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Evolução Molecular Metodologias de Análise Ricardo Lehtonen Rodrigues de Souza Laboratório de Polimorfismos e Ligação Depto de Genética – UFPR

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1 Evolução Molecular Metodologias de Análise Ricardo Lehtonen Rodrigues de Souza Laboratório de Polimorfismos e Ligação Depto de Genética – UFPR

2 Dados Moleculares x Morfológicos Hereditários Hereditários Descrição não ambígua Descrição não ambígua Mais fácil estabelecer homologia Mais fácil estabelecer homologia Permite comparações de espécies distantes Permite comparações de espécies distantes Abundantes Abundantes Fatores ambientais Diferenças de classificação

3 Evolução Molecular As mutações genéticas são a matéria prima do processo evolutivo. As mutações genéticas são a matéria prima do processo evolutivo. A taxa de mudança gênica pode ser usada para medir a evolução. A taxa de mudança gênica pode ser usada para medir a evolução.

4 Evolução Molecular Seqüências de DNA mudam lentamente Seqüências de DNA mudam lentamente Não é possível observar diretamente a evolução Não é possível observar diretamente a evolução Comparação de 2 ou mais seqüências homólogas (descendem de um ancestral comum) Comparação de 2 ou mais seqüências homólogas (descendem de um ancestral comum)

5 Modelo de um parâmetro (Jukes e Cantor) A taxa de substituição em cada direção é A taxa de substituição em cada direção é A taxa de substituição para qualquer nt é 3 A taxa de substituição para qualquer nt é 3 A probabilidade que um nt não mude é A probabilidade que um nt não mude é 1 - 3

6 Modelo de 2 parâmetros (Kimura) A taxa de transição é A taxa de transição é A taxa de transversão é A taxa de transversão é Considera e, pois transições são mais freqüentes que transversões Considera e, pois transições são mais freqüentes que transversões

7 Tipos de substituições entre 2 seqüências Substituição única Substituições seqüenciais Substituições coincidentes Substituições paralelas Substituições convergentes Retro substituição

8 tempo Numero de diferenças Esperado Observado

9 Regiões Codificadoras Distinguir entre: Distinguir entre: Substituição sinônima Substituição sinônima Substituição não sinônima Substituição não sinônima Para estimar as proporções de substituições sinônimas e não sinônimas é preciso saber, respectivamente, o número total possível de: Para estimar as proporções de substituições sinônimas e não sinônimas é preciso saber, respectivamente, o número total possível de: Sítios sinônimos Sítios sinônimos Sítios não sinônimos Sítios não sinônimos

10 Regiões Codificadoras Cálculo do número de sítios sinônimos e não sinônimos Se i é o número de mudanças sinônimas em um sítio, esse sítio é contado separadamente como: Se i é o número de mudanças sinônimas em um sítio, esse sítio é contado separadamente como: i/3 sinônimo (Ns = i/3) i/3 sinônimo (Ns = i/3) (3-i)/3 não sinônimo [Na = (3-i/3)] (3-i)/3 não sinônimo [Na = (3-i/3)]

11 Regiões codificadoras Ks = - 3/4 ln (1 - 4Ms/3Ns) Ka = - 3/4 ln (1 - 4Ma/3Na) Ks e Ka : proporção de diferenças sinônimas e não sinônimas por sítio sinônimo e não sinônimo, respectivamente. Ks e Ka : proporção de diferenças sinônimas e não sinônimas por sítio sinônimo e não sinônimo, respectivamente. Ms e Ma : número respectivo de diferenças sinônimas e não sinônimas observadas,. Ms e Ma : número respectivo de diferenças sinônimas e não sinônimas observadas,. Ns e Na : número respectivo de sítios sinônimos e não sinônimos esperados. Ns e Na : número respectivo de sítios sinônimos e não sinônimos esperados.

12 Mudanças Evolutivas Substituição de aminoácidos Substituição de aminoácidos

13 Substituição de Aminoácidos A proporção (p) de diferentes aminoácidos entre duas seqüências: A proporção (p) de diferentes aminoácidos entre duas seqüências: p = n/L n: número de aminoácidos diferentes n: número de aminoácidos diferentes L: comprimento da seqüência L: comprimento da seqüência O número de substituições de aminoácidos por sítio (d): O número de substituições de aminoácidos por sítio (d): d = - ln (1-p)

14 Algumas substituições de aminoácidos requerem mais substituições de nt Algumas substituições de aminoácidos requerem mais substituições de nt Ile Thr : uma mudança Ile Thr : uma mudança AUU ACU AUU ACU AUC ACC AUC ACC AUA ACA AUA ACA Ile Cys: duas mudanças Ile Cys: duas mudanças AUU (Ile) AGU (Ser) UGU (Cys) AUU (Ile) AGU (Ser) UGU (Cys) AUU (Ile) UUU (Phe) UGU (Cys) AUU (Ile) UUU (Phe) UGU (Cys)

15 Substituição de Nucleotídeos Taxas e Padrões

16 Taxa de substituição de nucleotídeos Divergência de 2 seqüências homólogas a partir do ancestral comum Divergência de 2 seqüências homólogas a partir do ancestral comum r = K/2T r = K/2T r = n o de substituições por sítio/ano r = n o de substituições por sítio/ano K = n o médio de substituições K = n o médio de substituições T = tempo desde a divergência T = tempo desde a divergência

17 Normalmente consideramos o tempo de divergência das seqüências como igual ao tempo de divergência das 2 espécies Normalmente consideramos o tempo de divergência das seqüências como igual ao tempo de divergência das 2 espécies Mas, em espécies próximas, podemos estar vendo diferenças que já estavam presentes no ancestral comum Mas, em espécies próximas, podemos estar vendo diferenças que já estavam presentes no ancestral comum A duplicação das seqüências pode ocorrer independente da especiação A duplicação das seqüências pode ocorrer independente da especiação

18 Espécie Ancestral Homem Gorila especiação Seqüência comum ancestral Tempo

19 As seqüências divergiram há mais tempo que as espécies As seqüências divergiram há mais tempo que as espécies Se for usado o tempo de divergência das espécies, a taxa de substituição será superestimada Se for usado o tempo de divergência das espécies, a taxa de substituição será superestimada

20 Taxas de substituições sinônimas (S) e não sinônimas (NS) em genes de proteínas em mamíferos. Médias: NS: 0,74 S: 3,51 Regiões Codificadoras

21 Regiões codificadoras e não codificadoras: comparando seqüências e descobrindo genes

22 Padrões de substituição Diferenças nas pressões seletivas Alguns poucos aminoácidos em um ponto crítico Alguns poucos aminoácidos em um ponto crítico Região do grupo Heme na Hemoglobina Região do grupo Heme na Hemoglobina O restante só precisa ser hidrofílico O restante só precisa ser hidrofílico Toda a proteína Toda a proteína Histona 4 Histona 4 A proteína toda está em contato com o DNA ou proteínas A proteína toda está em contato com o DNA ou proteínas Quanto mais importante a função, mais lenta a taxa de evolução Quanto mais importante a função, mais lenta a taxa de evolução

23 Padrões de substituição Padrões de substituição podem dar informações sobre a função da proteína Padrões de substituição podem dar informações sobre a função da proteína Genes diferentes evoluem a taxas diferentes Genes diferentes evoluem a taxas diferentes Aminoácidos conservados são críticos para a função da proteína Aminoácidos conservados são críticos para a função da proteína

24 Distâncias físico-químicas entre os aminoácidos

25 Distâncias físico-químicas entre pares de aminoácidos

26 Cerca de 60-90% das trocas de aa envolvem o 1 o ou 2 o vizinhos do anel

27 Relógio Molecular Número de mudanças é proporcional ao tempo Número de mudanças é proporcional ao tempo Então, usando o número de mudanças é possível estimar o tempo de divergência entre espécies ou entre genes Então, usando o número de mudanças é possível estimar o tempo de divergência entre espécies ou entre genes Pré-requisito: taxa de evolução constante Pré-requisito: taxa de evolução constante

28 Obtenção das seqüências Seqüenciamento Seqüenciamento Bancos de dados Bancos de dados

29 Bancos de dados Entrez Entrez GenBank: bases (fev 08) GenBank: bases (fev 08)

30 Entrez

31 Busca de seqüências

32

33 Alinhamento de seqüências ClustalW ClustalW BioEdit BioEdit Mega Mega

34 BioEdit

35 Métodos de construção de árvores filogenéticas Métodos baseados em distância UPGMA – considera a árvore como aditiva e que todos os táxons estão igualmente distantes da raiz. UPGMA – considera a árvore como aditiva e que todos os táxons estão igualmente distantes da raiz. Evolução mínima – estima-se para cada árvore alternativa o comprimento de cada braço a partir das distâncias entre os táxons. A árvore escolhida é a que tem menor somatória do comprimento de braços. Evolução mínima – estima-se para cada árvore alternativa o comprimento de cada braço a partir das distâncias entre os táxons. A árvore escolhida é a que tem menor somatória do comprimento de braços.

36 Métodos de construção de árvores filogenéticas Agrupamento de vizinhos (Neighbor Joining): Baseado no método de evolução mínima – não examina todas as topologias possíveis, mas procura encontrar vizinhos que minimizem o comprimento total da árvore. Agrupamento de vizinhos (Neighbor Joining): Baseado no método de evolução mínima – não examina todas as topologias possíveis, mas procura encontrar vizinhos que minimizem o comprimento total da árvore.

37 Métodos de construção de árvores filogenéticas Métodos baseados em caráter Máxima Parcimônia: o método assume o critério da parcimônia, minimizando o número de passos evolutivos aceitos na árvore Máxima Parcimônia: o método assume o critério da parcimônia, minimizando o número de passos evolutivos aceitos na árvore Máxima verossimilhança: considera todos os sítios indistintamente Máxima verossimilhança: considera todos os sítios indistintamente Análise Bayesiana: probabilidades a posteriori Análise Bayesiana: probabilidades a posteriori

38 Métodos de construção de árvores filogenéticas Vários desses métodos estão implementados no programa Mega Vários desses métodos estão implementados no programa Mega Também no pacote de programas Phylip: Também no pacote de programas Phylip:

39 Exemplos Neighbor-Joining Neighbor-Joining

40 Exemplos Minimum Evolution Minimum Evolution

41 Exemplos Maximum Parsimony Maximum Parsimony

42 Exemplos UPGMA UPGMA

43 Leitura recomendada Schneider, Horacio. Métodos de análise filogenética: um guia prático. 3 a edição. Ed. Holos e SBG, Schneider, Horacio. Métodos de análise filogenética: um guia prático. 3 a edição. Ed. Holos e SBG,


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