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?

A

B

C

D

E

F

G

H

I

B

C

D

E

F

H

GI

Nó terminal

A

Nó terminal

Ramo terminal

Ramo ancestral

Nó ancestral

Nó ancestral

Ou nó basal

Espécie irmã

Ramo terminal

Ramo ancestral

Nó terminal

Nó ancestral

Espécies irmãs

Nó ancestral

Ou nó basal

Tempo

Que tipo de coisas uma árvore filogenética pode

representar?

Tempo Tempo

A

B

C

D

E

OTUs alinhadasNós terminais alinhados

A

B

C

D

E

1326395265

B

D

E

C

A

1 unidade

2

1

1

6

22

3

2

Que tipo de coisas uma árvore filogenética pode

representar?

OTUs desalinhadas:

Os tamanhos dos ramos

representam o número de

modificações desde cada nó

ancestral

A raiz é necessária?

AA

B

BD

D

EE

F

G

HI C

C

Tem po

R

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

• 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

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...

Relógio Molecular

Tempo

Div. G

en.

Di v. G

en.

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– genes que foram

desligados• Leva à construção

de árvores de genes, e não de espécies...

• Antes da • duplicação

• Depois da duplicação

• Área da • duplicação

Duplicação Gênica

X

B C

X 1

X 1 X 1

X 2

X 2 X 2

H istó ria E v o lu tiv a

1 0 m .a .

B B CC

5 m .a .

H o je

X 2X 1 X 1 X 1

H istó ria In fe rid a(co m p araç ão d e seq ü ê n c ia s)

árvo

re d

o ge

ne

árvo

re d

as e

spéc

ies

a

a

b 1 b 2a 1

b

a 2

D u p lica ção G ên ica

E sp e c iaç ão

Duplicação Gênica

Ortólogos OrtólogosParálogos

ParálogosParálogos

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/GenBank http://www.ncbi.nlm.nih.govDDBJ http://www.ddbj.nig.ac.jp/INSD http://www.insdc.org/

Bioinformática

• Alinhamento das sequências

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

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 N. de árvores enraizadas

N. de árvores não enraizadas2 1 1

3 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 101220 8,20079 x 1021 2,21643 x 102025 1,19257 x 1030 2,53738 x 102830 4,9518 x 1038 8,68736 x 103640 1,00985 x 1057 1,31149 x 105550 2,75292 x 1076 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