Biologia dos marcadores moleculares
Almir R. Pepato
Ácidos Nucléicos
Pirimidina Purina
IUPACCódigo formalizado pela International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) em1970.
RNA
Nos vírus de RNA (fita simples ou dupla), funciona como material genético
Mas também é capaz de produzir configurações espaciais complexas e com isso apresentar capacidade catalítica análoga às enzimas protéicas.
RNA
Mundo de RNA, hoje
DNA RNA Proteínas Armazenamento de informação
Assumiram a maior parte das atividades catalíticas e estruturais das células.
rRNA, tRNA, mRNA, e muito mais:
DNA Polimerase
Mutações
Bases nitrogenadas anômalas são uma das causas mais comuns de mutações pontuais.
Mutações
Transcrição
Processamento do mRNA
O splicing alternativo pode constituir um importante mecanismo de evolução das proteínas, permitindo combinações originais de sítios funcionais.
Processamento do mRNA
Transcriptase reversa
Síntese protéica
Código genético
Codifica para os 20 aminoácidos e códons de parada.
Questões para discussão1- O DNA é um ácido nucléico. Sua carga elétrica é NEGATIVA, submetido a um campo elétrico, portanto, correrá do pólo NEGATIVO para o POSITIVO.
Questões para discussão2- Transições são substituições entre pirimidinas ou entre purinas. Transversões são substituições de purinas por pirimidinas e vice-versa. Complete a matriz de custos abaixo, onde às transições é atribuído o custo 1 e às transversões valor 2.
Na maioria das sequências as transições são mais frequentes que as transversões.
Questões para discussão3- Qual das seguintes mutações afetando códons em uma proteína de um gene nuclear deve ter MENOS impacto sobre a aptidão do organismo?
Seq. original: UUU UAU GAG CUU Phe Tyr Glu Leu
Mutação 1: UUU UAU GUG CUU
Mutação 2: UUU UAA GAG CUU
Mutação 3: - UUU AUG AGC UU...
Mutação 4: UUC UAC GAG UUG
Phe Tyr Val Leu
Phe --- --- ---
Phe Met Ser ...
Phe Tyr Glu Leu
Marcadores mais utilizados
Almir R. Pepato
Marcadores mais utilizados
Almir R. Pepato
Definição de marcador molecular
Uma sequência nucleotídica ou de aminoácidos detectável
experimentalmente
Genes Ribossomais
Metáfase de Serrasalmus serrulatus marcadas para o 18S (Nakayama et al, 2008)
Todos os genomas apresentam genes ribossomais (Procariotos, Mitocôndrias, Cloroplastos, Nucleares)
Nos Eucariotos há várias cópias agrupadas em diversos cromossomos
Estrutura dos genes Ribossomais
Nas mitocôndrias esses genes são ainda mais compactos:
SSU: 12SLSU: 16S
Estrutura secundária
Estrutura secundária
Vantagens do emprego dos rDNA
Primers conservados
Múltiplas cópias, evolução concertada
Poucos problemas de paralogia
É um dos únicos marcadores que pode ser sequenciado em qualquer ser vivo
A estrutura secundaria auxília no alinhamento das sequências e fornece outros caracteres.
Genes codificantes
Genes codificantes
Dificuldades técnicas: Poucas cópias na amostra reduz a quantidade de substrato para a reação de PCR.
Propriedades semelhantes aos dos genes ribossomais
Genes codificantes
Exemplo de gene com multiplas cópias, com evidências de evolução concertada.
Genes codificantesAlternativa para a obtenção de genes de cópia simples: Transcriptase Reversa- PCR (Utilizado também para ESTs, apenas um artigo).
ITS e outros introns
Os introns são regiões excluídas do mRNA graças ao mecanismo de splicing.
Como são regiões que não codificam proteínas estão menos sujeitas à seleção natural estabilizadora e assim acumulam mais substituições.
Geralmente empregados para recuperar histórias evolutivas recentes.
DNA organelar
DNA organelar
DNA organelarFênomeno comum nos genomas mitocôndriais, o viés no emprego de nucleotídeos pode levar a erros nas inferências filogenéticas
Mutação Vs Substituição
Mutação é um fenômeno químico. Produz novas versões dos genes.
Substituição é um fenômeno populacional.
Mecanismos que levam à fixação de alelos
Deriva gênica:
No caso do aparecimento de uma nova mutação, m=1:
Considerando uma taxa de mutação μ:
Mecanismos que levam à fixação de alelos
Modelo Wright-Fisher para descrever a evolução por deriva gênica:
Probabilidade de ter a mutação:
Probabilidade de não ter a mutação:
Isso dá uma distribuição binomial, com a probabilidade de termos n mutantes na geração seguinte de:
Mecanismos que levam à fixação de alelos
Seleção natural, aptidão média:
A probabilidade de que o gene mutante seja transmitido à nova geração é de:
Agora basta substituir “a” no modelo de Wright-Fisher.
Coalescência
Exemplo de um modelo simples:Em uma população em que todos os indivíduos apresentam o mesmo número médio de descendentes a probabilidade de um indivíduos compartilhar a mãe é de:
Já a possibilidade de não compartilharem é de:
CoalescênciaA probabilidade de dois indivíduos compartilharem um dos pais a T gerações atrás é de :
Ou:
O tempo para a coalescência nas nossas condições inverossímeis é 2N.
Cenários para a evolução molecular
Princípios da genética molecular
– Hubby e Lewontin, 1966; Harris, 1966
Revelou um nível de polimorfismo insuspeito.
Relógio molecular
Dickerson, 1971
Proporcional ao tempo absoluto.
Neutralismo
Taxa de substituição sob deriva: k = 2Nμ * 1/2N = μ
E sob seleção:k = 2N μ * 2s = 4N μ s
NeutralismoPrevisões da hipótese neutralista:
1- Relógio molecular proporcional ao tempo absoluto? (geracional) (pois proporcional à taxa de mutação).
2- Heterozigose alta, independente do tamanho populacional.
3- Divergência entre populações similar ao polimorfismo dentro das populações.
Heterezigose
A taxa de heterozigose tipicamente é ao redor de 0.1
Se H=0.1, como H= 4Nµ / (4Nµ+1) 4Nµ ~ 0.1Usando µ=5x10-8
Podemos nos perguntar: qual N necessário?O valor obtido é 500,000 que é razoável.
Heterozigose
Substituição/polimorfismoSob neutralidade:kN/kS = pN/pSkN/kS
pN/pS
Substituição/polimorfismo
Sob seleção positiva
kN/kS > pN/pS(Drosophila)
kN/kS
pN/pS
= subst. não sinônima
Substituição/polimorfismo
kN/kS
Sob modelo com mutações fracamente deletérias
kN/kS < pN/pS(Humanos)
pN/pS
= polim. não sinônimo
Exemplo de baixo coeficiente de seleção
Hipótese quase-neutralista
Tomoko Ohta
“A teoria quase neutra pode ser resumida da seguinte forma. Tanto a deriva genética como a seleção influenciam o comportamento de mutações fracamente selecionadas. A deriva predomina em populações pequenas, e a seleção em populações grandes. A maioria das novas mutações é deletéria, e a maioria das mutações de efeito pequeno devem ser muito fracamente deletérias. Há seleção contra essas mutações em populações grandes, mas se comportam como neutras e populações pequenas”
Heterozigose
Estimativas de divergênciaA vida seria fácil com o relógio molecular...
Estimativas de divergência
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