Unidades e Alvos da seleção natural A grande maioria de modelos até agora considerou um locus único. A justificativa matemática não implica numa maior realidade biológica. Isso fez Mayr chamar tais modelos de “beanbag genetics”. Mayr criticava tais modelos ao considerar que os indivíduos são o “alvo da seleção” e não os genes. A isso ele chamou da “unidade do genótipo” Unidades e Alvos da seleção natural Isso que temos feito, de certa forma, até o momento ao considerarmos que devemos levar em conta a visão do gameta, ou seja, o que passa pelo gameta à próxima geração. A perspectiva gamética para a resposta da seleção natural é a resposta ao uso de Mayr para a “unidade do genótipo” contra a “beanbag genetics” Da mesma forma que meiose e fertilização quebram e rearranjam o genótipo do indivíduo, também garantem que a unidade significativa para se prever a resposta à seleção seja algo menos do que o genótipo do indivíduo para todos os loci do genoma. A unidade da seleção natural Δp = paA/W Definimos anteriormente a equação acima como sendo a FTNS para locus único. Para definir este valor para 2 loci, chamamos: wim/jn = valor genotípico do fenótipo de indivíduos (o alvo da seleção) que tenham herdado im de um gameta e jn de outro.Logo, ij e mn são os genótipos nos 2 loci. Assumimos também que cis e trans têm o mesmo valor adaptativo. Unidades e Alvos da seleção natural Mas como vimos, indivíduos não tem continuidade histórica, gametas e não genótipos que são passados para a próxima geração. Logo, indivíduo pode ser o alvo da seleção, mas não pode ser a unidade significativa para medir resposta evolutiva. Por isso ele considerava que o valor adaptativo deveria ser usado estatisticamente ao nível do pool gênico de uma população reprodutiva. Unidades e Alvos da seleção natural Esta unidade pode ser o gene, mas pode ser uma interação também. E todas as interações podem estar sendo consideradas pelos excessos médios medidos. Isso reforça dois conceitos que são muito confundidos: A unidade de seleção - o nível de organização que permite a predição da resposta genética à seleção. Precisa ter continuidade genética ao longo das gerações. O alvo da seleção - o nível de organização biológica que apresenta o fenótipo sendo selecionado. Pode ser o indivíduo, mas podem ser outros níveis biológicos. Unidades e Alvos da seleção natural A mudança na freqüência gamética será: w g AB a AB − rD AB / ab w w g Ab wAB / ab a Ab + rD Δg Ab = w w g w Δg aB = aB aaB + rD AB / ab w w g ab wAB / ab Δg ab = aab − rD w w Δg AB = a AB = g AB ( wAB / AB − w) + g Ab ( wAB / Ab − w) + g aB ( wAB / aB − w) + g ab ( wAB / ab − w) 1 Unidades e Alvos da seleção natural Δg AB A 1a parte será como em um locus único, mas tem um segundo termo, que reflete recombinação e LD sendo forças evolutivas. Mas mesmo este termo tem efeito da seleção natural No duplo heterozigoto! Se duplo heterozigoto tiver maior desvio genotípico seleção pode aumentar ou reduzir a importância da recombinação. Unidades e Alvos da seleção natural Δg AB Unidades e Alvos da seleção natural w g = AB a AB − rD AB / ab w w Δg AB = O 2o termo indica que novas características qualitativas influenciam a evolução multiloci. Até mesmo medidas gaméticas e genotípicas do valor adaptativo. O excesso médio não é mais o único árbitro da seleção natural, o que torna o problema da unidade de seleção ainda mais relevante, porque se complexos multiloci são as unidades de seleção verdadeiras, recombinação, LD e os valores adaptativos de genótipos específicos também modulam o impacto da seleção. Unidades e Alvos da seleção natural w g = AB a AB − rD AB / ab w w A questão passa a ser se o curso da resposta à seleção pode ser adequadamente descrita olhando-se para cada locus independentemente. w g AB a AB − rD AB / ab w w Δg AB = w g AB a AB − rD AB / ab w w Qualquer fator que influenciar a freqüência de duplos heterozigotos modulará impacto da recombinação Δp = Δg AB + Δg Ab = = g g AB a AB + Ab a Ab w w ⎞ g p ⎛ g AB ⎜ a AB + Ab a Ab ⎟⎟ p w ⎜⎝ p ⎠ ≈ p aA w P(AB|A) Unidades e Alvos da seleção natural = ⎞ g p ⎛ g AB ⎜ a AB + Ab a Ab ⎟⎟ p w ⎜⎝ p ⎠ ≈ p aA w p sempre pode ser inferido das freqüências gaméticas, mas o oposto não é verdade Informação biológica é perdida, e o quanto isso será importante dependerá do LD Dependendo do efeito, do LD e da quantidade de recombinação, a perda de informação afetará acurácia do modelo de locus único. A meiose destrói a continuidade genética de multi-loci, e portanto, os fatores meióticos que quebram genótipos multi-loci são dos grandes determinantes da unidade de seleção. Unidades e Alvos da seleção natural O valor adaptativo de um locus está relacionado ao valor de dois loci através de uma expectativa condicional. wAA = 2 2 g AB wAB / AB + 2 g AB g Ab wAB / Ab + g Ab wAb / Ab p2 Este valor é uma média ponderada dos valores adaptativos de todos os genótipos de dois-loci que são homozigotos AA. Esta média pode implicar também em perda de informação, ou não. No modelo Fisheriano, não esperamos perda de informação significativa. Epistasia para valor adaptativo é outro fator biológico que influencia a unidade de seleção. 2 Unidades e Alvos da seleção natural Δg AB w g = AB a AB − rD AB / ab w w Unidades e Alvos da seleção natural Se existem efeitos multiplicativos dos valores adaptativos, eles podem ser adequadamente explicados por modelos aditivos como os de Fisher. Esta aproximação se torna menos efetiva quando a intensidade da seleção aumenta. Logo, a intensidade de seleção é outro fator que afeta a unidade de seleção. No geral, epistasia e seleção intensa favorecem a criação de complexos adaptativos multi-loci. Tais complexos são parcialmente quebrados na meiose. A unidade de seleção surge como um balanço entre a seleção natural agindo em sistemas epistáticos para criar complexos multi-loci e meiose e fertilização quebrando estes complexos. Apesar da importância deste conceito, poucos experimentos têm tentado determinar a unidade de seleção. No caso da malária... Unidades e Alvos da seleção natural Unidades e Alvos da seleção natural A unidade de seleção é uma propriedade emergente do balanço entre seleção agindo para criar complexos gênicos coadaptados e recombinação agindo para quebrar tais complexos. Com seleção mais fraca, apenas marcadores próximos seriam unidades de seleção multi-loci. E isso muda para complexos de braços de cromossomos, cromossômicos e multi cromossômicos Ou seja, existe uma correlação entre a intensidade de seleção e o tamanho do complexo gênico. Unidade de seleção depende da recombinação efetiva, logo, é afetada pela estrutura populacional. Endogamia, por exemplo, aumenta o tamanho da unidade de seleção. Alvos da seleção natural Alvos da seleção natural Abaixo do nível do Indivíduo Abaixo do nível do Indivíduo Para se estudar seleção natural, precisamos de um grupo que tenha um estado genético comum. Com isso podemos determinar um valor genotípico para aquele grupo. Não existe nada na teoria de seleção natural que diga que tenhamos que agrupar indivíduos. Conquanto o grupo tenha identidade genética, apresente um fenótipo para valor adaptativo e exista variação na população para estas identidades genéticas, a seleção pode ocorrer. Contudo, a resposta ainda tem que ser modulada pela variação que passa através dos gametas. Deriva Meiótica Seleção entre gametas produzidos por um único indivíduo pode alterar a chance de alelos sendo passados para a próxima geração. Esta deriva meiótica, ou distorção na segregação é dos fenótipos importantes que podem ser expressos nos gametas. Um modelo de um locus, 2 alelos A e a. Suponha que estes influenciam meiose ou a chance de fertilização, de forma que k seja a prob de A e 1 - k a prob de a. 3 Alvos da seleção natural Alvos da seleção natural Abaixo do nível do Indivíduo Abaixo do nível do Indivíduo Quando existe deriva meiótica temos que: A freqüência de A antes da meiose é p=GAA + ½GAa. Com deriva meiótica fica: p’= GAA + kGAa. A freqüência de A antes da meiose é p=GAA + ½GAa. Com deriva meiótica fica: p’= GAA + kGAa p’= GAA + ½GAa - ½GAa + kGAa p’= p + GAa(k - ½) A distorção de segregação será uma força evolutiva: Δp= p’ - p = GAa(k - ½) Quando GAa >0 e k ≠ ½. Indica que deriva meiótica apenas pode ser observada em heterozigoto, e que provoca alteração da nossa expectativa de segregação 50:50. Alvos da seleção natural Alvos da seleção natural Abaixo do nível do Indivíduo Abaixo do nível do Indivíduo A distorção de segregação será uma força evolutiva: Δp= p’ - p = GAa(k - ½) k - ½ é uma medida do desvio no valor adaptativo do alelo. Tem papel equivalente ao excesso médio, mas nesse caso o valor é medido diretamente para o gameta, e não pela média de indivíduos. Mesmo assim, vemos que a resposta induzida por seleção natural é determinada pelo que passa pelos gametas. Δp = GAa(k - ½) Existem vários exemplos de deriva meiótica. P.ex., Doenças genéticas associadas a repetições de trinucleotídeos, em que alelos favorecidos estão associados à doença. Equação acima indica que será sempre positiva quando tiver k > ½, logo alelo será rapidamente fixado na população. Deriva meiótica que vemos mantém-se rara mas polimórfica porque uma única unidade de seleção pode ter mais de um alvo de seleção. Alvos da seleção natural Alvos da seleção natural Abaixo do nível do Indivíduo Abaixo do nível do Indivíduo Δp = GAa(k - ½) A seleção pode operar em alvos diferentes de forma antagonística mantendo polimorfismos na unidade genética de seleção. Isso pode ser visto na estimativa do excesso médio de um gene (como o t) em que wTT = 1, wTt =1-s e wtt = 0 at = q ' (1 − s − w) + p ( − w) em que wbar = q’2 + 2p’q’(1 - s). at = q ' (1 − s − w) + p ( − w) em que wbar = q’2 + 2p’q’(1 - s). A seleção no diplóide irá alterar as freqüências alélicas para p” = p’+ p’at/wbar e a mudança total será: Δp = p” – p = p” - p’+ p’ – p Δp = p ' at + pq (k − ½ ) w 4 Alvos da seleção natural Abaixo do nível do Indivíduo a Δp = p ' t + pq (k − ½ ) w A equação acima claramente reflete o impacto da seleção nos dois níveis de organização biológica de forma que uma unidade de seleção tenha dois alvos de seleção. E mesmo assim, a resposta a seleção natural é determinada pelos efeitos nos valores adaptativos que são transmitidos pelos gametas. Neste caso, o equilíbrio ocorre quando níveis têm mesma magnitude. Se considerarmos apenas um alvo de seleção podemos inferir que processos evolutivos não fazem sentido. Processo similar ocorre na Conversão gênica desigual Alvos da seleção natural Abaixo do nível do Indivíduo Transposons podem fazer várias cópias de si mesmo e dispersar no genoma, aumentando sua chance de ser passado para a próxima geração. Como resultado, genomas de vários organismos estão repletos de vários transposons diferentes, alguns deles com freqüência chegando a casa do milhão. Transposons são unidades de seleção que podem ter vários alvos de seleção. Além da seleção dentro da célula pela capacidade de transposição e replicação, eles podem afetar o valor adaptativos dos indivíduos que os têm. Alvos da seleção natural Alvos da seleção natural Abaixo do nível do Indivíduo Abaixo do nível do Indivíduo Transposons podem ser DNA “egoísta”, mas não apenas isso, pois podem alterar expressão de vários genes importantes. Além disso, transposons têm propriedade não comum a outras unidades de seleção: são capazes de transferência horizontal. Isso torna a resposta seletiva não restrita pela necessidade de passagem da informação através do gameta. Ao escapar das restrições da transmissão gamética, alguns transoposons adquiriram estratégia notável de sucesso evolutivo, mas sua evolução ainda depende da interaçao com alvos de seleção acima e abaixo de indivíduos Troca desigual em famílias multigênicas permite que uma cópia única na família duplique e ocupe mais de uma posição no cromossomo. Genes in tandem estão freqüentemente associados com múltiplos alvos de seleção. Existe variação no número de cópias do gene na família, mas comumente existe seleção entre indivíduos no número de cópias. Troca desigual também interage com outras forças, como a deriva. Alvos da seleção natural Alvos da seleção natural Abaixo do nível do Indivíduo Abaixo do nível do Indivíduo Troca Desigual e Deriva. Taxa de fixação neutral = μ em genes ortólogos. Em família multigênica com n cópias in tandem, temos que: Fixação agora se refere à fixação de cópias parálogas em um indivíduo, ou cromossomo. Fixação em cópias ortólogas de um gene ancestral. Contudo, cópias ortólogas e parálogas também vão à coalescência, ou fixação. Troca Desigual e Deriva. Número de cópias do gene é de 2Nn. Sob neutralidade, qualquer uma destas cópias pode ser a ancestral comum de todas descendentes. Sob neutralidade, P(fixação) = 1/(2Nn). Taxa de input de novas mutações é 2Nnμ, e: Taxa de evolução neutral = 1 × 2 Nnμ = μ 2 Nn 5 Alvos da seleção natural Alvos da seleção natural Abaixo do nível do Indivíduo Abaixo do nível do Indivíduo 1 Taxa de evolução neutra = × 2 Nnμ = μ 2 Nn A dinâmica evolutiva de uma família multigênica sob deriva, mutação e fixação paráloga é a mesma de um locus único em tempo evolutivo longo. Mas isto se refere a longo tempo evolutivo, em escalas de tempo mais curtas, tempo para coalescência pode ser determinado por: Na equação de cima, α não afeta a probabilidade. Note que isso ocorre exatamente quando α é forte em relação à deriva. Fixação ortóloga é passo limitante. Como mutações continuam ocorrendo, rápida fixação de parálogos em relação a ortólogos implica que variação genética existirá mais como diferenças entre cromossomos na população do que entre cópias parálogas em um cromossomo. α é a prob de um gene converter uma cópia paráloga Alvos da seleção natural Alvos da seleção natural Abaixo do nível do Indivíduo Abaixo do nível do Indivíduo Na equação de baixo, α é equivalente ou mais fraca do que a deriva. Fixação ortóloga tenderá a ocorrer em qualquer locus tão ou mais rápido do que fixação paráloga em um cromossomo. Tempo de fixação de todas cópias ortólogas e parálogas é limitado pela taxa de fixação de parálogos. O fenótipo molecular α é importante em determinar a dinâmica evolutiva de fixação apenas quando é fraca em relação à deriva. Isso pode parecer contraintuitivo. Se existe troca desigual em família multigênica, uma mutação pode se espalhar em cópias parálogas – evolução em concerto - cópias têm substituições comuns Alvos da seleção natural Alvos da seleção natural Acima do nível do Indivíduo Acima do nível do Indivíduo Fenótipos que emergem ao nível de interações entre 2 ou mais indivíduos e são recorrentes ao longo das gerações. • Componentes principais do valor adaptativo: – Viabilidade (p.ex., efeito materno) – sucesso reprodutivo – fertilidade/fecundidade • Competição intraspecífica • Seleção de parentesco Seleção sexual - seleção envolvida nos eventos que levam a um acasalamento invariavelmente emergem de interações entre indivíduos: – Seleção intra-sexual - competição entre indivíduos do mesmo sexo – Seleção inter-sexual - interação entre indivíduos de sexo oposto. Caracteres mantidos por seleção sexual são comumente antagonisticamente selecionados por seleção natural. 6 Alvos da seleção natural Alvos da seleção natural Acima do nível do Indivíduo Acima do nível do Indivíduo Não apenas uma única unidade de seleção pode ter vários alvos de seleção, mas um único alvo de seleção pode induzir respostas em várias unidades de seleção. Alvos de seleção sexual são direcionados a múltiplas unidades de seleção porque seleção intra-sexual e inter-sexual são comumente misturados, resultando em conflitos afetando unidades de seleção em ambos os sexos. Seleção advinda de interações entre indivíduos são geralmente dependentes de freqüência quando alvo da seleção é indivíduo. Δp = O mesmo vale para quando o fenótipo do valor adaptativo emerge da interação entre dois ou mais indivíduos: as freqüências dos possíveis “interactors” diretamente influenciam a variação no valor adaptativo. Nestes modelos, podemos ter situações em que wbar da população mantém-se constante, contudo existe seleção que viola preceito do FFTNS. Alvos da seleção natural Alvos da seleção natural Acima do nível do Indivíduo Acima do nível do Indivíduo p wmales ⎡ ⎛ ⎤ y ⎞ x ⎞ ⎛ ⎢ p⎜ 0.6 + p 2 ⎟ + q⎜⎝ 0.6 + 2 pq ⎟⎠ − w males ⎥ ⎠ ⎣ ⎝ ⎦ Esta é a mudança de freqüência alélica em gametas de macho. O termo em colchetes é o excesso médio de um alelo de macho para o fenótipo de sucesso reprodutivo. Em geral, Δp≠0, logo, valores adaptativos associados ao sucesso reprodutivo do macho estarão induzindo evolução por seleção natural, embora não estejam promovendo aumento do Wbar da população. Esta violação do FFTNS é propriedade de sistemas dependentes de freqüência e uma limitação do teorema. Esta violação do FFTNS é propriedade de sistemas dependentes de freqüência e uma limitação do teorema. Mas seleção continua a ser determinada do ponto de vista do gameta, apesar do alvo de seleção estar em nível da interação de indivíduos. Podemos estimar a freqüência no equilíbrio como sendo: peq = x+ y 2 0.6 + x + y + z Alvos da seleção natural Alvos da seleção natural Acima do nível do Indivíduo Acima do nível do Indivíduo x+ y 2 peq = 0.6 + x + y + z Para o exemplo dado pelo Alan no livro, este valor deve ser de 0.71. Este é um equilíbrio estável, balanceado, associado com a seleção. Do ponto de vista do gameta, este é o pico adaptativo. Este pico não é visível quando olhamos apenas para os indivíduos. Na verdade, este equilíbrio seletivo não tem efeito sobre wbar e parece ainda mais estranho quando olhamos para os indivíduos. x+ y 2 0.6 + x + y + z Na verdade, este equilíbrio seletivo não tem efeito sobre wbar e parece ainda mais estranho quando olhamos para os indivíduos. AR/AR 0.997 AR/CH 0.843 CH/CH 1.195 Heterozigoto mais baixo que outros sugere equilíbrio instável, mas não é. O wbar e o w dos indivíduos não são informativos para o sucesso reprodutivo. Alvos de seleção acima do nível do indivíduo levam a vários paradoxos. O alvo de seleção não é o indivíduo, e isso que causa a confusão neste sistema. peq = 7 Alvos da seleção natural Alvos da seleção natural Acima do nível do Indivíduo Acima do nível do Indivíduo Apenas levando em consideração a perspectiva do gameta, medida pelos ae que podemos prever equilíbrios seletivos e estabilidade. Quando o alvo de seleção está abaixo do nível do indivíduo, gametas podem ter fenótipos selecionáveis diretamente ou podem ser os portadores das conseqüências desta seleção. Mesmo quando valor adaptativo emerge das interações entre indivíduos, ae continua a ser importante. Apenas quando o DNA pode ser transmitido às futuras gerações em um veículo diferente de um gameta que a importância do gameta é reduzida. Fertilidade É componente do w que emerge da interação entre dois indivíduos. Não é atributo de um indivíduo, mas do par que está se reproduzindo. A fertilidade do nível do indivíduo é dependente de freqüência, resultante do w constante do alvo de seleção sendo grupos de indivíduos mas mapeado no nível do indivíduo. A freqüência se confunde com a causação do w Alvos da seleção natural Alvos da seleção natural Acima do nível do Indivíduo Acima do nível do Indivíduo Fertilidade Comparando a fertilidade média dos pares que produziram progênie ij com a fertilidade média dos indivíduos com genótipo ij não se obtém o mesmo valor. A fertilidade que damos para genótipos individuais para se predizer resposta à seleção sobre fertilidade não é igual à fertilidade média dos genótipos individuais. Apenas a fertilidade do par que interessa, e isso pode incluir mesmo genótipos que não sejam o grupo focal. Fertilidade Esta discrepância ilustra a dificuldade em se dar medidas de w individuais quando o alvo da seleção está acima do nível do indivíduo. Mais uma vez vemos tema recorrente, que é necessário ter a perspectiva do gameta para se prever a resposta à seleção. A medida mais importante para determinar a resposta à seleção, portanto, continua a ser o excesso médio. Alvos da seleção natural Alvos da seleção natural Acima do nível do Indivíduo Acima do nível do Indivíduo Note como o ponto mais alto de Wbar equivale ao ponto mais baixo do excesso médio. Seleção estará tirando a população do p que maximiza a fertilidade média Esta violação do FFTNS é mais séria do que a anterior. Agora, a seleção natural favorece uma trajetória evolutiva que reduz o valor adaptativo médio da população 8 Alvos da seleção natural Alvos da seleção natural Acima do nível do Indivíduo Acima do nível do Indivíduo Isso acontece porque embora o valor adaptativo médio do indivíduo diminui, o dos pares que estão se acasalando não. Apenas pelo estabelecimento do alvo de seleção correto podemos inferir corretamente a resposta à seleção correta. Processo similar ocorre na competição intraspecífica Seleção de família/parentesco Tanto no modelo da fertilidade quanto no modelo da competição, fenótipos de valor adaptativo surgem das interações de indivíduos que se encontram ao acaso. Muitas vezes este encontro está longe de ser casual, ao menos de uma perspectiva genética. Neste caso existirão 2 alvos de seleção simultâneos, o indivíduo e a família. Se considerarmos w apenas do indivíduo, os w se tornam dependentes de freqüência, refletindo o fato do alvo de seleção incluir nível acima do indivíduo. Alvos da seleção natural Alvos da seleção natural Acima do nível do Indivíduo Acima do nível do Indivíduo Seleção de família/parentesco Propriedades anteriores também se aplicam aqui: • Não maximixa wbar • Evolução não é prevista de projeções de w individuais • Curso da evolução viola FFTNS. Mas também podemos investigar dinâmica seletiva. Alvos da seleção natural Um tema comum emerge dos modelos aqui discutidos, com exceção dos transposons: Todos alvos de seleção têm seu impacto seletivo filtrado pela unidade de seleção que passa pelo gameta à próxima geração. Embora várias das propriedades da seleção natural anteriormente discutidas não se mantenham quando há seleção acima ou abaixo do nível do indivíduo, a importância da perspectiva gamética sobre a seleção natural se mantém. Seleção de família/parentesco Caráter altruísta pode evoluir por seleção natural pela combinação de alvos de seleção sendo indivíduos e seleção entre indivíduos aparentados no contexto familial. Seleção emergindo da interação de parentes biológicos pode explicar uma das maiores dificuldades de Darwin e sua teoria de seleção natural. Tampouco maximiza wbar, nem mesmo localmente. Alvos da seleção natural Seleção natural favorece gametas com excesso médio maiores do que a média, independente deles serem ou não fenótipos diretos, ou ae estatisticamente determinados. A chava para se entender seleção natural é: PENSE COMO UM GAMETA!!! 9