Evolução Molecular

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

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 Alteração das freqüências gênicas

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...

1 - Árvores...

Árvores Filogenéticas

A

B

D

E

F

G

HI C

OTU – Unidade Taxonômica Operacional (Nó terminal)Ramo Terminal

Nó ancestral

Ramo Ancestral

Árvores Filogenéticas

A

B B

DD

E

F

G

HI

E

CC

A

1 unidade

Tempo

2

1

1

6

22

3

2

Árvores Filogenéticas

AA

B

BD

D

EE

F

G

HI C

C

Tem po

R

2 - 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

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...

Relógio Molecular

Especiação

3 mutações

2 mutações

2 mutações

2 mutações

1 mutação

1 mutação

Acúmulo de Diferenças

A

A2A1

Relógio Molecular

Div

. G

en.

Tempo

Div

. G

en.

Tempo

4 - 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

sequência é homóloga, ou não é Quanto maior a similaridade entre as

sequências, maior a probabilidade de serem homólogas

No entanto, duas sequências podem ser homólogas e não apresentar similaridades (depende do tempo de divergência entre elas)

5 - Duplicação Gênica Aumento da quantidade de genes nas

células Frequente formação de pseudo-genes

(genes que foram desligados) Leva à construção de árvores de genes, e

não de espécies...

Duplicação Gênica

X

B C

X1

X1 X1

X2

X2 X2

História Evolutiva

10 m.a.

B B CC

5 m.a.

Hoje

B(X ) x C(X )1 2 B(X ) x C(X1)1

História Inferida(comparação de seqüências)

árvo

re d

o ge

ne

árvo

re d

as e

spéc

ies

6 - Ortologia e Paralogia

a1 e a2; b1 e b2 são ortólogos a1 e b1; a1 e b2, a2 e b1... são

parálogos

a

a

b1 b2a1

b

a2

Duplicação Gênica

Especiação

7 - Xenologia Resultado de transmissão horizontal.

Ex: Elemento P em Drosophila. Muito importante na análise de árvores

filogenéticas moleculares de microorganismos, especialmente vírus e bactérias.

8 - Analogia Convergência evolutiva.

O ancestral comum possuía esta característica?

Sim: Homólogas Não: Análogas

Dificilmente ocorrem analogias em caracteres moleculares

Cladismo x

Fenética

Cladistas X Feneticistas Fenética:

Taxonomia numérica OTUs (Operational Taxonomic Units) Agrupamento das espécies por similaridade

morfológica global 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 Cladística

Henning (1950) – 1966. Tenta inferir a história evolutiva Parte de sinapomorfias Requer um grupo externo para definir

plesiomorfiasProblema: 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 Para os cladistas, mesmo caracteres

moleculares, que são quantitativos e não qualitativos, deveriam ser analisados sob seu ponto de vista

Hoje a maioria dos pesquisadores reconhece a superioridade filosófica da abordagem cladística, o que não invalida a fenética em filogenia, especialmente molecular

Finalmente...Filogenia Molecular

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.

Métodos Moleculares Extração do DNA total

do organismo Reação de PCR com

“primers” apropriados para amplificar o gene escolhido

Purificação dos fragmentos

Sequenciamento

Métodos Moleculares Verificação da qualidade dos

cromatogramas

Bancos de Dados

EMBL http://www.ebi.ac.uk/embl/ GenBank http://www.ncbi.nlm.nih.gov DDBJ http://www.ddbj.nig.ac.jp/ INSD http://www.insdc.org/

NCBI Início – dezembro/1982 – 606 entradas Incorporação de Sequências:

Submissão direta pelos autores Associação com grandes projetos de

sequenciamento de genomas completos Intercâmbio com o INSD

NCBI Agosto/2009 –

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.

E o banco continua crescendo...

Análise das Sequências BLAST (ferramenta do NCBI)

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 Alinhamento de bases

Garante que os sítios a serem comparados são homólogos

G

AAA

AA

AAA

AA

CC

C AT

T TTTT T

TT

CCCC

AAA

AA

GGGGG

TTT

C

CC

CCC

AAA

AA

TTTT

TT

TN

GGGG

GGGG

T

TT

AGGGG

TTTT

CCCC

CCCC

TTTT

TTTT

T

T

CC

GGGG

TTTT

AAA

AA

GGGG

GT

TT T

TT

A

AAA

AA

A

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Alinhe as seguintes sequências proteicas...

MKLSPAD MSLSPKD MLSPAD

Dica prática: Se você precisar de um computador para alinhar as suas sequências, melhor não usá-las...

Alinhamento

Alinhamento ClustalW

Alinhar duas sequencias T C T G CA T • •C • •AG •C • •

Se as sequências a serem alinhadas forem codificadoras de proteínas, é conveniente alinhar a partir da sequência de aminoácidos

Se as sequências forem mRNAs, é conveniente alinhar a partir das regiões de grampos (em muitos casos, é conveniente excluir as alças dos alinhamentos)

Alinhamento

Reconstrução da Filogenia Métodos que buscam, dentre todas as

árvores possíveis, a que melhor represente a história evolutiva dos organismos estudados: 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

Problema: O número de topologias aumenta exponencialmente com o número de OTUs.

N. de OTUs N. de árvores enraizadas

N. de árvores não enraizadas

2 1 13 3 14 15 35 105 156 945 1057 10.395 9458 135.135 1.3959 2.027.025 135.13510 34.459.425 2.027.02515 2,13458 x 1014 7,90585 x 1012

20 8,20079 x 1021 2,21643 x 1020

25 1,19257 x 1030 2,53738 x 1028

30 4,9518 x 1038 8,68736 x 1036

40 1,00985 x 1057 1,31149 x 1055

50 2,75292 x 1076 2,83806 x 1074