Transferência Horizontal de Genes: um Survey de Métodos Computacionais

Apresentação em tema: "Transferência Horizontal de Genes: um Survey de Métodos Computacionais"— Transcrição da apresentação:

1 Transferência Horizontal de Genes: um Survey de Métodos Computacionais
Proposta para Dissertação de Mestrado Instituto de Computação Universidade Estadual de Campinas Karina Zupo de Oliveira Orientador: Prof. Dr. João Meidanis Outubro de 2006

2 Agenda Introdução Taxonomia dos Procariontes
Transferência Horizontal de Genes (THG) Cenário Atual - Discussões Métodos de Detecção Avaliação de Programas Proposta e Resultados Secundários Cronograma Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais

3 Indivíduo -Nova Espécie
Introdução Evolução das espécies Herança vertical Mutação Seleção natural Indivídio - Espécie Herança Vertical Mutação Descendente Descendente Mutado Mutação se fixa Indivíduo -Nova Espécie Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais

4 Fonte: http://www.sanger.ac.uk/PostGenomics/epicomp/
Introdução Filogenia Parentesco entre organismos Representada em árvores Fonte: Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais

5 Introdução Taxonomia dos Seres Vivos
Unidades: Domínios, reinos, ... até espécies Fonte: Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais

6 Taxonomia dos Procariontes
Sistema de classificação baseado em: Características fenotípicas Hibridização entre DNAs Similaridade por gene 16S rRNA MLST (Multi Locus Sequence Typing) Debate: o que define uma espécie de procarionte? Unidades representam uma árvore Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais

7 Transferência Horizontal (THG)
Troca e fixação de material genético entre organismos de unidades taxonômicas diferentes Como THG ocorre? Transformação Conjugação Transdução Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais

8 Transferência Horizontal (THG)
Transformação Incorporação de seqüências livres Células mortas ou "cell lysis" liberam DNA no ambiente Somente ocorre naturalmente em certas células Requer proteínas específicas na membrana celular e energia Fonte: Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais

9 Transferência Horizontal (THG)
Conjugação Introdução de plasmídeos devido a contato físico Os plasmídeos são moléculas circulares duplas de DNA que estão separadas e se reproduzem independentemente do DNA cromossômico Fonte: Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais

10 Transferência Horizontal (THG)
Transdução Através de bacteriófagos que infectam células Vírus adquire genes da bactéria infectada Vírus ao infectar novas bactérias transmite esses genes Fonte: Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais

11 Transferência Horizontal (THG)
Antes 1995: Poucas evidências de THG Após 1995: Sequenciamento em massa Muitas novas evidências de THG Freqüente em procariontes Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais

12 Cenário Atual - Discussões
Qual impacto da THG na evolução das espécies e na taxonomia atual dos procariontes? Quanto do genoma é atingido por THG? Quais genes são mais susceptíveis a THG? Quais transferências fixam-se em descendentes? Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais

13 Cenário Atual - Discussões
Para Gogarten e colegas 15% a 25% dos genes de uma espécies podem ter sido adquiridos via THG Sistema de taxonomia deveria contemplar THG Para Kurland e colegas Impacto é pequeno não afeta o sistema Estudo são pouco cuidadosos Para Philippe e Douady -2003 Núcleo duro, núcleo macio e casca Sistema tende para formação de redes Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais

14 Cenário Atual - Discussões
E... Como detectar THG com razoável grau de sucesso? Quais algoritmos existem? Quais os problemas e limitações? Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais

15 Métodos de Detecção Mirkin e colegas - 2003 Lawence e Ochman - 1997
Busca padrões de ausência ou presença de espécies em genes ortólogos Lawence e Ochman Baseado em conteúdo de GC Busca os genes com distribuições atípicas Addario-Berry, Hallett e Lagergren Baseado em árvores de espécies e de genes Analisa as incongruências entre árvores Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais

16 Métodos de Detecção Bryant e Moulton - 2002 Ragan - 2001
Baseado em redes filogenéticas Implementado no programa SplitsTree Ragan Experimento com 4 métodos Resultados diferem entre si Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais

17 Avaliação de Programas
SplitsTree 4 Aceita vários tipos de entrada Nexus, ClustalW, Phylip, ... Permite escolher entre vários modelos para cálculo de distâncias Jukes Cantor, Kimura, ... Implementa vários métodos para construção de árvores e redes filogenéticas Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais

18 Avaliação de Programas
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19 Proposta Principal Estudar, escrever e classificar métodos computacionais para detecção de THG Conteúdo de GC Similaridade Árvores Filogenéticas Redes Filogenéticas Estatísticas Outros (Exemplo: Relógio Molecular) Entender pontos fortes e pontos fracos Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais

20 Resultados Secundários
Realizar experimento Passo 1: Avaliação de programas e métodos para uso no experimento Passo 2: Obter entradas: Através pesquisa de evidências reais de THG Junto com especialistas Passo 3: Analisar resultados: Comparar resultados entre si Comparar resultados com evidências reais Reunir conceitos sobre THG Ser referência para futuros estudantes Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais

21 Cronograma Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais

22 Perguntas Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais

23 Conteúdo de GC Distribuição de guanina e citosina no DNA
Organismos de mesma espécie possuem conteúdo de GC similar Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais

24 Similaridade de Seqüências
Similaridade: medida de quão similar duas seqüências são entre si Distância: mínimo número de operações para transformar uma seqüência em outra Seqüências precisam ser alinhadas! Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais

25 Grafo Acíclico Direcionado
Árvore Filogenéticas Nós Grafo Acíclico Direcionado siamango gibão orangutango gorila humano chipanzé Arestas Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais

26 Árvores Filogenéticas
Como construir árvores? Métodos para construção baseados Características discretas Distâncias entre seqüências Métodos diferentes podem gerar árvores diferentes Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais

27 Redes Filogenéticas Possuem nós com grau de entrada 2
Chamados nós redes Mas, por que redes? Pois podem representar eventos tais como transferências horizontais Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais

28 Hibridização entre DNAs
Baseada na similaridade de seqüências 70% de similaridade define organismos dentro do mesmo grupo Processo feito em laboratório Não pode utilizar bases de genomas Caro e demorado Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais

29 Similaridade Por Gene 16S rRNA
Comparação de seqüências do gene 16S rRNA de organismos Gene 16S rRNA é bem conservado (i.e., evolui lentamente e sofre poucos eventos evolutivos) Pode utilizar bases de genomas Seqüências 97% idênticas define organismos dentro do mesmo grupo Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais

30 Espécie Procarionte Certas características fenotípicas
70% de similaridade de sequências por DDH Gene 16S rRNA é 97% idêntico E se o organismo não apresentar essas propriedades, como resolver ambigüidades? Use MLST Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais

31 MLST(Multi Locus Sequence Typing)
Baseia-se na similaridade de um conjunto de genes bem conservados O mesmo conjunto de genes não podem ser utilizados por todas as espécies Sequências desses genes são concatenadas Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais

32 Direção THG Difícil identificar, somente hipóteses
Por quantidade: ancestral vertical é aquele que tem mais genes em comum com o organismos estudado, o outro é o ancestral horizontal Abundância do genes numa linhagem: um gene existe em todos os eucariontes mas somente em algumas bactérias Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais