Forças evolutivas

Definição de Evolução
Forças evolutivas
A definição operacional de
evolução em nível de deme é
mudanças na freqüência alélica
ou genotípica em sucessivas
gerações.
Fatores ou processos que podem
alterar a freqüência alélica ou
genotípica em um deme.
Deriva Genética
Desvios de Hardy-Weinberg
•
•
•
•
•
Acasalamento preferencial
Mutação
Recombinação
Deriva Genética
Fluxo gênico
• A deriva genética ocorre quando erros amostrais
alteram freqüências alélicas.
• Erros amostrais ocorrem quando populações tem
um tamanho finito.
• Logo, tamanho populacional finito é uma força
evolutiva.
Experimento de Mendel
Probabilidades Vs. Freqüências em
Demes e Pool gênicos:
diplóide
As proporções de Mendel não foram ”perfeitas” por
terem sido baseadas em um número finito de
observações.
Tal freqüência apenas convergirá na probabilidade
esperada com o aumento da população amostrada.
Meiose
haplóide
MM
0.59
Probabilidades
Mendelianas
na meiose
MN
0.33
1
1/
2
M
1(0.59) + 1/2(0.33) = 0.76
NN
.08
1
1/
2
N
1(.08) + 1/2(.33) = .24
1
Probabilidades Vs. Freqüências em
Demes e Pool gênicos:
MM
0.59
diplóide
Probabilidades
Mendelianas
na meiose
Meiose
haplóide
Probabilidades Vs. Freqüências em
Demes e Pool gênicos:
MN
0.33
1
1/
2
NN
.08
Meiose
M
1(0.59) + 1/2(0.33) = 0.76
N
1(.08) + 1/2(.33) = .24
Probabilidades
Mendelianas
na meiose
Meiose
haplóide
MN
0.33
1
1/
2
M
1(0.59) + 1/2(0.33) = 0.76
1
1/
2
M
1(0.59) + 1/2(0.33) = 0.76
N
1(.08) + 1/2(.33) = .24
1
A
a
1/
2
1/
2
Amostre 10 gametas
para criar 5 indivíduos
Faça isso 20 vezes para
mostrar variação amostral
N
1(.08) + 1/2(.33) = .24
Propriedade 1 da deriva: Não tem direção
a
1/
2
1/
2
Pool Gênico
Em uma população finita, esta é a probabilidade de um alelo M no
pool gênico, e não necessariamente a freqüência obtida na progênie.
A
1/
2
1
NN
.08
Simulação Computacional da Deriva Genética
NN
.08
1/
2
haplóide
MN
0.33
Probabilidades que indivíduos MM e MN vivam e se proliferem. Em uma
amostra finita, podem ocorrer desvios apenas por acaso.
Probabilidades Vs. Freqüências em
Demes e Pool gênicos:
MM
0.59
MM
0.59
Probabilidades
Mendelianas
na meiose
1
1/
2
Esta é uma Probabilidade Mendeliana. Em uma amostra finita de
gametas de indivíduos MN poderão ocorrer desvios da razão 1:1.
diplóide
diplóide
Número (Freqüência) de alelos A
Propriedade 2 da deriva: É cumulativa
A
a
1/
1/
2
2
10 Gametas
p = 0.5
Número (Freqüência) de Alelos A
2
Propriedade 2 da deriva: É cumulativa
A
1/
2
Propriedade 2 da deriva: É cumulativa
a
1/
2
A
a
1/
1/
2
10 Gametas
2
10 Gametas
10 Gametas
Façamos esta a amostra que será acompanhada na
próxima geração
Propriedade 2 da deriva: É cumulativa
10
Gametas
2N = 10
p
Propriedade 3 da deriva: Força ∝ 1/2N
Pool Gênico
Maiores desvios da freqüência inicial tornam-se
mais prováveis com o passar do tempo
A
a
1/
2
1/
2
20
Gametas
Gerações
Número (Freq) de Alelos A
Propriedade 4 da Deriva: Perda de Alelos
A
1/
2
Propriedades 3 e 4 da deriva: Taxa de perda de alelos
a
1/
2
10 Gametas
10 Gametas
Taxa de Perda = 1/2N
3
Propriedade 5: Demes isolados tornam-se
geneticamente diferenciados (da propriedade 1)
Propriedades da deriva genética
2N = 20
4 Demes Isolados a partir
de um deme ancestral
com p = 0.5
p
•
•
•
•
•
Não tem direção
É cumulativa
Força é proporcional a 1/2N
Leva à perda (e fixação) de alelos dentro
de demes
Leva à diferenciação genética entre demes
isolados
Geração
Tamanho Populacional Finito
• Aumenta F médio do deme
• Aumenta variância das freqüências alélicas em
“subamostras”
• Causa perda ou fixação de alelos
Podemos inferir estes efeitos em uma população
idealizada
Distribuição de Poisson
Premissas de uma população ideal
• Diplóide hermafrodita autocompatível
• Tamanho finito de N indivíduos que se
reproduzem sem flutuações no tamanho
populacional
• Acasalamento ao acaso
• Isolamento genético completo
• Gerações discretas sem estrutura de idade
• Todos indivíduos contribuem mesmo número de
gametas em média à próxima geração
• Amostragem destes gametas segue Poisson
Tamanho Efetivo Populacional
Qual o valor de N em nosso modelo idealizado que
faria com que nossa estimativa de desvio
promovido por deriva tenha o valor que
encontramos partindo de um sistema em equilíbrio
de HW?
Este valor é o Tamanho Efetivo Populacional!
Vantagem é que permite comparação entre
populações diferentes
4
Tamanho Efetivo Populacional
Como deriva tem várias conseqüências genéticas na
população, existem formas diferentes de se estimar o
Ne
Ou seja, não existe UM tamanho efetivo populacional!
Da mesma forma que endogamia tem vários sentidos,
Ne também os tem
Cada componente genético afetado por deriva requer
um Ne diferente
Tamanhos Efetivos Populacionais
Nef = Tamanho efetivo de endogamia, mede o efeito da
deriva no aumento médio de F
Nev = Tamanho efetivo de variância, mede o efeito da
deriva no aumento da amplitude de freqüências alélicas
em subpopulações diferentes, ou o erro de amostragem
induzido nas freqüências alélicas ao passar das gerações
Neλ = Tamanho efetivo de eigenvalue (autovalor), mede o
efeito da deriva no aumento da perda e fixação de alelos
nas populações
Exemplos de Deriva
Número de Alelos bw75
Distribuição da freqüência alélica em 107 populações de 16 D.
melanogaster mantidas com geração discreta.
Embora a força da deriva genética seja
proporcional a 1/2N, a deriva pode ser
importante em populações grandes
•
•
•
Efeito Gargalo
•
Uma grande população passou por uma ou mais
gerações de tamanho reduzido no passado.
Efeito Gargalo -- Uma grande população passou
por uma ou mais geração de tamanho reduzido
no passado.
Efeito Fundador -- Uma grande população foi
fundada por um número pequeno de indivíduos.
Alelos Neutros -- Alelos sem impacto em
fenótipos relacionados a sucesso reprodutivo.
Sua sorte é determinada por deriva ou mutação.
5
Um Evento Fundador Humano
• População da vila de montanha de Salinas na
República Dominicana tinha 4,300 em 1974.
• A vila foi fundada por uma meia dúzia de pessoas
há 7 gerações.
• Um fundador, Altagracia Carrasco, se casou 4
vezes e teve vários filhos.
• Seus alelos tinham alta freqüência no pool gênico
da população fundadora.
• Crescimento populacional subseqüente reduz a
força da deriva mas ‘congela’ as freqüências
alélicas estabelecidas pelo evento fundador inicial,
portanto os alelos de Carrasco continuam com alta
freqüência, mesmo hoje em dia.
Altagracia Carrasco, como a maioria das
pessoas, era heterozigoto portador de uma
doença autossômica recessiva:
Deficiência de 5-α esteróide redutase
5-α Esteróide Redutase
testosterona
diidrotestosterona
Eventos fundadores e gargalos
• Podem alterar drasticamente as freqüências alélicas,
tornando certos alelos de doenças genéticas comuns
• Reduzem a variação genética geral, criando um
background genético mais simples
• Criam desequilíbrio de ligação, que raramente se
extende a mais do que 1 cM em demes grandes
Sob o Controle da
Testosterona
Caminho Sob o Controle
da Diidrobásico em
testosterona
todos os
mamíferos
• Por estas razões, tais populações tem grande
importância médica
Clonagem Posicional e QTLs
• O 1o caso de clonagem posicional foi do gene para
Coréia de Huntington
• Nancy Wexler percebeu que essencial era encontrar
uma população que tinha alta freqüência de CH.
• Ela encontrou tal população no Lago Maracaibo,
formada por um efeito fundador
• Agora, tais populações “fundadoras’ são
consideradas como um recurso comercial
importante.
Alelos neutros
Uma porção substancial, talvez a
maioria, da variação genética
observada em seqüências de DNA é
neutra, tornando a deriva uma das
principais forças evolutivas.
6
Desvios de Hardy-Weinberg
•
•
•
•
•
Acasalamento preferencial
Mutação
Recombinação
Deriva Genética
Fluxo gênico
Estimativas de Fluxo gênico podem ser
feitas através de dois tipos de métodos:
Problemas de estimativas diretas:
• Animais que dispersam podem não encontrar habitat
Estimativas de Fluxo gênico podem ser
feitas através de dois tipos de métodos:
Diretos - em que os indivíduos ou os gametas são
considerados para a estimativa direta de
fluxo.
Indiretos - apenas estimativas genéticas, medidas a
partir de alelos nos demes, são consideradas
para a estimativa desses índices
Estimativas de Fluxo gênico podem ser
feitas através de dois tipos de métodos:
Problemas de estimativas indiretas:
• Medida de fluxo gênico pode estar estimando
coisas diferentes além de apenas o fluxo gênico
• Eles podem chegar em condições precárias
• Eles podem ter dificuldade em encontrar par
• Reprodução pode não ser bem sucedida
Fluxo Gênico
• O modelo de Hardy-Weinberg considera apenas uma
única população
• A maioria das espécies tem várias populações locais
• Embora a maioria dos acasalamentos geralmente
ocorra em uma população local, algumas vezes
indivíduos acasalam-se fora de seu deme
• Conexões reprodutivas entre demes permite o
movimento de alelos de um pool gênico a outro
• O movimento de genes entre demes é
chamado de fluxo gênico.
Fluxo gênico entre dois demes
Deme 1
Pools Gênicos à
Geração 0
A
p1
1-m
Pools Gênicos à
Geração 1
A
p1’
Deme 2
a
q1
m
a
q1’
A
p2
m
a
q2
1-m
A
p2’
a
q2’
7
Fluxo gênico entre dois demes
Deme 1
Pools Gênicos à
Geração 0
A
p1
Pools Gênicos à
Geração 1
Deme 2
a
q1
1-m
m
A
p1’
Fluxo gênico entre dois demes
A
p2
a
q2
m
a
q1’
1-m
A
p2’
a
q2’
p2’ = (1-m)p2 + mp1
= p2 + m(p1-p2)
p1’ = (1-m)p1 + mp2
= p1 - m(p1-p2)
Fluxo gênico entre dois demes
Deme 1
Pools Gênicos à
Geração 0
Pools Gênicos à
Geração 1
a
q1
1-m
m
A
a
q1’
p1’= p1 - mdo
1-m
Pools Gênicos à
Geração 2
A
p1”= p1’-md1
m
a
q1”
A
p2
m
a
q2
1-m
A
p2’=p2+md
o
m
a
q2’
1-m
A
p2”=p2’+
md1
p2’ = p2 + m(p1-p2)
Chamemos do = (p1-p2) = a diferença na freqüência
alélica entre os demes na geração 0.
Logo: p1’ = p1 -mdo
p2’ = p2 + mdo
Fluxo gênico (m > 0) será uma força
evolutiva quando do≠ 0
ou seja, quando os pool gênicos iniciais
forem diferentes (p1 ≠ p2).
Fluxo gênico entre dois demes
Deme 2
A
p1
p1’ = p1 - m(p1-p2)
a
q2”
Fluxo gênico entre dois demes
Fluxo gênico é uma força evolutiva que reduz
as diferenças genéticas entre demes locais
Por exemplo, as freqüências do alelo Rh+ no
locus Rh do grupo sangüíneo são:
Europeus:
0.0279
Africanos:
0.5512
Afro-Americanos: 0.4381
Após 1 geração de fluxo gênico:
p1’ = p1 -mdo
p2’ = p2 + mdo
d1 = p1’ - p2’ = p1 -mdo - p2 - mdo
= p1 - p2 -2mdo
= do - 2mdo
= do(1-2m)
Podemos demonstrar que após n gerações de fluxo gênico:
dn = do(1-2m)n → 0 quando n → ∞
Fluxo gênico é uma força evolutiva que reduz as
diferenças genéticas entre demes locais
Fluxo gênico entre dois demes
Deme 1
Pools Gênicos à
Geração 0
1-m
Pools Gênicos à
Geração 1
Deme 2
A
p1 = 1
a
q2 = 1
m
A
a
p1’ =1-m q1’=m
m
1-m
A
p2’=m
a
q2’=1-m
Fluxo gênico é uma força evolutiva que aumenta a
variação genética dentro de demes
8
Deriva Genética e Fluxo Gênico
Medindo o balanço entre a deriva
genética e o fluxo gênico
Tem efeitos opostos na variação genética dentro
e entre os demes.
O balanço entre estas duas forças é o principal
determinante das quantidades relativas de
variação genética dentro e entre demes de uma
espécie.
Sewall Wright
A “Heterozigosidade” média esperada é calculada ao se escolherem
aleatoriamente dois alelos de uma subpopulação
= HS = (46+113)/512 = 0.311
H.-W. Het
= 2pq = .36
H.-W. Het.
= 2pq = .29
46 hets
140 Índios Pueblo
M
N
0.76
0.24
113 hets
372 Aborígines Australianos
M
N
0.176
0.824
População Total
M
N
[140(.76)+372(.176)]/512 =0.34
[140(0.24)+372(.824)]/512=0.66
A “Heterozigosidade” esperada é calculada ao se escolherem aleatoriamente
dois alelos da população Total = HT = 2pq = 2(.34)(.66) = 0.449
FST = (HT - HS)/HT = (.449-.311)/.449 = 0.308
Fragmentação de Habitat:
FST mede o balanço entre fluxo gênico e
deriva genética em uma escala de 0 a 1
HT = HS ⇒
Todos os demes têm
pools gênicos idênticos;
Toda a variação é
comum a toda a
espécies
0
HS = 0 ⇒
Nenhuma variação dentro
de demes; Toda variação
existe como diferenças
entre os pools gênicos de
demes
FST = (HT-HS)/HT
Fluxo gênico domina
1
Deriva genética domina
Fragmentação de Habitat
Humanos subdividem os habitat de várias
espécies, ou criam barreiras à dispersão.
Isto muda o balanço em favor da deriva
genética contra o fluxo gênico.
1000 Indivíduos vivem neste habitat:
Força da deriva genética = 1/2000.
9
Fragmentação de Habitat
500
Fragmentação de Habitat
500
Uma estrada corta este habitat em duas partes iguais com m = 0,
mas sem causar impacto no tamanho populacional total.
Perda de variação pela deriva genética = 1/1000;
Ou seja, a perda dobrou.
Fragmentação de Habitat
Apenas 10% do habitat permanece e apenas 10% da
população:
Taxa de perda aumenta 10 vezes.
Fragmentação de Habitat
Apenas 10% do habitat permanece e apenas 10% da
população mas em duas áreas com m = 0:
Apenas 10% do habitat permanece e apenas 10% da
população mas em duas áreas com m = 0 :
Taxa de perda por deriva aumenta 20 vezes.
Taxa de perda por deriva aumenta 200 vezes.
DERIVA GENÉTICA GLOBAL
MUTAÇÃO
DIVERSIDADE ALÉLICA
SELEÇÃO NATURAL
BALANÇO ENTRE
DERIVA GENÉTICA E
FLUXO GÊNICO
VARIAÇÃO
VARIAÇÃO
INTRAPOPULACIONAL
INTERPOPULACIONAL
RECOMBINAÇÃO
SISTEMAS DE
ACASALAMENTO
HOMOZIGOTOS
HETEROZIGOTOS
COMPLEXOS MULTI-LOCI
10