade de genes nas células • Freqüente formação de pseudo-genes Área da duplicação – genes que foram desligados • Leva à construção de árvores de genes, e não de espécies. . . Antes da duplicação Depois da duplicação

Duplicação Gênica

Duplicação Gênica Parálogos Ortólogos Parálogos. Ortólogos

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

Analogia • Convergência evolutiva. – O ancestral comum possuía esta característica? • Sim: Homólogas • Não: Análogas – Dificilmente ocorrem analogias em caracteres moleculares

Filogenia Molecular Propriamente dita. . .

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

Vantagens e desvantagens • Desvantagens: – Técnicas mais caras – Uso de produtos cancerígenos e radioativos – Árvores de genes e não de espécies

Escolha do Gene • De acordo com a taxa de substituições nucleotídicas, levando em conta o tempo estimado de divergência dos organismos a serem comparados – Pseudogenes, regiões intergênicas e íntrons são indicados para espécies próximas ou populações – Histonas são indicadas para filogenias entre reinos. • O mais apropriado é testar vários genes para um mesmo problema, verificar o sinal filogenético e avaliar os resultados comuns.

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

Bioinformática • Verificação da qualidade dos cromatogramas

Bioinformática • Busca de Seqüências na Internet EMBL http: //www. ebi. ac. uk/embl/ Gen. Bank http: //www. ncbi. nlm. nih. gov DDBJ http: //www. ddbj. nig. ac. jp/ INSD http: //www. insdc. org/

Bioinformática • Alinhamento das sequências 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

Reconstrução das filogenias • Métodos mais utilizados hoje: – Máxima Parcimônia • Escolha da topologia que apresentar o menor número de substituições. – Máxima Verossimilhança • Escolha da topologia que apresentar o maior grau de adequação a um modelo de substituição. – Evolução Mínima • Escolha da topologia que apresentar o menor tamanho dos ramos - métodos geométricos » 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

Métodos Geométricos Baseados em Distância

Cálculo de distâncias • Faça o alinhamento das sequências e conte quantas bases diferentes há entre cada par de sequências alinhadas