evolução molecular o estudo da história dos organismos através das macromoléculas
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Evolução Molecular
O estudo da história dos organismos através das macromoléculas...
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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
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Evolução Alteração das freqüências gênicas
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Evolução Ciência Histórica Documentos
Organismos fósseis Caracteres morfológicos Datação
Organismos atuais Caracteres Morfológicos
Aspectos comportamentais
Fisiologia Moléculas
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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
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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
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Alguns conceitos básicos...
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1 - Árvores...
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Árvores Filogenéticas
A
B
D
E
F
G
HI C
OTU – Unidade Taxonômica Operacional (Nó terminal)Ramo Terminal
Nó ancestral
Ramo Ancestral
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Árvores Filogenéticas
A
B B
DD
E
F
G
HI
E
CC
A
1 unidade
Tempo
2
1
1
6
22
3
2
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Árvores Filogenéticas
AA
B
BD
D
EE
F
G
HI C
C
Tem po
R
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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
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Teoria Neutralista
Concepções equivocadas: Moléculas seletivamente neutras não têm
função As substituições neutras são apenas ruído A teoria neutralista rejeita a Seleção Natural
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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...
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Relógio Molecular
Especiação
3 mutações
2 mutações
2 mutações
2 mutações
1 mutação
1 mutação
Acúmulo de Diferenças
A
A2A1
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Relógio Molecular
Div
. G
en.
Tempo
Div
. G
en.
Tempo
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4 - 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
sequência é homóloga, ou não é Quanto maior a similaridade entre as
sequências, maior a probabilidade de serem homólogas
No entanto, duas sequências podem ser homólogas e não apresentar similaridades (depende do tempo de divergência entre elas)
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5 - Duplicação Gênica Aumento da quantidade de genes nas
células Frequente formação de pseudo-genes
(genes que foram desligados) Leva à construção de árvores de genes, e
não de espécies...
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Duplicação Gênica
X
B C
X1
X1 X1
X2
X2 X2
História Evolutiva
10 m.a.
B B CC
5 m.a.
Hoje
B(X ) x C(X )1 2 B(X ) x C(X1)1
História Inferida(comparação de seqüências)
árvo
re d
o ge
ne
árvo
re d
as e
spéc
ies
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6 - Ortologia e Paralogia
a1 e a2; b1 e b2 são ortólogos a1 e b1; a1 e b2, a2 e b1... são
parálogos
a
a
b1 b2a1
b
a2
Duplicação Gênica
Especiação
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7 - Xenologia Resultado de transmissão horizontal.
Ex: Elemento P em Drosophila. Muito importante na análise de árvores
filogenéticas moleculares de microorganismos, especialmente vírus e bactérias.
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8 - Analogia Convergência evolutiva.
O ancestral comum possuía esta característica?
Sim: Homólogas Não: Análogas
Dificilmente ocorrem analogias em caracteres moleculares
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Cladismo x
Fenética
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Cladistas X Feneticistas Fenética:
Taxonomia numérica OTUs (Operational Taxonomic Units) Agrupamento das espécies por similaridade
morfológica global Se a taxa de evolução entre as OTUs for uniforme, a
fenética oferece uma medida do tempo que separa as espécies, ou seja, o tamanho dos braços de uma árvore
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Cladistas X Feneticistas Cladística
Henning (1950) – 1966. Tenta inferir a história evolutiva Parte de sinapomorfias Requer um grupo externo para definir
plesiomorfiasProblema: os cladistas crêem que seu
método reconstroi a árvore verdadeira, e que o reconhecimento de sinapomorfias é a única maneira de reconstruir filogenias.
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Cladistas X Feneticistas Distâncias fenéticas são inconcebíveis
para os cladistas Para os cladistas, mesmo caracteres
moleculares, que são quantitativos e não qualitativos, deveriam ser analisados sob seu ponto de vista
Hoje a maioria dos pesquisadores reconhece a superioridade filosófica da abordagem cladística, o que não invalida a fenética em filogenia, especialmente molecular
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Finalmente...Filogenia Molecular
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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.
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Vantagens e Desvantagens
Desvantagens: Técnicas mais
caras Uso de produtos
cancerígenos e radioativos
Árvores de genes e não de espécies
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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.
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Métodos Moleculares Extração do DNA total
do organismo Reação de PCR com
“primers” apropriados para amplificar o gene escolhido
Purificação dos fragmentos
Sequenciamento
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Métodos Moleculares Verificação da qualidade dos
cromatogramas
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Bancos de Dados
EMBL http://www.ebi.ac.uk/embl/ GenBank http://www.ncbi.nlm.nih.gov DDBJ http://www.ddbj.nig.ac.jp/ INSD http://www.insdc.org/
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NCBI Início – dezembro/1982 – 606 entradas Incorporação de Sequências:
Submissão direta pelos autores Associação com grandes projetos de
sequenciamento de genomas completos Intercâmbio com o INSD
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NCBI Agosto/2009 –
108.431.692 entradas (sequências) 41 genomas completos de Eucariotos (649 em
andamento) 6.121 genomas de Procariotos (1.457
completos) 2.567 genomas de Vírus completos.
E o banco continua crescendo...
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Análise das Sequências BLAST (ferramenta do NCBI)
Permite a comparação rápida da sequência obtida no laboratório com as sequências presentes nos bancos de dados
Permite a busca por sequências semelhantes para a construção de filogenias
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Análise das Seqüências Alinhamento de bases
Garante que os sítios a serem comparados são homólogos
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
http://www.megasoftware.net
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Alinhe as seguintes sequências proteicas...
MKLSPAD MSLSPKD MLSPAD
Dica prática: Se você precisar de um computador para alinhar as suas sequências, melhor não usá-las...
Alinhamento
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Alinhamento ClustalW
Alinhar duas sequencias T C T G CA T • •C • •AG •C • •
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Se as sequências a serem alinhadas forem codificadoras de proteínas, é conveniente alinhar a partir da sequência de aminoácidos
Se as sequências forem mRNAs, é conveniente alinhar a partir das regiões de grampos (em muitos casos, é conveniente excluir as alças dos alinhamentos)
Alinhamento
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Reconstrução da Filogenia Métodos que buscam, dentre todas as
árvores possíveis, a que melhor represente a história evolutiva dos organismos estudados: 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
Problema: O número de topologias aumenta exponencialmente com o número de OTUs.
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N. de OTUs N. de árvores enraizadas
N. de árvores não enraizadas
2 1 13 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 1012
20 8,20079 x 1021 2,21643 x 1020
25 1,19257 x 1030 2,53738 x 1028
30 4,9518 x 1038 8,68736 x 1036
40 1,00985 x 1057 1,31149 x 1055
50 2,75292 x 1076 2,83806 x 1074