Seleção Natural DNA codifica informações que em conjunto ...evolucao/popgen/natsel.pdf · deriva genética, migração e mutação. Hb-A, S e C Viabilidade 0.9 1 0.2 0.9 0.7 1.3

1

Seleção Natural

• Seleção Natural: Sobrevivência e reproduçãodiferencial de indivíduos na população

• Valor Adaptativo: progênie gerada que sobrevivee reproduz na próxima geração

• Seleção natural requer variação herdável paravalor adaptativo (não basta sorte!)

• Define valor adaptativo esperado de um genótipoem um ambiente específico

DNA codifica informações que em conjuntocom ambiente influenciam fenótipo

Entre características que podem ser influenciadas porrespostas geneticamente determinadas aoambiente estão:

• A Viabilidade no ambiente• Uma vez vivo, o sucesso reprodutivo no ambiente• Uma vez vivo e tendo reproduzido, a fertilidade

ou fecundidade no ambiente.

Estes são os componentes do valor adaptativo

Seleção NaturalO ambiente influencia a probabilidade de vários

genótipos replicarem o seu DNA.

Seleção favorece um caráter que aumente o valor adaptativo.

Indivíduos com maior valor adaptativo tendem a passarmais genes para a próxima geração.

Enquanto valor adaptativo for herdável, as diferenças nacontribuição à próxima geração induzidas pelaseleção natural irão alterar o pool gênico.

Seleção Natural

Enquanto valor adaptativo for herdável, as diferenças nacontribuição à próxima geração induzidas pelaseleção natural irão alterar o pool gênico.

Seleção natural tende a aumentar o valor adaptativomédio da população.

Este aumento do valor adaptativo médio é a adaptaçãoao meio ambiente.

Valor Adaptativo (“Fitness”)• Embora seja individual, definimos em relação a grupos

de indivíduos:– De mesmo genótipo– De mesmo fenótipo

• Contribuição genética coletiva à próxima geração.• Evitem usar “a sobrevivência do mais apto”.• Porquê?

– Vários argumentam que é tautológico.• Quem são os mais aptos?• Os que sobrevivem!!!

– A maioria das pessoas não compreende os termos“sobrevivência” e “apto”.

Seleção Natural em um locus único em um deme se reproduzindo ao acaso

aaZaa

AaZAa

AAZAA

Freqüências zigóticas

mAA mAa maa

aamaa Zaalaa /

lm

AamAa ZAalAa /lm

AAmAAZAAlAA

/ lm

Prob. acasalamento

Freqüências em adultos queacasalaram

Meio Ambiente

∝

1*bAA1/2bAa

1/2bAa

aq’= (baamaaZaalaa +

1/2bAamAaZAalAa) / w

Ap’= (bAAmAAZAAlAA +1/2bAamAaZAalAa) / w

1*bAaMeiose

Pool Gênico

Meio AmbientelAA lAa laaViabilidades

aaZaalaa /l

AaZAalAa /l

AAZAAlAA /lFreqüências no adulto ∝

2

aaZaa

AaZAa

AAZAA

WAA WAa Waa

aaZaaWaa

AaZAaWAa

AAZAA WAA

aaZaaWaa / W

AaZAaWAa / W

AAZAAWAA / W

1 1/21/2

aq’= ZaaWaa/W + ½ZAaWAa/W

Ap’= ZAAWAA/W +

½ZAAWAa/W

1Meiose

Pool Gênico

Freqüência de adultosque se acasalaram

Converter para Freq ao dividir porµ = W = p2WAA+2pqWAa+q2Waa

Façamos wAA = bAAmAAlAA; wAa = bAamAalAa; waa = baamaalaa


Valor AdaptativoMeio Ambiente

Freqüências em adultos queacasalaram pelo # prole ∝

aaq2

Aa2pq

AAp2

1 1/21/2

aq’= q2 Waa/W + pqWAa/W

Ap’= p2 WAA/W + pqWAa/W

1Meiose

Pool Gênico

aaq2Waa/W

Aa2pqWAa/W

AAp2 WAA/W

Freqüência de adultosque se acasalaram

Converter para Freq ao dividir porµ = W = p2WAA+2pqWAa+q2Waa

Façamos WAA = VAACAAbAA; WAa = VAaCAabAa; Waa = VaaCaabaa


WAA WAa Waa

aaq2 Waa

Aa2pqWAa

AAp2 WAA

Valor AdaptativoMeio Ambiente

Freqüências em adultos queacasalaram pelo # prole ∝



Pool Gênico

p’= p2 WAA/W + pqWAa/W

=( p2 WAA+ pqWAa)/W

= p(pWAA+ qWAa)/W



p’= p2 WAA/W + pqWAa/W

=( p2 WAA+ pqWAa)/W

p’ = p(pWAA+ qWAa)/W

Pool Gênico

Quando ocorrerá evolução?∆p = p’ - p

= p(pWAA+ qWAa)/W - p

= p[pWAA+ qWAa)/W - 1]

∆p = p[pWAA+ qWAa- W]/W


= p[pWAA+ qWAa- pW - qW]/W

=p[p(WAA-W)+ q(WAa-W)]/W

Quando ocorrerá evolução?Observe que W = W(p+q)=pW+qW

3


= p[pWAA+ qWAa- pW - qW]/W

=p[p(WAA-W)+ q(WAa-W)]/W

Quando ocorrerá evolução?Observe que W = W(p+q)=pW+qW

Desde que p e W serão sempre > 0, esta é a única parte daequação que pode mudar de sinal e portanto determinar

a direção da evolução sob seleção natural.

∆p = [ZAA(WAA- W) + ½ZAa(WAa -W)]/W

= p[ZAA(WAA- W) + ½ZAa(WAa -W)]/pW

= p/W[ZAA(WAA- W) + ½ZAa(WAa -W)/p]

Pool Gênico

aq’= ZaaWaa/W + ½ZAaWAa/W

Ap’= ZAAWAA/W +

½ZAAWAa/W

O que é:

p(WAA-W)+ q(WAa-W)?

Quando ocorrerá evolução?

Fenótipo médio do valoradaptativo

O que é:

p(WAA-W)+ q(WAa-W)?


Desvios genotípicos para o fenótipomédio do valor adaptativo

O que é:

p(WAA-W)+ q(WAa-W)?

Quando ocorrerá evolução?O que é:

p(WAA-W)+ q(WAa-W)?


Freqüência com que os desvios no valoradaptativo serão encontrados na população

4

Este é o excesso médio (Average Excess) do alelo Apara o fenótipo do valor adaptativo

O que é:

p(WAA-W)+ q(WAa-W)?


∆p = paA/W


Seleção Natural será uma força evolutivaquando:

p ≠ 0 ou p ≠ 1 (ou seja, quando existirvariação genética), e

aA ≠ 0 (ou seja, quando existir variaçãoherdável para o valor adaptativo

∆p = paA/W


Esta é a equação fundamental da SeleçãoNatural para genótipos mensurados.

Apenas o componente herdável do valoradaptativo pode promover mudançasevolutivas por seleção natural.

Para se entender seleção natural

PENSE COMO UM GAMETA!

Anemia Falciforme na África

Um exemplo de seleção natural

A mutação

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Infecção de uma hemácia peloparasita da malária

• Células falciformes são filtradaspreferencialmente no baço

• células infectadas com malária sãofreqüentemente filtradas pois o processo de“virar falciforme” ocorre antes do parasitacompletar o ciclo de vida

• O alelo S é portanto, um alelo autossômico,dominante para resistência à malária.

O fenótipo da anemia falciforme

A maioria de mortes devido a anemia falciformee malária ocorrem antes da fase adulta.

Lembrem-se que viabilidade é o fenótipo deviver até a fase adulta!

• Em um ambiente sem malária, o alelo S é um alelorecessivo para viabilidade uma vez que apenas oshomozigotos desenvolvem a anemia falciforme.

• Em um ambiente com malária, o alelo S é umalelo sobredominante para viabilidade uma vezque apenas os heterozigotos são resistentes àmalária e não desenvolvem anemia falciforme.

Distribuição de anemia falciforme e malária na África e no mundo

Duas complicações para esta simplesestória na África:

• Malária epidêmica é recente na maioria daÁfrica tropical úmida, e o processo deadaptação à malária na África ainda nãoestá em equilíbrio.

Malária epidêmica na África

MADAGASCAR

ICELAND

6

MADAGASCAR

ICELAND

Há cerca de 2000 anosatrás, uma colôniaMalásia-Indonésiaestabeleceu-se em

Madagascar


Esta colôniaintroduziu a

complexaagricultura Malásia

nesta região


Esta agricultura foiassimilada por povosque falavam Bantu,

e se seguiu umagrande expansão dosBantu na África hácerca de 1500 anos

atrás.

Malária epidêmica na África A agricultura Malásia na África

• É associada a uma agricultura de corte equeima: Fornece habitat e sítios de criaçãopara Anopheles gambiae, o principalmosquito vetor da malária.

• Resulta em alta densidade local depopulações humanas que são necessáriaspara estabelecer e manter malária comouma doença comum.

Malária epidêmica na ÁfricaDuas complicações para esta simples

estória na África:

• Malária epidêmica é recente na maioria daÁfrica tropical úmida, e o processo deadaptação à malária na África ainda nãoestá em equilíbrio.

• Existe um terceiro alelo, Hemoglobina C,também envolvido na adaptação à maláriana África.

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A Mutação Hemoglobina C

GAGÁcido Glutâmico

Hb-A GTGValina

Hb-S

AAGLisina

Hb-C

6o Códon

Hb-A, S e C

10.710.211Viabilidadesem Malária

SimSimNãoSimSimNãoResistência àMalária

NÃOSim

(Leve)Não

Sim(Severa)

NãoNãoAnemia

CCCSACSSASAAGenótipos

Estes valores podem ser usados como valores adaptativosrelativos

Hb-A, S e C

Os alelos A e S definem uma doença genética autossômicarecessiva: A seleção irá garantir que continue rara, mas será difícil

de eliminá-la em uma população acasalando-se ao acaso.



NÃOSim

(Leve)Não

Sim(Severa)

NãoNãoAnemia


Hb-A, S e C



NÃOSim

(Leve)Não

Sim(Severa)

NãoNãoAnemia


Os alelos A e C definem um conjunto de alelos neutros em umambiente sem malária: Suas freqüências são determinadas pela

deriva genética, migração e mutação.

Hb-A, S e C

1.30.70.90.210.9Viabilidadecom Malária



NÃOSim

(Leve)Não

Sim(Severa)

NãoNãoAnemia


Viabilidades relativas observadas na África Tropical

Hb-A, S e C• CC é o melhor genótipo, de longe!• Se seleção natural é a “sobrevivência do

mais apto”, então a freqüência do alelo C edo genótipo CC devem aumentar.

• Ao contrário do que se diz, a seleção naturalnão é a “sobrevivência do mais apto.”

• Seleção natural é variação herdável novalor adaptativo, portanto, pense comoum gameta: Qual gameta terá o maiorexcesso médio (ou seja, terá filhos queserão em média os melhores)?

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Pool gênico inicial pré-Malária

ApA = 0.99

pS=.005 pC=.005

Valor adaptativo médio inicial apóstransição para a agricultura Malásia

ApA = 0.99

pS=.005 pC=.005

Com acasalamento ao acaso,fenótipo médio = W = 0.901

1.30.70.90.210.9Viabilidade c/Malária


.399-.201-.001-.701.099-.001Desvios genotípicos(W = 0.901)

ApA = 0.99

pS=.005 pC=.005

Fenótipos iniciais após transição para aagricultura Malásia

1.30.70.90.210.9Viabilidade comMalária


.399-.201-.001-.701.099-.001Desvios Genotípicos(W = 0.901)

aA = -0.0005aS = 0.0935aC = 0.0000


∆px = pxax/W

A resposta adaptativainicial a um ambiente commalária é:diminuir A,aumentar S,deixar C do mesmo jeito

aA = -0.0005aS = 0.0935aC = 0.0000


Pool Gênico após várias gerações deseleção em um ambiente com malária

SApA = 0.95

pC = 0.005

W = 0.907pS = 0.045

9

pC=.005

S.045

ApA = 0.95

1.30.70.90.210.9Viabilidade comMalaria




Após a resposta adaptativainicial a malária, seleçãonatural continua adiminuir Aaumentar S, ediminuir C

aA = -0.003aS = 0.055aC = -0.014


À medida que pS aumenta, W aumenta e os desviosgenotípicos ficam cada vez mais negativos. Portanto, a

seleção natural elimina o alelo C.

SpS

ApA ≈1-pS

pC ≈ 0

1.30.70.90.210.9Viabilidade c/ Malária


Pool Gênico após várias gerações deseleção em um ambiente com malária Um equilíbrio por seleção natural irá

ocorrer apenas quando ∆p = 0 para todosos alelos.

0.210.9Viabilidade c/ Malária

SSASAAGenótipos

aA = (1-pS)(0.9-W) + pS(1-W) = 0 = aS = (1-pS)(1-W) + pS(0.2-W)

SpS

ApA = 1-pS

SpS

ApA = 1-pS

aA = (1-pS)(0.9-W)+pS(1-W) = aS = (1-pS)(1-W)+pS(0.2-W)

Um equilíbrio por seleção natural iráocorrer apenas quando ∆p = 0 para todos

os alelos.

Coeficientes de Seleção (s) – mede o valor do valoradaptativo do genótipo em relação a alguma referência

SpS

ApA = 1-pS

aA = (1-pS)(0.9-W)+pS(1-W) = aS = (1-pS)(1-W)+pS(0.2-W) (1-pS)(0.9)+pS(1) = (1-pS)(1)+pS(0.2)

0.9+0.1pS = 1-0.8pS0.9pS = 0.1

pS = 0.1/0.9 = 0.11Portanto, em equilíbrio, pS = 0.11 e pA=0.89

Um equilíbrio por seleção natural iráocorrer apenas quando ∆p = 0 para todos

os alelos.

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As freqüências alélicas no equilíbrio sãomantidas por seleção natural em um

polimorfismo balanceado

SpS=0.11

ApA = 0.89

As freqüências alélicas no equilíbrio sãomantidas por seleção natural em um

polimorfismo balanceado

SpS=0.11

ApA = 0.89

Este balanço ocorre porque quando pS < 0.11, aS > 0(resistência à malária domina o excesso médio), e

quando pS > 0.11, aS < 0 (a anemia domina o excessomédio)

O equilíbrioS

pS=0.11A

pA = 0.89

No equilíbrio, existe variação genotípica novalor adaptativo, mas não existe variaçãogenética aditiva (Excessos médios = 0).

WSS=0.2WAS = 1WAA = 0.9

SS0.01

AS0.20

AA0.79

aA = p(wAA-w) + (1-p)(wAa-w) = (1-p)(waa-w) + p(wAa- w) = aa pwAA + (1-p)wAa = pwAa + (1-p)waa

(1-p) (wAa - wAA) = p(wAa -waa)

Um equilíbrio por seleção natural iráocorrer quando ∆p = 0 para todos os alelos.

Se considerarmos WAa = 1, temos que

(1-peq) t = peqs

peq = t / (s+ t)

peq = t / (s+ t)

• Seleção tem dois efeitos:– Promover mudança adaptativa– Impedir alteração ao impedir alteração do status

quo

Duas respostas possíveis à Malária

ApA ≈1

pS ≈ 0 pC ≈ 0

SpS=.11

ApA = 0.89

CpC = 1

11

ApA ≈1

pS ≈ 0 pC ≈ 0

SpS=.11

ApA = 0.89

CpC = 1

3. 20% dos indivíduos tem viabilidaderelativa de 1 e 80% ou tem anemia oususceptibilidade à malaria.

3. 100% dos indivíduos tem viabilidaderelativa de 1.3 e nenhum tem anemia oususceptibilidade à malaria.

1. O genótipo mais apto é eliminado 1. O genótipo mais apto é fixado

Duas respostas possíveis à Malária

2. Valor adaptat. médio vai de .9 a .91. 2. Valor adaptat. médio vai de .9 a 1.3.

ApA ≈1

pS ≈ 0 pC ≈ 0

SpS=.11

ApA = 0.89

CpC = 1

Duas respostas possíveis a Malária

Com uma exceção

3. 20% dos indivíduos tem viabilidaderelativa de 1 e 80% ou tem anemia oususceptibilidade à malaria.

3. 100% dos indivíduos tem viabilidaderelativa de 1.3 e nenhum tem anemia oususceptibilidade à malaria.

1. O genótipo mais apto é eliminado 1. O genótipo mais apto é fixado

2. Valor adaptat. médio vai de .9 a .91. 2. Valor adaptat. médio vai de .9 a 1.3.

Hb-A, S e C

10.710.211Viabilidadesem Malaria


S é um alelo recessivo,deletério em relação aA, portanto, seleçãonatural irá mantê-lo

raro em um ambientepré-Malária.

Hb-A, S e C



C é um alelo neutro emrelação a A, logo,

algumas vezes o aleloC terá sua freqüência

aumentada por deriva.

Imagine que existisse um deme com estepool gênico antes da agricultura começar

C.045

ApA = 0.95

pS=.005

1.30.70.90.210.9Viabilidade com Malaria




aA = -0.001aS = 0.081aC = 0.015

A resposta adaptativa inicial aum ambiente com malária é oaumento da freqüência de S ede C.

12

C0.17

S.05

ApA = 0.78

1.30.70.90.210.9Viabilidade com Malária


.39-.21-.01-.71.09-.01Desvios Genotípicos(W = 0.914)


Após a resposta adaptativainicial à malária, a seleçãonatural continua a reduzirA, aumentar C, e agoratambém irá reduzir S.

aA = -0.009aS = -0.005aC = 0.044


o.o

o.o5

o.15

0.20

0.25

0.10

o.o o.o5 0.10 o.15

S Allele Frequency in 72 West African Populations

C Allele

Frequency

Existe uma correlação negativa entre as freqüênciasde S e C em regiões com malária na África

Excesso médio de C em ambiente commalária

Excesso médio de C em ambiente commalária

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Adaptação por seleção natural

Adaptação por seleção natural depende da história:

Quais mutações estão presentes e quais suas freqüências.

Destas condições iniciais, a seleção natural modifica opool gênico a partir da perspectiva do gameta até que nãohaja mais herdabilidade para o valor adaptativo (ou seja,não exista mais variação genética aditiva).

Adaptação por seleção naturalAdaptação por seleção natural depende também dopresente:

Quais mutações estão presentes, quais suas freqüências ecomo eles se encontram (sistema de acasalamento).

Como vocês esperam que este sistema se adapte à maláriacaso não haja acasalamento ao acaso, e sim uma pequenaendogamia?

Como vocês esperam que este sistema seadapte caso não haja acasalamento ao acaso,

e sim uma pequena endogamia?

1.30.70.90.210.9Viabilidadecom Malária



NÃOSim

(Leve)Não

Sim(Severa)

NãoNãoAnemia


Como vocês esperam que este sistema seadapte caso não haja acasalamento ao acaso,

e sim uma pequena endogamia?

• Como vimos, a existência de endogamia aumenta afreqüência de homozigotos e diminui a deheterozigotos na população.

• A vantagem do alelo S se expressa em heterozigose e adesvantagem em homozigotos SS, logo, um aumentoda endogamia aumentará a seleção contra S

• Por outro lado, a vantagem do alelo C se expressa emhomozigose e a desvantagem em heterozigotos, logo,um aumento da endogamia aumentará a seleçãofavorável a C

Adaptação como um processo poligênico

• Variação na região de Hbβ foi uma forma daspopulações se adaptarem à malária, mas não foi aúnica.

• Mais de 300 mutações independentes foramidentificadas para G6PD, que está envolvida emestresse oxidativo celular. Tais deficiências limitamcapacidade de Plasmodium de sobreviver nas células.

• Mutações associadas à talassemia também foramassociadas à resistência a malária. Mais de 80mutações induzem à α- talassemia e mais de 200 a β- talassemia.

Adaptação por Seleção Natural

• O curso da adaptação é sempre restrito peladisponibilidade de variação genética.

• Mesmo pressões de seleção uniformes podem criarrespostas adaptativas diferentes.

• Adaptação em geral envolvem vários loci, comfunções bioquímicas, celular e/ou nodesenvolvimento distintas.

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Seleção Natural DNA codifica informações que em conjunto ...evolucao/popgen/natsel.pdf · deriva genética, migração e mutação. Hb-A, S e C Viabilidade 0.9 1 0.2 0.9 0.7 1.3