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 (ra028520@ic.unicamp.br) Orientador: Prof. Dr. João Meidanis Outubro de 2006

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

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

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

Introdução Taxonomia dos Seres Vivos Unidades: Domínios, reinos, ... até espécies Fonte: http://nai.arc.nasa.gov/news_stories/news_detail.cfm?article=old/understanding_life.htm Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais

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

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

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: http://www.sp.uconn.edu/~terry/229sp03/lectures/genetransfer.html Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais

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: http://www.sp.uconn.edu/~terry/229sp03/lectures/genetransfer.html Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais

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: http://www.sp.uconn.edu/~terry/229sp03/lectures/genetransfer.html Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais

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

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

Cenário Atual - Discussões Para Gogarten e colegas - 2002 15% a 25% dos genes de uma espécies podem ter sido adquiridos via THG Sistema de taxonomia deveria contemplar THG Para Kurland e colegas - 2003 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

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

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 - 1997 Baseado em conteúdo de GC Busca os genes com distribuições atípicas Addario-Berry, Hallett e Lagergren - 2003 Baseado em árvores de espécies e de genes Analisa as incongruências entre árvores Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais

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

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

Avaliação de Programas Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais

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

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

Cronograma Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais

Perguntas Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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