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Comparação entre sequências de DNA
1. Processo evolutivo de divergência e mutação em
sequências de DNA
2. Implicações metodológicas do processo de mutação
3. Princípios metodológicos de comparação de
sequências de DNA
Objetivo: Compreender a natureza dos processos
de divergência e mutação e suas implicações para a
comparação entre sequências de DNA.
EspaEspaççooTem
po
Tem
po
Descendência com modificação
Histórica Comparativa Inferencial
A sistemática biológica éuma ciência
Matriz de caracteres alinhadosEvolução (não-observável)
CGACTTG
CCACATG
DADOS DE SEQUÊNCIAS
GC TAA
Análise filogenética
População descendente População descendente
Sequências descendentes
AA
CCTT
População ancestral
Sequência ancestral
Comparação de sequências
1. Divergência e mutação
ACTGAACGTAACGC
ACTAAACGTAATGC
Mutação de ponto
ACTGAATGTAACGC
Comparação de sequências
1. Divergência e mutação
ACTGAACGTAACGC
ACTAAACGTAATGC
Deleção
A∗TGAATGTAACGC
Comparação de sequências
1. Divergência e mutação
ACTGAACGTAACGC
ACTAAACGTCAATGC
Inserção
A∗TGAATGTAACGC
Comparação de sequências
1. Divergência e mutação
ACTGAACGTAACGC
ACTAAACGTCAATGC
Mutação de pontoDeleçãoInserção
A∗TGAATGTAACGC
Comparação de sequências
1. Divergência e mutação
Comparação entre sequências de DNA
1. Processo evolutivo de divergência e
mutação em sequências de DNA
2. Implicações metodológicas do processo de
mutação
3. Princípios metodológicos de comparação de
sequências de DNA
ACTGAACGTAACGC
ACTAAACGTAATGC
Mutação de ponto
ACTGAATGTAACGC
Comparação de sequências
2. Implicações metodológicas
• Mutações de ponto não mudam as posições
relativas das bases nas sequências
descendentes em relação à sequência ancestral
ACTGAACGTAACGC
Inserção
ACTAAACGTCAATGC A∗TGAATGTAACGC
ACTGAACGTAACGC
Deleção
ACTAAACGTAATGC A∗TGAATGTAACGC
Comparação de sequências
2. Implicações metodológicas
• Mutações de deleção e inserção mudam as
posições relativas das bases nas sequências
descendentes em relação à sequência ancestral
ACTAAACGTCAATGC ATGAATGTAACGC
ACTGAACGTAACGC
Processo evolutivo
Comparação de sequências
2. Implicações metodológicas
• Mutações de deleção e inserção alteram as posições relativas
dos sítios de nucleotídeos entre as sequências descendentes e a
sequência ancestral.
• Mutações de deleção e inserção alteram o comprimento das
sequências descendentes.
Comparação de sequências
2. Implicações metodológicas
Preservação − destruição
da informação
ACTGAACGTAACGC
ACTAAACGTCAATGC ATGAATGTAACGC
ACTGAACGTAACGC
ACTAAACGTAATGC ACTGAATGTAACGC
Mutação de ponto Deleção/Inserção
ACTAAACGTCAATGC ATGAATGTAACGC
ACTGAACGTAACGC
Processo evolutivo
Comparação de sequências
2. Implicações metodológicas
Dados experimentaisACTAAACGTCAATGCATGAATGTAACGC
Comparação de sequências
2. Implicações metodológicas
Dados experimentais
ACTAAACGTCAATGCATGAATGTAACGC
• Comparações de sequências obtidas experimentalmente devem ser feitas entre bases cujas posições (sítios) coincidem no ancestral comum (homólogas).
• Problema consiste em restabelecer (estimar) a homologia ancestral nos sítios, perturbada pelas mutações de ponto, deleções e inserções.
• Solução consiste em introduzir espaçamentos para que as sequências obtidas experimentalmente tenham o mesmo comprimento.
• Esse procedimento é conhecido como ALINHAMENTO.
Comparação entre sequências de DNA
1. Processo evolutivo de divergência e
mutação em sequências de DNA
2. Implicações metodológicas do processo de
mutação
3. Princípios metodológicos de comparação de
sequências de DNA
• Número de possíveis alinhamentos entre
duas sequências de comprimento n,
Comparação de sequências
3. Princípios metodológicos
.2)!()!2( 2
2 nnn n
π≅
Durbin et al. 2007. Biological Sequence Analysis. :18.
• Alinhamento consiste em introduzir
espaçamentos (gaps) para que as sequências
tenham o mesmo comprimento.
• Espaçamentos são hipóteses sobre a
homologia dos sítios.
• Para duas ou mais sequências são possíveis
diversos alinhamentos diferentes, sendo
necessária uma pontuação (score) para cada
um dos alinhamentos.
Comparação de sequências
3. Princípios metodológicos
Comparação de sequências
3. Princípios metodológicos
• Pontuação é uma função do número de posições
com bases idênticas, bases diferentes e
espaçamentos.
• Espaçamentos são penalizados de uma forma geral
como,
g → penalidade pela abertura de cada espaçamento.
e → penalidade pela extensão do espaçamento.
l → comprimento do espaçamento.
)1( −+ leg
ACTAAACGTCAATGC ATGAATGTAACGC
ACTGAACGTAACGC
Processo evolutivo
ACTAAACGTCAATGCA−TGAATGT−AACGC
Alinhamento verdadeiro
Exemplo: Cálculo do alinhamento de duas sequências de DNA
Comparação de sequências
3. Princípios metodológicos
• Cálculo da pontuação do alinhamento
Cada coluna no alinhamento receberá um certo
valor dependendo do conteúdo.
Colunas iguais = 1; colunas diferentes = ‒1;
espaçamentos = ‒2.
A pontuação total do alinhamento será a soma
dos valores dados a cada uma das colunas.
Comparação de sequências
3. Princípios metodológicos
ACTAAACGTCAATGCA−TGAATGT−AACGC
Alinhamento verdadeiro
• Pontuação do alinhamento verdadeiro
10 × 1 + 3 × (‒1) + 2 × (‒2) = 3.
Comparação de sequências
3. Princípios metodológicos
ACTAAACGTCAATGCA−TGAATGT−AACGC
Alinhamento verdadeiro
• Pontuação do alinhamento alternativo 1
9 × 1 + 4 × (‒1) + 2 × (‒2) = 1.
Comparação de sequências
3. Princípios metodológicos
ACTAAACGTCAATGCAT−GAATGT−AACGC
Alinhamento alternativo 1
ACTAAACGTCAATGCA−TGAATGT−AACGC
Alinhamento verdadeiro
• Pontuação do alinhamento alternativo 2
8 × 1 + 5 × (‒1) + 2 × (‒2) = ‒1.
Comparação de sequências
3. Princípios metodológicos
ACTAAACGTCAATGCATGA−ATGTA−ACGC
Alinhamento alternativo 2
Comparação de sequências
3. Princípios metodológicos
ACTAAACGTCAATGCA−TGAATGT−AACGC
Alinhamento verdadeiro
ACTAAACGTCAATGCATGA−ATGTA−ACGC
Alinhamento alternativo 2
ACTAAACGTCAATGCAT−GAATGT−AACGC
Alinhamento alternativo 1
Pontuação = 3
Pontuação = 1
Pontuação = −1
Comparação de sequências
3. Princípios metodológicos
ACTAAACGTCAATGCA−TGAATGT−AACGC
Alinhamento verdadeiro Pontuação = 3
Alinhamento ótimo
• Alinhamento de múltiplas sequências
Método de alinhamento progressivo
1. Alinhar cada par de sequências e usar a pontuação
ótima para calcular distâncias (ou semelhanças) entre
pares de sequências.
2. Construir uma árvore-guia usando as distâncias (ou
semelhanças) entre os pares de sequências.
3. Gerar um alinhamento múltiplo baseado no grau de
semelhança entre as sequências definido pela árvore-
guia.
Comparação de sequências
3. Princípios metodológicos
• Alinhamento de múltiplas sequências
Método de alinhamento progressivo
1. Alinhamento de sequências par a par. Alinhar
todos os possíveis pares de sequências e usar a
pontuação ótima para cada par para calcular distâncias
(ou semelhanças) entre pares de sequências.
Comparação de sequências
3. Princípios metodológicos
A
B
C
A B C
0,87
0,59 0,69
2. Geração da árvore-guia. Usar as distâncias
(semelhanças) entre pares de sequências para gerar
uma árvore-guia.
Comparação de sequências
3. Princípios metodológicos
A
B
C
A B C
0,87
0,59 0,69
A
B
C
0,87
0,69Árvore-guia
3. Alinhamento múltiplo baseado na árvore-guia.
Alinhar as sequências progressivamente baseado na
ordem definida pela árvore-guia.
Comparação de sequências
3. Princípios metodológicos
A
B
CÁrvore-guia
• Alinhar sequências A e B primeiro.
• Alinhar sequência C ao alinhamento
das sequências A e B.
Comparação de sequências
3. Princípios metodológicos
Pássaro
Lemur
Chimpanzé
Humano
Cão
Gato
Vaca
Porco
Alinhamento de sequências de DNA
Mutações de deleção e inserção alteram o comprimento das sequências de DNA e perturbam as posições
relativas dos nucleotídeos (homologia)
Problema consiste em restabelecer as posições relativas das sequências de DNA
Solução consiste em introduzir espaçamentos para que as sequências tenham o mesmo comprimento
ALINHAMENTO
Comparação entre sequências de DNA
1. Processo evolutivo de divergência e
mutação em sequências de DNA
2. Implicações metodológicas do processo de
mutação
3. Princípios metodológicos de comparação de
sequências de DNA