Seleção Natural e Deriva Genética Seleção Natural e

Seleção Natural e Deriva Genética
Δp =
Seleção Natural e Deriva Genética
p
a A + Δp(outra)
w
Como seleção e deriva lidam com novas mutações:
P(fixação) (u0) de um novo alelo neutro é 1/2N.
Seleção muda tal probabilidade. Suponhamos que w:
aa = 1
Aa = 1+s
AA = 1+2s
Neste caso, aA > 0 para qualquer p. Mas tem deriva…
P(fixação) de alelo favorável será:
• Deriva induz mudanças aleatórias na freqüência
gênica, logo o 2o termo dessa equação deve variar
em sinal de uma geração para outra.
– Não esperamos um aumento ou diminuição dos efeitos da
seleção.
– Fisher então considerou que deriva tinha papel
secundário a menos que populações fossem muito
pequenas, ou estivéssemos lidando com novas mutações.
−2
Seleção Natural e Deriva Genética
1 − e −2 s
u=
1 − e − 4 Ns
N ev
s
1− e N
u=
1 − e − 4 N ev s
Nev = N
u=
1 − e −2 s
1 − e − 4 Ns
Seleção Natural e Deriva Genética
u=
1 − e −2 s
1 − e −4 Ns
s = + 0.01
No limite em que s → 0, temos que u ≈ 2s/4Ns = 1/2N.
Ou seja, a P(fixação) neutra é um caso especial da equação
acima quando s é pequeno.
À medida que s aumenta, deriva e seleção interagem
para influenciar adaptação. Produto Ns é a razão
entre a força da seleção e o impacto da deriva.
À medida que N aumenta, seleção causa maiores desvios
do esperado na neutralidade. Contudo P(fixação) tende a
1-e-2s em grandes populações.
Quando s é pequeno, 1-e2s ≈ 2s.
Quando s=0.01, 98% o alelo favorável será perdido!
Isso ocorre porque a deriva sobrepuja a seleção.
Seleção Natural e Deriva Genética
É possível que deriva venha a fixar alelos que sejam
deletérios. Suponhamos que w:
aa = 1
Aa = 1+s
AA = 1+2s
Seleção Natural e Deriva Genética
1 − e −2 s
u=
1 − e −4 Ns
s = + 0.01
Neste caso, aA < 0 para qualquer p. Mas tem deriva...
e −2 s − 1
u = − 4 Ns
e
−1
u=
e −2 s − 1
e − 4 Ns − 1
s = - 0.01
u será positivo para qualquer valor de N.
À medida que N aumenta, seleção e deriva agem em
conjunto para eliminar alelos raros, deletérios.
1
Seleção Natural e Deriva Genética
Fisher considerou deriva como limitadora da quantidade
de variação genética que entra no pool gênico.
Uma vez que variante tenha aumentado de freqüência, o
processo adaptativo seria dominado pela seleção.
Wright pensou que interações adaptativas importantes
entre seleção e deriva poderiam ocorrer, quando
existisse uma paisagem adaptativa complexa:
– Papel da deriva em determinar as condições iniciais;
– Papel da deriva em permitir que populações mudem de um
pico seletivo para outro violando FFTNS.
Seleção Natural e Deriva Genética
Deriva interage com seleção para permitir processos
adaptativos que seriam impedidos se apenas seleção
estivesse operando. Deriva e seleção permitem que
ocorram mudanças de pico adaptativo que não ocorreriam
por seleção em grandes populações
Seleção Natural, Deriva e Fluxo Gênico
• Seleção em certas situações serve como
impedimento à adaptação.
• Adaptação é restrita em populações isoladas com
Nev baixo, apesar do maior poder da deriva.
• Input de fluxo gênico pode resolver a situação, se
na medida certa (Nm ~1).
• Fluxo gênico auxilia na manutenção da
diversidade genética local, o que permite que
deriva e seleção operem.
Seleção Natural e Deriva Genética
Deriva pode criar uma
diversidade de
condições iniciais para
conjuntos alélicos que
são neutros em um
ambiente, mas que
influenciam o processo
adaptativo quando o
ambiente é alterado.
Seleção Natural e Deriva Genética
Em geral, a direção da evolução é enviesada pela direção
da seleção. Contudo, nem todas populações seguem o
caminho da seleção, o que torna impossível prever o
resultado final.
Seleção Natural, Deriva e Fluxo Gênico
• Uma vez que deme alcance domínio de pico mais alto,
há alteração no balanço entre seleção e deriva.
• Lembrem-se que o importante é o balanço das forças,
logo, em pico mais alto, deriva e fluxo gênico têm
efeito menor do que em picos mais baixos.
• Mudança é mais provável de pico de valor adaptativo
mais baixo para outro mais alto.
• Apesar da seleção natural ser a única força necessária
para adaptação, Wright argumenta que adaptação é
mais efetiva quando outras forças também estejam
atuando.
2
Seleção Natural, Deriva e Fluxo Gênico
• Há ainda uma nova mudança no balanço do fluxo
gênico relativo à seleção e à deriva.
• À medida que o tempo passa, mais e mais demes
estarão em picos mais alto, o que aumenta
freqüência alélica de melhores alelos. Fluxo gênico
deixa de ser processo contra picos mais altos, para
ser neutro e finalmente força enviesada para picos
mais altos.
• Fluxo gênico pode ser ainda mais eficiente se
houver interação entre seleção e quantidade de fluxo
gênico.
Seleção Natural, Deriva e Fluxo Gênico
• Fisher rejeitou modelo de Wright e propôs modelo
próprio, o hiperespaço adaptativo.
Seleção Natural, Deriva e Fluxo Gênico
• Mutações aleatórias em um fenótipo qualquer podem
ou não ser favoráveis
+3
+2
+1
Seleção Natural, Deriva e Fluxo Gênico
• Wright chamou a este modelo da teoria do balanço
alternado (shifting balance theory).
• Evidências escassas de sua generalidade na natureza.
• Condições podem não ser tão restritas assim, como
em metapopulações, que podem ajuda a espalhar
adaptação superior através de eventos fundadores
sucessivos.
• SBT requer equilíbrios seletivos múltiplos separados
por vales.
Seleção Natural, Deriva e Fluxo Gênico
• No modelo de Fisher, seleção natural garantiria que a
população estivesse próximo ao equilíbrio.
• Único motivo pelo qual a população não estaria no
ponto ótimo seria pela ausência da variação genética
apropriada.
• Logo, mecanismo aleatório responsável pela
exploração da paisagem adaptativa seria a mutação.
Seleção Natural, Deriva e Fluxo Gênico
• Mutações de efeito pequeno são material principal
para mudança adaptativa.
• Arquitetura genética seria de muitos genes de
pequeno efeito, sem muita interação.
• Wright concorda com vários genes, mas discorda
da falta de epistasia no modelo.
• Até recentemente tínhamos pouca informação
sobre a arquitetura genética da maioria de
caracteres quantitativos.
• Modelo de Fisher é enviesado contra epistasia.
3
Seleção Natural, Deriva e Fluxo Gênico
Seleção Natural, Deriva e Mutação
• Domínio do modelo de Fisher que desconsidera
epistasia tem mais a ver com conveniência
matemática e estatística do que com a realidade.
• Como o exemplo de resistência à malária nos
indica, grande maioria de caracteres complexos
tem interações epistáticas fortes.
• Quando epistasia e pleiotropia são investigados,
geralmente são encontrados.
• Modelo Fisheriano de muitos genes de pouco
efeito aditivo parece ter pouca relevância para
qualquer sistema genético.
• O balanço entre deriva e mutação influencia a taxa
de substituição mutacional (μ) e o nível esperado
de polimorfismo (θ).
• Várias propriedades do processo coalescente na
neutralidade são influenciados por θ, que também
são afetados pela seleção natural.
• Isso permite o uso de certos métodos para a
detecção da seleção natural.
Seleção Natural, Deriva e Mutação
Seleção Natural, Deriva e Mutação
• Taxa de mutação neutral determina taxa de
divergência interespecífica e quantidade de
polimorfismo intraspecífico.
• Taxa de divergência interespecífica é proporcional
a μ, quanto heterozigosidade esperada é θ/(1+θ)≈
θ quando θ é baixo.
• Portanto, a razão do polimorfismo intraspecífico à
divergência interespecífica é proporcional a θ/ μ =
4Nei.
• Tal estatística não depende da taxa neutra de
mutação. Podemos contrastar vários genes.
Seleção Natural, Deriva e Mutação
• Árvore define teste de contingência de
homogeneidade entre categorias.
• Árvore pode dar mais informações do que apenas
estas classes.
• Templeton usou este teste para contrastar pontas e
interiores – torna independente de contraste com
outras espécies.
• Podemos contrastar vários genes, e com árvores
filogenéticas podemos ainda mais.
• Teste de contingência de neutralidade de DNA:
– McDonald Kreitman.
• Contrastam polimórficos (dentro da espécie) X
fixados (entre as espécies) e assim testam premissa
básica da relação entre μ e θ.
• Fixados persistiram no tempo, polimórficos ainda
não. Se existe seleção, estas classes devem
comportar-se diferentemente.
• Contrastaram mutaçoes sinônimas e não-sinônimas.
Evolução da
Citocromo Oxidase II
Homo sapiens
Hsa5
Pan troglodytes
Ptr1
Ptr3 Ptr5
Ptr2,4
Hsa2
Pan paniscus
Ppa1
Gorilla gorilla
Ggo5
Ggo3
Ppa2
Ppa4
Ggo1
Ggo2
Hsa1,3,4
Ggo6
Ppa3
Hsa6
Região
N-term
(transmembrana)
Posição
Sil
Subst
Ponta
8(9)
2
Interior
10(9)
3
Fixado
60
6
Ggo4
1 Mutational Change
Prob = 0.27 (0.23)
C-term
(Sítio
Ativo)
Ponta
12
7
Replacement Substitutions
Interior
12
2
Silent Substitutions
Fixado
53
2
Prob = 0.004
Tips
Interiors
Ambiguous
Fixed
]
Intraspecific
(Polymorphic)
Interspecific
4
Seleção Natural, Deriva e Mutação
• Pode ser usado para uma gama de contrastes
relevantes na molécula.
• Fornece informações relevantes sobre padrão de
evolução da molécula.
• Tais testes de contingência podem ser usados para
contrastar diferentes loci – teste de HKA.
Seleção Natural, Deriva e Mutação
πij é o número de diferenças de nucleotídeos entre
seqüencias i e j de uma amostra de n genes.
Estimativa de θ é média do número de diferenças de
nucleotídeos entre todos pares de seqüências:
j
Π=
n
Σ Σ 2π ij
i =1 j = 2
n(n − 1)
Seleção Natural, Deriva e Mutação
• Balanço da mutação e deriva na neutralidade é
medida por θ = 4Neμ.
• Existem formas diferentes de se medir θ.
• Heterozigosidade esperada = θ/(θ+1) ≈ θ.
• Lembrem-se que quando medimos heterozigosidade
em nucleotídeos a distância é substituída por
conceito de não-ibd.
Seleção Natural, Deriva e Mutação
Logo Π é estimador de θ baseado na heterozigosidade
média de nucleotídeos.
Sob neutralidade, θ também está relacionada a S, o
número esperado de eventos mutacionais até a
coalescência no ancestral comum mais recente
(MRCA). No modelo de sítios infinitos, S equivale
ao número de sítios de nucleotídeos segregando
variação). Ou seja, θ pode ser estimado:
Θ=
Seleção Natural, Deriva e Mutação
Sob neutralidade, Π e Θ estão estimando o mesmo
parâmetro. Tajima criou teste de neutralidade
baseado na diferença entre os dois:
Π −Θ
D=
Var (Π − Θ)
Se seleção natural está ocorrendo, D não deverá ter
valores próximos a zero.
S
1
Σ
k =1 ( n − k )
n −1
=
S
1
i =1 i
n −1
Σ
Seleção Natural, Deriva e Mutação
D=
Π −Θ
Var (Π − Θ)
Suponha que mutação surja e seja rapidamente
selecionada. Hitchhiking deverá ocorrer em regiões
próximas a este sítio o que pode levar a um selective
sweep.
Tal seleção direcional reduz variação no DNA, mas
mutação cria nova variação e deve criar sítio novo
segregante.
Logo, Θ deve se recuperar rapidamente, mas não Π.
D deve ser negativo nestas situações.
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Seleção Natural, Deriva e Mutação
Seleção Natural, Deriva e Mutação
Π −Θ
Var (Π − Θ)
Diferenças significativas entre Π e Θ mostram não
apenas seleção, mas a natureza da seleção!
Contudo, D é sensível também à estrutura genética, ao
contrário do teste de HKA.
Gargalo evolutivo ou eventos fundadores também
reduzem variação, causando fixação em vários
sítios. Quando variação é recriada por mutação, S
aumenta mais rápido do que a heterozigosidade
média – D < 0.
Quando D é rejeitado significa que neutralidade ou
estabilidade populacional foi violada.
D=
Por outro lado, se seleção natural favoreve a
manutenção de polimorfismos, existirão mais
polimorfismos com freqüências intermediárias.
Haverá maior impacto sobre variabilidade genética do
que sobre novos variantes sendo criados.
Logo, Π deve ter valor maior do que Θ e D deve ser
positivo.
Diferenças significativas entre Π e Θ mostram não
apenas seleção, mas a natureza da seleção!
Seleção Natural, Deriva e Mutação
Seleção Natural, Deriva e Mutação
n −1
Por isso vários outros testes de neutralidade têm sido
criados.
Fay e Wu sugeriram uma forma de separar processos
seletivos de demográficos ao criar uma nova
estimativa:
2Si i 2
i =1 n( n − 1)
n −1
θH = Σ
Em que S é o número de variantes derivados
encontrados i vezes em uma amostra de n
seqüências.
Seleção Natural, Deriva e Mutação
n −1
θH = Σ
i =1
2Si i 2
n(n − 1)
Fay e Wu mostram que crescimento populacional após
um gargalo não tende a tornar variantes derivados
comuns, portanto, excesso de haplótipos derivados
em alta freqüência é padrão unicamente associado a
seleção direcional recorrente.
H = Π – θH
H mostra que a informação da idade relativa de um
variante em conjunto com informação de freqüência
pode ser indicação de seleção positiva.
Vários outros testes foram propostos usando tais
informações.
θH = Σ
i =1
2Si i 2
n(n − 1)
Fay e Wu usam informação de grupo externo para
determinar ancestralidade da mutação, o que não
havia sido considerado nos testes anteriores aqui
descritos.
Variantes com alta freqüência são importantes neste
teste (i2), enquanto haplótipos de freqüência
intermediária são importantes no teste anterior.
Isso porque este teste dá peso extra a alelos novos com
alta freqüência, e não a alelos antigos com alta
freqüência.
Seleção Natural, Deriva e Mutação
Seleção natural altera relação entre mutação e deriva.
A genética molecular é bastante informativa sobre
como seleção interage com mutação e deriva, o que
pode ser evidenciado por vários testes estatísticos.
Tais testes têm permitido identificar várias regiões
sujeitas à seleção e fornecem importante ferramenta
na detecção de regiões funcionalmente importantes.
Análise evolutiva da interação entre seleção, mutação e
deriva fornece ferramenta útil para análises
populacionais.
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