Biologia dos marcadores moleculares parte I: o mundo de RNA

Biologia dos marcadores
moleculares
Almir R. Pepato
Ácidos Nucléicos
Pirimidina
Purina
IUPAC
Código formalizado pela
International Union of Pure and
Applied Chemistry (IUPAC)
em1970.
RNA
Nos vírus de RNA (fita simples ou
dupla), funciona como material
genético
Mas também é capaz de produzir
configurações espaciais complexas e com
isso apresentar capacidade catalítica análoga
às enzimas protéicas.
RNA
Mundo de RNA, hoje
DNA
Armazenamento
de informação
RNA
rRNA, tRNA, mRNA, e muito
mais:
Proteínas
Assumiram a maior parte das
atividades catalíticas e
estruturais das células.
DNA Polimerase
Mutações
Bases nitrogenadas anômalas
são uma das causas mais
comuns de mutações pontuais.
Mutações
Transcrição
Processamento do mRNA
O splicing alternativo
pode constituir um
importante mecanismo
de evolução das
proteínas, permitindo
combinações originais de
sítios funcionais.
Processamento do mRNA
Transcriptase reversa
Síntese protéica
Código
genético
Codifica para os 20
aminoácidos e
códons de parada.
Questões para discussão
1- O DNA é um ácido nucléico. Sua carga elétrica é NEGATIVA, submetido a
um campo elétrico, portanto, correrá do pólo NEGATIVO para o POSITIVO.
Questões para discussão
2- Transições são substituições entre pirimidinas ou entre purinas.
Transversões são substituições de purinas por pirimidinas e vice-versa.
Complete a matriz de custos abaixo, onde às transições é atribuído o custo 1 e
às transversões valor 2.
Na maioria das sequências as
transições são mais frequentes
que as transversões.
Questões para discussão
3- Qual das seguintes mutações afetando códons em uma proteína de um
gene nuclear deve ter MENOS impacto sobre a aptidão do organismo?
Seq. original: UUU UAU GAG CUU
Phe Tyr Glu Leu
Mutação 1: UUU UAU GUG CUU
Phe Tyr Val Leu
Mutação 2: UUU UAA GAG CUU
Phe --- ----Mutação 3: - UUU AUG AGC UU...
Phe Met Ser ...
Mutação 4: UUC UAC GAG UUG
Phe Tyr Glu Leu
Mutação Vs Substituição
Mutação é um fenômeno químico.
Produz novas versões dos genes.
Substituição é um fenômeno
populacional.
Mecanismos que levam à fixação
de alelos
Deriva gênica:
No caso do aparecimento de uma nova mutação, m=1:
Considerando uma taxa de mutação μ:
Mecanismos que levam à fixação
de alelos
Modelo Wright-Fisher para descrever a evolução por deriva gênica:
Probabilidade de ter a mutação:
Probabilidade de não ter a mutação:
Isso dá uma distribuição binomial, com a probabilidade de termos n
mutantes na geração seguinte de:
Mecanismos que levam à fixação
de alelos
Seleção natural, aptidão média:
A probabilidade de que o gene mutante seja transmitido à nova geração é
de:
Agora basta
substituir “a” no
modelo de WrightFisher.
Coalescência
Exemplo de um modelo simples:
Em uma população em que todos
os indivíduos apresentam o mesmo
número médio de descendentes a
probabilidade de um indivíduos
compartilhar a mãe é de:
Já a possibilidade de não
compartilharem é de:
Coalescência
A probabilidade de dois indivíduos
compartilharem um dos pais a T
gerações atrás é de :
Ou:
O tempo para a coalescência nas
nossas condições inverossímeis é
2N.
Cenários para a evolução
molecular
Princípios da genética molecular
Revelou um nível
de polimorfismo
insuspeito.
– Hubby e Lewontin, 1966; Harris,
1966
Relógio molecular
Dickerson, 1971
Proporcional
ao tempo
absoluto.
Neutralismo
Taxa de substituição sob deriva:
k = 2Nμ * 1/2N = μ
E sob seleção:
k = 2N μ * 2s = 4N μ s
Neutralismo
Previsões da hipótese neutralista:
1- Relógio molecular proporcional ao tempo absoluto? (geracional)
(pois proporcional à taxa de mutação).
2- Heterozigose alta, independente do tamanho populacional.
3- Divergência entre populações similar ao polimorfismo dentro das
populações.
Heterezigose
A taxa de heterozigose tipicamente é ao redor de 0.1
Se H=0.1, como H= 4Nµ / (4Nµ+1)
4Nµ ~ 0.1
Usando µ=5x10-8
Podemos nos perguntar: qual N necessário?
O valor obtido é 500,000 que é razoável.
Heterozigose
Substituição/polimorfismo
Sob neutralidade:
kN/kS = pN/pS
kN/kS
pN/pS
Substituição/polimorfismo
Sob seleção
positiva
kN/kS
pN/pS
kN/kS > pN/pS
(Drosophila)
= subst. não sinônima
Substituição/polimorfismo
Sob modelo com
mutações
fracamente
deletérias
kN/kS
pN/pS
kN/kS < pN/pS
(Humanos)
= polim. não sinônimo
Exemplo de baixo coeficiente de
seleção
Hipótese quase-neutralista
“A teoria quase neutra pode ser resumida da
seguinte forma. Tanto a deriva genética como a
seleção influenciam o comportamento de
mutações fracamente selecionadas. A deriva
predomina em populações pequenas, e a
seleção em populações grandes. A maioria das
novas mutações é deletéria, e a maioria das
mutações de efeito pequeno devem ser muito
fracamente deletérias. Há seleção contra essas
mutações em populações grandes, mas se
comportam como neutras e populações
pequenas”
Tomoko Ohta
Heterozigose
Estimativas de divergência
A vida seria fácil com o relógio molecular...
Estimativas de divergência
Marcadores mais utilizados
Almir R. Pepato
Definição de marcador molecular
Uma sequência nucleotídica ou de
aminoácidos detectável
experimentalmente
Marcadores mais utilizados na
literatura recente
Genes Ribossomais
27 de 64 artigos empregam sequências oriundas dos genes ribossomais
Todos os genomas apresentam
genes ribossomais (Procariotos,
Mitocôndrias, Cloroplastos,
Nucleares)
Nos Eucariotos há várias cópias
agrupadas em diversos
cromossomos
Metáfase de Serrasalmus
serrulatus marcadas para o 18S
(Nakayama et al, 2008)
Estrutura dos genes Ribossomais
Nas mitocôndrias esses genes
são ainda mais compactos:
SSU: 12S
LSU: 16S
Estrutura secundária
Estrutura secundária
Vantagens do emprego dos rDNA
Primers conservados
Múltiplas cópias, evolução concertada
Poucos problemas de paralogia
É um dos únicos marcadores que pode ser sequenciado em
qualquer ser vivo
A estrutura secundaria auxília no alinhamento das sequências e
fornece outros caracteres.
Genes codificantes
Genes codificantes
Dos trabalhos examinados, 64 utilizam sequências de genes codificantes.
Oriundos dos genomas nucleares (24) ou de organelas (Mit.: 29, CP: 11)
Dificuldades técnicas: Poucas
cópias na amostra reduz a
quantidade de substrato para a
reação de PCR.
Propriedades
semelhantes aos dos
genes ribossomais
Genes codificantes
Exemplo de gene com multiplas cópias, com evidências de evolução
concertada.
A Histona H3 foi utilizada em um dos artigos examinados
Genes codificantes
Alternativa para a obtenção de genes de cópia simples: Transcriptase
Reversa- PCR (Utilizado também para ESTs, apenas um artigo).
ITS e outros introns
Empregado em 23 artigos (ITS 14,
outros introns 9)
Os introns são regiões excluídas do
mRNA graças ao mecanismo de
splicing.
Como são regiões que não codificam
proteínas estão menos sujeitas à
seleção natural estabilizadora e
assim acumulam mais substituições.
Geralmente empregados para
recuperar histórias evolutivas
recentes.
DNA organelar
Empregado em 49 dos artigos investigados (Mit.: 40, CP: 11)
DNA organelar
O genoma mitocondrial
completo foi utilizado em
cinco artigos
DNA organelar
Fênomeno comum
nos genomas
mitocôndriais, o viés
no emprego de
nucleotídeos pode
levar a erros nas
inferências
filogenéticas