Evolução Molecular O uso de macromoléculas como documentos históricos.
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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