III- pt

III Parte
Microevolução
O estudo de populações da mesma espécie, ou a comparação entre
subespécies, etc., tem importância para o conhecimento sobre o que acontece
no processo de «origem das espécies»
género
espécie
subespécie
último ancestral comum
Já Darwin argumentou que o termo espécie era «aplicável arbitrariamente, e
por mera conveniência, a um grupo de indivíduos que se parecem uns com
os outros; e que não difere essencialmente do termo variedade atribuído a
formas menos distintas e mais flutuantes»
PANMIXIA
ESTRATIFICAÇÃO
Efeito de Wahlund
Consequência da estratificação das populações
P A estratificação expressa-se por uma tendência para os
cruzamentos serem preferenciais, com ou sem seleção
< Pode ser por isolamento geográfico, social, correlação fenotípica, etc..
< Cada estrato pode ser modelado como uma subpopulação panmíctica,
ou por sua vez também ser estratificado
< Cada unidade panmíctica chama-se um deme.
P Cada deme tem um Ne significativamente inferior ao que a
população poderia atingir globalmente, e por isso, em
consequência da deriva genética, as frequências genéticas
tendem a divergir entre os estratos
< A variância das frequências genéticas entre estratos resulta globalmente
numa proporção de heterozigóticos inferior à expetativa do modelo de
Hardy-Weinberg — efeito de Wahlund (1928)
P Essa variância sugere uma via para medir-se a divergência
genética que poderia prosseguir até à especiação — modelo
das ilhas de Wright
Coeficiente de fixação
Uma medida com muitos significados, apenas um deles o
de representar o efeito de Wahlund
O modelo das ilhas (Sewall Wright) define três
níveis numa população estratificada
T – Total da população
S – Nível dos estratos (ou subpopulações)
I – Nível dos indivíduos
A estatística FST (Sewall Wright, 1951) é um coeficiente
de fixação ao nível dos estratos, e historicamente
constituiu a primeira medida genética da divergência
genética num estado incipiente da especiação
Polimorfismogenético
Alelos
A1
A2
...
An
Frequências
x1
x2
...
xn
Genótipos
AiAi
AiAj
i = 1, ..., n
i = 1, .., n – 1; i < j
Diversidade
n
½n(n–1)
Frequências
xi2
2xixj
Coeficientes de fixação, e relação com situações de equilíbrio
f ( A) = x
a designa todososoutrosalelos
f ( Aa ) = 2 x (1 − x )(1 − F )
f ( Aa )
F = 1−
2 x (1 − x )
Y menosheterozigóticosqueateoria
coeficientedefixação
HO
F=
equilíbrio mutação-deriva
HT
No modelo das ilhas de Wright:
HO
HT
H
FIS = 1 − O
HS
FIT = 1 −
FST
1 − FIT = (1 − FIS )(1 − FST )
HS
= 1−
HT
1
FST ≈
1 + 4 Nem
1
1+ 4Neµ
efeitodeWahlund
equilíbrio migração-deriva
(não-divergência!)
s<
1
2Ne
Aperfeiçoamentos e variantes do FST
P Weir & Cockerham (1984) desenharam uma abordagem computacional
afim à análise de variância, que é tida como o tratamento definitivo da FST
(mas que, para ser distinguido deste, recebeu a sigla θ)
P Smouse et al. (1992) generalizaram esta abordagem para dados
moleculares, no que passou a chamar-se Análise de Variância Molecular
(AMOVA). Em 2001, no contexto de populações de árvores florestais,
desenvolveram a estatística ΦST com base na comparação entre os
genótipos de progenitores e suas descendências, onde os estratos são
cada progenitor feminino (produtor de sementes) e a variação dentro de
estratos é representada pelos gâmetas masculinos intervenientes na
fertilização
P Slatkin (1995) deduziu uma formulação análoga para micro-satélites,
assumindo não o modelo de mutação pontual (Infinite Allele Model) mas
sim o de mutação por incrementos (Stepwise Mutation Model), referente ao
número de repetições de sequência existentes em cada alelo (estatística ρ,
ou RST)
< Tanto as estatísticas θ como as estatísticas ρ, que são especialmente populares,
podem ser calculadas com vários softwares, possivelmente o melhor de todos é o
GENEPOP
Outras abordagens inspiradas no FST
GST =
DST
HT
Alternativa que expressa simplesmente a divergência
entre estratos, sem implicar (nem excluir) um modelo
evolutivo como o das ilhas
(Nei, 1973)
N ST =
νb
ν w + νb
(Lynch & Crease 1990) Versão de GST para haplótipos, tendo em conta as
distâncias genéticas entre eles
δ (desenvolvido por Gregorius et al., 1974-1986, 2008): considerando L
estratos, calculam-se L estatísticas de diferenciação, cada uma entre
um estrato e o conjunto dos (L – 1) estratos restantes. A média desses
valores (ponderada pelo tamanho de cada estrato) é δ. Segundo os
autores, é mais sensível que o FST.
Polimorfismosgenéticos
Uma ferramenta e também um motivo de discórdia
Uma perspectiva histórica
A visão neodarwinista do polimorfismo a nível genético
P Os polimorfismos são mantidos nas populações:
< ou por fluxo genético entre populações divergentes,
< ou por seleção equilibrada (vantagem dos heterozigóticos)
P Este “discurso” tinha poucas bases experimentais e
era altamente influenciado por certos estudos com
populações naturais de drosófilas, assim como pelo
preconceito que a deriva genética tem pouca
importância para os processos evolutivos
P Impôs-se como um quase dogma até ao
aparecimento dum corpo experimental sólido a nível
molecular, nos anos 60
< Abafou quase por completo importantes contribuições
alternativas de cientistas como Goldschmidt, Müller, e (em
parte) Wright e Haldane.
A revolução molecular
Origens da Teoria Neutral da Variação Molecular
P Nos anos 60 começaram a acumular-se dois tipos de
dados: sequências de proteínas, e polimorfismos
moleculares (sobretudo isoenzimáticos, demonstrados
por electroforese)
P Kimura postulou uma simples teoria especificando que
por acção da deriva genética qualquer mutação neutral
se podia fixar numa população, contribuindo assim para
a divergência evolutiva
P King & Jukes analisaram sequências de proteínas e
verificaram que a probabilidade de haver substituições
era proporcional à antiguidade do ancestral comum
< De maneira provocatória, intitularam o seu artigo: «NonDarwinian Evolution»
< Deste trabalho nasceu o conceito de «relógio molecular»
O debate seleccionismo-neutralismo
A segunda “Era das Trevas” da Genética no século XX
Disputa estéril (e muitas vezes desonesta) sobre a
predominância da visão panselecionista, adotada (talvez
inadvertidamente) pelo neodarwinismo, face a uma versão
mais flexível radicada na Teoria Neutral. A primeira
argumentava que a seleção atua universalmente, ao nível
dos organismos e não dos genes, a outra assumia que toda
a variação molecular (quase só isoenzimática, à época), até
prova em contrário, é neutral.
Contudo, produziu vários testes estatísticos à neutralidade,
de que emergiu um paradigma da Teoria Neutral como a
hipótese nula da variação molecular, cuja rejeição poderá ser
o ponto de partida para postular forças seletivas a serem
investigadas.
Mutações “nearly neutral”
Espetro de coeficientes de selecção
1
s<
2Ne
O impacto da seleção é menor com um baixo N e
Interpretação dos polimorfismos
Algumas situações a considerar
P Neutrais: fase transitória para a fixação
< Deverão corresponder a partes do genoma
< Resultado varia entre populações (pelo menos se isoladas)
P Mista: a ideia de Sewall Wright sobre a manutenção
dos polimorfismos por fluxo genético entre estratos
< Divergência entre estratos tanto pode ser por seleção como
por deriva, e a migração assegura a persistência de
polimorfismos em praticamente todos
< Valores de FST devem ser consistentes entre loci neutrais
(equilíbrio migração-deriva)
< Alelos “privados” vs. alelos partilhados
P Seleção equilibrada
< Praticamente a única interpretação para polimorfismos préespeciação (embora possa aplicar-se noutras situações)
Marcadoresmoleculares
Estudospopulacionais
A informação que traduzem
P Entende-se “marcador genético” como uma
informação que não é a própria sequência do
DNA mas depende dela e pode ser
relacionada com ela. Exemplos:
< Antigénios: reconhecimento diferencial duma
estrutura molecular por anticorpos traduz uma
diferente codificação (proteínas) ou uma diferente
catálise (produtos de vias metabólicas)
< Isoenzimas: substituição dum aminoácido altera o
ponto isoelétrico da proteína
< RFLPs: hidrólise do DNA por enzimas de
restrição assinala diretamente a presença duma
sequência nucleotídica e permite (na eletroforese)
distingui-la doutras variantes nessa posição
Duas categorias de marcadores
“anónimos”
Uma selecção dos mais utilizados actualmente (baseados
na PCR)
P Loci altamente polimórficos
< Ae = (3xi2)–1 (diversidade alélica)
< Tipificado pelos microsatélites/ simple tandem
repeats (STR)/ simple sequence repeats (SSR)
– Elevadas taxas de mutação, na ordem de 10–3/geração
P Multiplex
< Uma imagem representativa do genoma numa só
reação
< Tipificados pelos AFLPs (amplified fragment
lengthpolymorphisms)
a.k.a. simple tandem repeats (STR) / simple sequence repeats (SSR)
Microsatélites
codominância
genes
gene
electroforese capilar
P Grande utilidade em
< Estudos de paternidade
< Estudos de estratificação
populacional
< Podem ser “transferidos” entre
espécies (especialmente ESTSSRs)
P Inconvenientes
< Trabalhoso definir os loci que
podem ser úteis, ainda mais a
validá-los
< Homoplasia
< Alelos nulos
< Má aplicação
< Neutralidade?
AFLPs
P Grande utilidade em
Exemplo de interpretação
(detalhe): A/B representa
homozigótico A ou B, H
heterozigótico
< Representação potencialmente homogénea do genoma
< Uma só tecnologia praticamente universal
< Relativamente pouco esforço de desenvolvimento e validação para cada novo táxone
< Altamente reprodutíveis (dentro das condições certas)
P Inconvenientes
< Dominância
< Exigentes na qualidade do DNA