Genética de populações, evolução molecular e implicações em filogenias

1. Genética de populações, evolução molecular e implicações em filogenias Sergio Russo Matioli Departamento de Genética e Biologia evolutiva Instituto de Biociências Universidade de São Paulo

2. Genética de populações Ciência que estuda a dinâmica de alelos e genótipos em populações Dados empíricos: Genótipos de amostras populacionais Ferramentas analíticas: Estimadores de parâmetros baseados em modelos matemáticos

3. Genética de populações Fenômenos estudados A) Estruturas espaço-temporais de freqüências gênicas e genotípicas B) Sistemas de cruzamento C) Mutações D) Fluxo gênico E) Seleção natural F) Deriva genética

4. Genética de populações Problemas mais comuns A) Problemas de escala: Estimativas de números muito pequenos (taxas de mutação, coeficientes de seleção, taxas de migração) e números muito grandes (tamanhos populacionais, número de gerações). O conhecimento empírico dos valores é quase sempre impraticável. B) Problemas de testes de hipóteses: Os fenômenos estudados pela genética de populações não são mutuamente exclusivos e processos diferentes podem originar padrões semelhantes.

5. Genética de populações Soluções dos problemas comuns A) Muitos parâmetros de Genética de populações que podem ser mais facilmente estimados resultam da multiplicação de valores grandes por valores pequenos, como Nm, Ns, Nu, etc. (N= tamanho populacional, s = coeficiente de seleção e  = taxa de mutação) B) Problemas de testes de hipóteses: Certos processos têm efeitos globais no genoma e outros têm efeitos locais, assim, o estudo de vários locos gênicos simultaneamente pode ajudar na interpretação dos padrões.

6. Evolução molecular Ciência que estuda padrões existentes em macromoléculas de organismos atuais e faz inferências sobre processos que ocorreram na geração de tais padrões durante a evolução dos organismos. Dados empíricos: Seqüências e estruturas de macromoléculas Ferramentas analíticas: Programas computacionais baseados em modelos matemáticos.

7. Evolução molecular Fenômenos estudados A) Modificações de estruturas primária, secundária, terciária e quaternária de macromoléculas por substituição de monômeros ou rearranjos. B) Duplicações gênicas C) Transferências horizontais de genes D) Recrutamento de genes

8. Evolução molecular Problemas mais comuns A) Estabelecimento da homologia (as macromoléculas consideradas de organismos atuais derivam da mesma macromolécula que existiu em um ancestral comum?). B) Estabelecimento do tipo de homologia (ortologia, paralogia e xenologia). C) Necessidade de conhecimento filogenético prévio.

9. Evolução molecular Soluções dos problemas mais comuns A) A homologia pode ser estabelecida com informações de outros níveis estruturais (estrutura 2ária, 3d), B) O estabelecimento do tipo de homologia fica facilitado com o crescimento dos bancos de dados de genomas inteiros e também com o conhecimento de séries parálogas completas. C) As filogenias podem ser reconstruídas com dados de outra natureza. Por exemplo, as informações paleontológicas podem ser utilizadas em certos casos.

10. Algumas generalizações Qualquer mudança evolutiva, em qualquer nível fenotípico (bioquímico, fisiológico, etológico, morfológico, ecológico, etc.), tem NECESSARIAMENTE como causa pelo menos uma modificação de uma macromolécula hereditária. Uma modificação de uma macromolécula hereditária pode causar OU NÃO uma mudança em algum nível fenotípico (bioquímico, fisiológico, etológico, morfológico, ecológico, etc.)

11. Algumas generalizações Uma mudança evolutiva em qualquer nível fenotípico (bioquímico, fisiológico, etológico, morfológico, ecológico, etc.) pode ser causada por UMA ou MAIS modificações diferentes em macromoléculas hereditárias. As mudanças evolutivas fixadas em organismos atuais passaram NECESSARIAMENTE por processos estudados pela Genética de populações.

12. Evolução molecular e genética de populações Principais dados empíricos: As relações entre a estruturas primárias de macromoléculas de organismos atuais refletem muito mais o parentesco dos organismos do que as características fenotípicas associadas a estes. (Zukerkandl e Pauling, 1962) Macromoléculas diferentes evoluem com velocidades diferentes

13. O relógio evolutivo molecular

14. Evolução molecular e genética de populações Principais dados empíricos: Trechos diferentes de macromoléculas evoluem com velocidades diferentes Macromoléculas que evoluem mais rapidamente são mais polimórficas

15. Implicações teóricas dos padrões observados de evolução molecular Os polimorfismos moleculares podem ser mantidos dinamicamente por seleção natural ou podem ser transitórios como resultado de deriva genética A manutenção de polimorfismos por seleção natural, entretanto implica a imposição de carga genética para as populações naturais

16. Carga genética Carga genética é definida como a fração da população que deixa de se reproduzir por uma causa de natureza genética. A carga genética pode ser mutacional, recombinacional ou resultante de seleção natural.

17. Carga genética Normalmente, o valor da carga genética é calculado se comparando uma população que não apresenta aquele fator genético com uma população que o apresenta. No caso de uma população sem seleção , o valor de referência é 1.

18. Carga genética Uma população que está sofrendo seleção em favor de heterozigotos (coeficiente de seleção s para um dos homozigotos e t para o outro) tem uma proporção de indivíduos que se reproduzem: Genótipos AA Aa aa Freqüências p2 2pq q2 Valores adaptativos 1-s 1 1-t 1 - sp2 - tq2 Valor adaptativo médio = Carga genética = -(sp2+sq2) Por exemplo, se s = 0,2 e t = 0,1, no equilíbrio q = 0,667 e p = 0,333. Nesse caso a carga genética da população será de cerca de 6,7% da população (aqueles que não se reproduzem por causa genética).

19. Carga genética Uma população que está sofrendo seleção em favor de heterozigotos para 10.000 locos gênicos ao mesmo tempo, supondo que a carga genética da seleção para cada um dos locos é apenas 0,1%, temos: Valor adaptativo médio da população considerando-se apenas um loco gênico: 0,999 Valor adaptativo médio da população considerando-se todos os 10.000 locos gênicos: 0,99910000 = 0,000045

20. Decorrências teóricas O principal motor da evolução molecular, especialmente no nível de substituições nucleotídicas, é a deriva genética. As populações naturais não poderiam suportar seleção natural que envolve muitos locos gênicos simultaneamente.

21. Propriedades da evolução por deriva genética Populações grandes estão menos sujeitas à deriva genética mas apresentam maior probabilidade de aparecimento de mutantes neutros. Populações pequenas estão mais sujeitas à deriva genética mas apresentam menor probabilidade de aparecimento de mutantes neutros.

22. Propriedades da evolução por deriva genética

23. Propriedades da evolução por deriva genética As taxas de evolução neutra por deriva genética são portanto constantes e independentes dos tamanhos populacionais. As taxas de evolução neutra por deriva genética são portanto proporcionais às taxas de mutação e à intensidade de seleção natural negativa.

24. Implicações da evolução por deriva genética nas reconstruções filogenéticas de organismos por informações de seqüências macromoleculares Escolha de moléculas 1. Há a necessidade do estabelecimento inequívoco de homologia do tipo ortologia. 2. Idealmente sujeita à evolução predominantemente neutra. 3. Taxas de evolução compatíveis com o nível taxonômico alvo.

25. Implicações da evolução por deriva genética nas reconstruções filogenéticas de organismos por informações de seqüências macromoleculares Escolha dos métodos de análise Uma vez que a evolução por deriva genética pode ser considerado como o principal motor da evolução no nível molecular e esta depende basicamente das propriedades dos processos de mutação e de seleção natural negativa, idealmente esses fatores têm que ser levados em conta.

26. Mutações

27. Matriz de substituição de nt (GTR) A T C G A T C G - 1 2 3 1 - 4 5 24 - 6 3 56 -

28. Matriz de substituição de aa (PAM250)

29. Uso de matrizes de substituição As matrizes empíricas de substituição de monômeros refletem as propriedades químicas e bioquímicas dos mesmos.

30. Métodos baseados em distâncias. São feitos em dois passos: A construção da matriz de distâncias e a construção da árvore a partir desta. Métodos probabilísticos É feita uma busca no universo de árvores possíveis e é escolhida aquela que possui um critério numérico extremo (máximo ou mínimo).

31. Alertas Árvores filogenéticas de genes não são necessariamente árvores filogenéticas de organismos!

32. Causa Houve violação na premissa de homologia por ortologia

33. Enraizamento de árvores e polarização de caracteres • Os métodos de enraizamento de árvores baseados em grupo(s) externo(s) ou de ponto médio (com a premissa de relógio) podem ser usados. • Não há a possibilidade de uso de informações ontogenéticas • A polaridade dos caracteres não pode ser usada para inferências de plesiomorfias.