Genética de Populações Genética de Populações
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Deriva ∝ 1/2Ne Por que então é também importante em grandes populações? Mutações recentes Qual a prob de uma mutação que ocorreu pela 1a vez passar para a próxima geração? Modelo aleatório, Distribuição de Poisson! • Mutações recentes P(i’=0) = e-22i / i!, logo: • Alelos neutros Mutações recentes Qual a prob de uma mutação que ocorreu pela 1a vez passar para a próxima geração? Alelos Neutros São alelos funcionalmente equivalentes aos seus alelos ancestrais na probabilidade de se replicar e deixar descendentes na próxima geração Embora tais alelos tenham sido discutidos por Wright e Fisher, apenas após a década de 60 sua importância foi reconhecida Se k = 4, p = 0.14 Se k = 1, p = 0.61 Conseqüências do “Founder-flush” e de efeitos fundadores Genética de Populações Genética de Populações Controvérsias acerca da extensão da variação genética • Estudo da geração e manutenção da variação genética • Até a década de 1960 apenas conseguiu investigar isto indiretamente pelo estudo do fenótipo • Ausência de dados levou a grande controvérsia acerca da extensão da variação genética Escola Clássica - muito pouca variação na natureza Muller Escola Balanceada - muita variação mantida na natureza Dobzhansky Escola clássica - mutação é fator mais importante e por isso mesmo raro. Morgan e Muller Mutação surge e é rapidamente selecionada, ou aumenta de freqüência ou é eliminada da população. Seleção natural mantém polimorfismo baixo nas populações - variação era rara. 1 Genética de Populações Controvérsias acerca da extensão da variação genética Escola balanceada – Sturtevant e Dobzhanski sugeriram que existia bastante variação na natureza. Esta variabilidade seria mantida na população em forma de polimorfismos balanceados, que fariam com que ambos alelos permanecessem na população. Da mesma forma que na escola clássica, seleção tem papel fundamental na determinação da variação genética encontrada. Comparação de seqüências de aminoácidos Seqüência 1 Seqüência 2 leu arg phe cys ser ser leu phe cys ser ser arg Seqüência 1 Seqüência 2 leu arg phe cys ser ser arg leu gap phe cys ser ser arg Seqüência Seqüência Seqüência Seqüência Seqüência Seqüência leu leu leu leu leu leu arg gap gap arg arg arg cys cys cys cys cys cys ser ser ser phe ser phe ser ser ala ser ile ser arg arg arg arg arg arg 1 2 3 4 5 6 phe phe phe ile ile phe arg Medição de divergência de seqüência Década de 60 Seqüenciamento de aminoácidos – permitiu a comparação de genes homólogos em espécies diferentes Eletroforese de proteínas – permitiu a investigação de polimorfismo em vários loci no genoma. • Harris e Hopkinson (1966) em humanos • Hubby e Lewontin (1966) em populações naturais Medição de divergência de Seqüência Várias medidas possíveis, mais simples é a comparação do número proporcional de diferenças: p = nd / n nd = número de diferenças n = número de aminoácidos Distância é corrigida com Poisson para considerar substituições múltiplas Divergência pode ser usada para agrupar Seqüências de aa de cadeias alfa de hemoglobina No. de Taxa : 5 Gaps/Dados ausentes : Deleção completa Método de distância : AA corrigida Poisson No. de Sítios : 140 d : Estimativa [1] Homem [2] Camundongo [3] Galinha [5] Salamandra [6] Carpa 2 16 3 35 39 4 62 63 63 5 68 68 72 74 Tubarão 79 79 83 84 ?? 2 Relógio Molecular Década de 60 Seqüenciamento de aminoácidos – permitiu a comparação de genes homólogos em espécies diferentes Eletroforese de proteínas – permitiu a investigação de polimorfismo em vários loci no genoma. • Harris e Hopkinson (1966) em humanos • Hubby e Lewontin (1966) em populações naturais Mudanças moleculares em genes e seus produtos acumulam relativamente constantes no tempo Genética de Populações Controvérsias acerca da extensão da variação genética Controvérsias acerca da extensão da variação genética • Debate começou a ser resolvido na década de 60 quando pesquisadores começaram a investigar variação natural por metologias moleculares - eletroforese, seqüenciamento Eletroforese em gel de amido Década de 60 Seqüenciamento de aminoácidos - questionou a quantidade de variação interespecífica Eletroforese de proteínas - questionou a quantidade de variação intraespecífica Década de 60 Maioria das espécies têm grandes quantidades de variação genética, e ainda era subestimada! Não resolveu a controvérsia, pois a discussão mudou da quantidade de variação para a significância da variação genética. Escola clássica tornou-se a escola da evolução neutralista 3 Genética de Populações Genética de Populações Controvérsias acerca da extensão da variação genética Controvérsias acerca da extensão da variação genética A explicação de Motoo Kimura (Kimura 1968) A explicação de Motoo Kimura (Kimura 1968) • Variação era muito alta e as mudanças muito rápidas para serem explicadas pela seleçao natural Estimativa de Haldane indica 1 substituição a cada 300 gerações - Estas substituições estavam acontecendo muito mais rapidamente 1 - 1 subst a cada 28my por 100 aa 2 - Tamanho de genoma de mamífero 4 x 109 bp 3 - 100 aa = 300 pb e 20% de substituição sinônima portanto 1 aa subst ≈ 1.2 subst pb • - baseado em seq de aa (hb e cyt c) Kimura calculou uma média de 1 aa p/ 28 my em uma proteína de 100 aa • - Preço muito alto considerando o conceito de Haldane de carga genética e custo da seleção (1 a cada 300 gerações) Genética de Populações Teoria Neutralista de Evolução Molecular : Controvérsias acerca da extensão da variação genética A explicação de Motoo Kimura (Kimura 1968) Estimativa de Haldane indica 1 substituição a cada 300 gerações - Estas substituições estavam acontecendo muito mais rapidamente 4 - Tempo que levaria para estas subst ocorrerem no genoma: Motoo Kimura (1924-1994) Publicações de 1968 sobre evolução neutralista através da deriva explicam tanto os altos níveis de variação quanto o relógio molecular (28 x 106) / (4 x 109/300) / 1.2 = 1.8 anos - Muito superiores à taxa de subst de 1 a cada 300 gerações Teoria Neutralista de Evolução Molecular : Motoo Kimura (1924-1994) Teoria Neutralista de evolução molecular Teoria Neutralista não diz respeito apenas à deriva, e sim à interação entre deriva e mutação. 2N genes em uma população. Vários aspectos da evolução de caracteres neutros não dependem do tamanho populacional. Taxa de mutação de alelos neutros μ Ein? Taxa de produção de novos alelos neutros = 2Nμ Mas não é α 1/2N? Taxa de evolução molecular = 1/2N x 2Nμ = μ Pfixação = 1/(2N) 4 Teoria Neutralista de evolução molecular Teoria Neutralista de evolução molecular Taxa de evolução molecular = 1/2N x 2Nμ = μ Taxa de evolução molecular = 1/2N x 2Nμ = μ Taxa que mede probabilidade fixação de alelos novos criados na população. Explica a existência de um relógio molecular Nesta equação não existe o efeito do tamanho populacional na taxa de evolução neutra por deriva Deriva é uma força evolutiva importante para alelos neutros em todas as populações, não apenas as pequenas! Modelo Fisher-Wright de deriva genética Explica a quantidade de polimorfismos na natureza Taxa de Evolução Probabilidade de fixação de uma nova mutação neutra: = 1/2N 2N = 18 requer uma média de 4N gerações. Tempo entre fixações sucessivas = 1/μ gerações. *N = Tamanho efetivo populacional. 2N = 100 Qual?? Hartl & Clark (1997) Principles of Population Genetics Teoria Neutralista de evolução molecular Hartl & Clark (1997) Principles of Population Genetics Teoria Neutralista de evolução molecular Infinite Allele Model - Cada mutação produz um novo alelo. Não existe identidade por estado, apenas ibd. O impacto da deriva e da mutação pode ser quantificado: Pnão mutação = (1 - μ)2 À medida que N diminui, F aumenta. Quando μ aumenta, F diminui. Deriva aumenta a probabilidade de ibd, enquanto mutação a diminui 5 Teoria Neutralista de evolução molecular Equilíbrio entre deriva e mutação na população: F(t) = F(t-1) Teoria Neutralista de evolução molecular 1- Feq = Heq = heterozigosidade esperada, logo: H= Arredondando (1- μ)2 (4 Nef μ) = (1 + 4 Nef μ) (θ ) (1 + θ ) Chamemos θ = 4 Nefμ, que mede a força da mutação em relação à deriva Feq = homozigosidade esperada Teoria Neutralista de evolução molecular (θ ) H= Críticas sobre a teoria neutralista O que é μ e como medir? E como medir Nef? Na ausência de estimativas confiáveis, quaisquer valores poderiam ser usados… Grande poder explanatório, mas difícil de se testar! (1 + θ ) E como separar neutralidade de seleção? Carpa/Lampreia V ertebrados/ Insetos Mamíferos/ Répteis Répteis/Peixes MamÍferos Aves/Répteis Mudanças corrigidas de amino ácido por 100 resíduos E como separar neutralidade de seleção? i j μ não é constante em genes sob pressão de seleção diferentes. 10 200 180 160 140 120 abcde f g h Fibrin opept ídeos 1.1 M Y 220 6 5 na bi lo og m Y e M H 8 100 7 8 Substituições possíveis no DNA purinas 9 G A Evolução das globinas transições transversões 5. 80 60 20.0 Pliocene Miocene Oligocene Eocene Paleocene 100 200 300 400 500 Algonkian Cambrian Devonian Silurian Ordovician Cretaceous Jurassic Triassic Permian 0 Carboniferous 20 c romo Citoc MY 4 3 2 600 1 Separação dos ancestrais De plantas e animais T C transições pirimidinas Huronian 40 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 Milhões de anos desde a divergência 6 Mutações sinônimas são mais comumente fixadas na evolução Limitações Funcionais replacement 3 mtDNA Animal 4 Pseudogenes 5 Introns 6 Sítios 4x não-degenerados Regiões à montante 7 1.000.000.000 anos Substituições por sítio por 8 Regiões à jusante 9 Sítios não-degenerados 10 Sítios 2x não-degenerados Diferentes tipos de seqüência evoluem em taxas diferentes 8 6 4 2 0 3 In su lin m io a gl ob in a al bu in m te i ap n rle a ol u ip op cina ro 1 te ín aA in te -1 rfe ro n B1 re la xi na silent Mutações sinônimas Mutações não-sinônimas 10 hi sto na Taxas diferentes entre mutações silentes e nãosilenciosas (alteração da seqüência de aa) Substituições por sítio por 1.000.000.000 anos 12 E como separar neutralidade de seleção? A evidência de taxa de evolução diferente em proteínas diferentes apenas favorece a teoria neutralista se for inconsistente com a idéia da seleção natural determinando a evolução molecular Fisher afirmou que quanto menor o efeito de um alelo, maior a chance dele ter um efeito benéfico 2 1 0 Teoria da evolução de Fisher • Mutações aleatórias em um fenótipo qualquer podem ou não ser favoráveis E como separar neutralidade de seleção? Taxa de evolução e relógio molecular entre espécies diferentes são compatíveis com ambas as hipóteses. E dados de variação intraspecífica? +3 +2 +1 De acordo com o neutralismo, qualquer nível de variação pode ser explicado por níveis diferentes de μ e Nef. 7 E como separar neutralidade de seleção? Se μ é constante para certos genes, a diferença em heterozigosidade esperada é causada por Nef diferentes no neutralismo. E como separar neutralidade de seleção? Se μ é constante para certos genes, a diferença em heterozigosidade esperada é causada por Nef diferentes no neutralismo. Todos os Heq < 0.25 Valores restritos de θ, --> logo de Nef E como separar neutralidade de seleção? Grande parte da H está entre 0.01 e 0.10, indicando apenas um aumento de 10 vezes no Nef, enquanto o N variou em até 14 ordens de magnitude! Nef ≠ N mas mesmo assim... Teoria quase neutra de evolução E se olharmos para μ? μ não é a taxa de mutação, e sim a taxa de mutação NEUTRA - sem efeito na viabilidade Ohta olhou para certos tipos de mutação: Se s « 1/N a mutação é seletivamente neutra Se s » 1/N a mutação é afetada por seleção Mas e se s ≈ 1/N? Teoria quase neutra de evolução Fisher Efeito da mutação Prob. substituição adaptativa Prob. Mutação favorável Fisher ignorou a probabilidade de fixação Mutações de efeito fenotípico intermediário são mais prováveis de terem papel na adaptação Teoria quase neutra A taxa neutra de evolução é mais alta em populações pequenas por incluir algumas mutações que seriam desfavorecidas em populações maiores. Quando Nef aumenta, μ diminui Kimura Nef μ fica com distribuição mais restrita o que pode explicar os valores de H encontrados! Efeito da mutação 8 Teoria quase neutra As predições do relógio molecular vão pro espaço μ é função agora de Nef e discrepâncias do relógio molecular são esperadas Porque relógio molecular e neutralidade absoluta não explicam bem os dados observados, teoria neutra é boa hipótese nula. 9
