Biologia dos marcadores moleculares

Almir R. Pepato

Ácidos Nucléicos

Pirimidina Purina

IUPACCódigo formalizado pela International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) em1970.

RNA

Nos vírus de RNA (fita simples ou dupla), funciona como material genético

Mas também é capaz de produzir configurações espaciais complexas e com isso apresentar capacidade catalítica análoga às enzimas protéicas.

RNA

Mundo de RNA, hoje

DNA RNA Proteínas Armazenamento de informação

Assumiram a maior parte das atividades catalíticas e estruturais das células.

rRNA, tRNA, mRNA, e muito mais:

DNA Polimerase

Mutações

Bases nitrogenadas anômalas são uma das causas mais comuns de mutações pontuais.

Mutações

Transcrição

Processamento do mRNA

O splicing alternativo pode constituir um importante mecanismo de evolução das proteínas, permitindo combinações originais de sítios funcionais.

Processamento do mRNA

Transcriptase reversa

Síntese protéica

Código genético

Codifica para os 20 aminoácidos e códons de parada.

Questões para discussão1- O DNA é um ácido nucléico. Sua carga elétrica é NEGATIVA, submetido a um campo elétrico, portanto, correrá do pólo NEGATIVO para o POSITIVO.

Questões para discussão2- Transições são substituições entre pirimidinas ou entre purinas. Transversões são substituições de purinas por pirimidinas e vice-versa. Complete a matriz de custos abaixo, onde às transições é atribuído o custo 1 e às transversões valor 2.

Na maioria das sequências as transições são mais frequentes que as transversões.

Questões para discussão3- Qual das seguintes mutações afetando códons em uma proteína de um gene nuclear deve ter MENOS impacto sobre a aptidão do organismo?

Seq. original: UUU UAU GAG CUU Phe Tyr Glu Leu

Mutação 1: UUU UAU GUG CUU

Mutação 2: UUU UAA GAG CUU

Mutação 3: - UUU AUG AGC UU...

Mutação 4: UUC UAC GAG UUG

Phe Tyr Val Leu

Phe --- --- ---

Phe Met Ser ...

Phe Tyr Glu Leu

Marcadores mais utilizados

Almir R. Pepato

Marcadores mais utilizados

Almir R. Pepato

Definição de marcador molecular

Uma sequência nucleotídica ou de aminoácidos detectável

experimentalmente

Genes Ribossomais

Metáfase de Serrasalmus serrulatus marcadas para o 18S (Nakayama et al, 2008)

Todos os genomas apresentam genes ribossomais (Procariotos, Mitocôndrias, Cloroplastos, Nucleares)

Nos Eucariotos há várias cópias agrupadas em diversos cromossomos

Estrutura dos genes Ribossomais

Nas mitocôndrias esses genes são ainda mais compactos:

SSU: 12SLSU: 16S

Estrutura secundária

Estrutura secundária

Vantagens do emprego dos rDNA

Primers conservados

Múltiplas cópias, evolução concertada

Poucos problemas de paralogia

É um dos únicos marcadores que pode ser sequenciado em qualquer ser vivo

A estrutura secundaria auxília no alinhamento das sequências e fornece outros caracteres.

Genes codificantes

Genes codificantes

Dificuldades técnicas: Poucas cópias na amostra reduz a quantidade de substrato para a reação de PCR.

Propriedades semelhantes aos dos genes ribossomais

Genes codificantes

Exemplo de gene com multiplas cópias, com evidências de evolução concertada.

Genes codificantesAlternativa para a obtenção de genes de cópia simples: Transcriptase Reversa- PCR (Utilizado também para ESTs, apenas um artigo).

ITS e outros introns

Os introns são regiões excluídas do mRNA graças ao mecanismo de splicing.

Como são regiões que não codificam proteínas estão menos sujeitas à seleção natural estabilizadora e assim acumulam mais substituições.

Geralmente empregados para recuperar histórias evolutivas recentes.

DNA organelar

DNA organelar

DNA organelarFênomeno comum nos genomas mitocôndriais, o viés no emprego de nucleotídeos pode levar a erros nas inferências filogenéticas

Mutação Vs Substituição

Mutação é um fenômeno químico. Produz novas versões dos genes.

Substituição é um fenômeno populacional.

Mecanismos que levam à fixação de alelos

Deriva gênica:

No caso do aparecimento de uma nova mutação, m=1:

Considerando uma taxa de mutação μ:

Mecanismos que levam à fixação de alelos

Modelo Wright-Fisher para descrever a evolução por deriva gênica:

Probabilidade de ter a mutação:

Probabilidade de não ter a mutação:

Isso dá uma distribuição binomial, com a probabilidade de termos n mutantes na geração seguinte de:

Mecanismos que levam à fixação de alelos

Seleção natural, aptidão média:

A probabilidade de que o gene mutante seja transmitido à nova geração é de:

Agora basta substituir “a” no modelo de Wright-Fisher.

Coalescência

Exemplo de um modelo simples:Em uma população em que todos os indivíduos apresentam o mesmo número médio de descendentes a probabilidade de um indivíduos compartilhar a mãe é de:

Já a possibilidade de não compartilharem é de:

CoalescênciaA probabilidade de dois indivíduos compartilharem um dos pais a T gerações atrás é de :

Ou:

O tempo para a coalescência nas nossas condições inverossímeis é 2N.

Cenários para a evolução molecular

Princípios da genética molecular

– Hubby e Lewontin, 1966; Harris, 1966

Revelou um nível de polimorfismo insuspeito.

Relógio molecular

Dickerson, 1971

Proporcional ao tempo absoluto.

Neutralismo

Taxa de substituição sob deriva: k = 2Nμ * 1/2N = μ

E sob seleção:k = 2N μ * 2s = 4N μ s

NeutralismoPrevisões da hipótese neutralista:

1- Relógio molecular proporcional ao tempo absoluto? (geracional) (pois proporcional à taxa de mutação).

2- Heterozigose alta, independente do tamanho populacional.

3- Divergência entre populações similar ao polimorfismo dentro das populações.

Heterezigose

A taxa de heterozigose tipicamente é ao redor de 0.1

Se H=0.1, como H= 4Nµ / (4Nµ+1) 4Nµ ~ 0.1Usando µ=5x10-8

Podemos nos perguntar: qual N necessário?O valor obtido é 500,000 que é razoável.

Heterozigose

Substituição/polimorfismoSob neutralidade:kN/kS = pN/pSkN/kS

pN/pS

Substituição/polimorfismo

Sob seleção positiva

kN/kS > pN/pS(Drosophila)

kN/kS

pN/pS

= subst. não sinônima

Substituição/polimorfismo

kN/kS

Sob modelo com mutações fracamente deletérias

kN/kS < pN/pS(Humanos)

pN/pS

= polim. não sinônimo

Exemplo de baixo coeficiente de seleção

Hipótese quase-neutralista

Tomoko Ohta

“A teoria quase neutra pode ser resumida da seguinte forma. Tanto a deriva genética como a seleção influenciam o comportamento de mutações fracamente selecionadas. A deriva predomina em populações pequenas, e a seleção em populações grandes. A maioria das novas mutações é deletéria, e a maioria das mutações de efeito pequeno devem ser muito fracamente deletérias. Há seleção contra essas mutações em populações grandes, mas se comportam como neutras e populações pequenas”

Heterozigose

Estimativas de divergênciaA vida seria fácil com o relógio molecular...

Estimativas de divergência