Evolução Evolução Demes

Evolução
• Todos os organismos descenderam com
modificação a partir de ancestrais comuns
• Principal agente desta modificação é a
seleção natural
Evolução
• Ênfase sobre a variação entre os indivíduos
• Natureza da herança não havia sido
compreendida
O que é uma população?
Deme
• Pode ser qualquer agrupamento de indivíduos
–
–
–
–
Todos os indivíduos de uma localidade
Os indivíduos de um estado
Os indivíduos de um ecossistema
Indivíduos de uma espécie
Demes
• Têm em comum o sistema de acasalamento:
• regras que indivíduos usam para o acasalamento
(reprodução sexual)
Um Deme é uma população local de
indivíduos que reproduzem e têm
continuidade física no tempo e no
espaço. Demes são o nível biológico
mais baixo que podem evoluir.
Demes são caracterizados por freqüências
genotípicas. P.ex., considere uma população de
índios Pueblo tipados para o marcador sangüíneo MN
Tipo
Sangüíneo
M
MN
N
MM
MN
NN
N
83
46
11
140
Freq.
Genot.
83/140=
0.59
46/140=
0.33
11/140=
0.08
1
Genótipo
Total
1
Demes são caracterizados por freqüências genotípicas.
P.ex., considere uma população de Aborígenes
australianos tipados para o marcador sangüíneo MN
Tipo
Sangüíneo
M
Genótipo
MM
MN
NN
N
9
113
250
Freq.
Genot.
9/372 =
0.024
MN
Demes com os mesmos alelos podem ter
freq. genotípicas muito diferentes:
Índios Pueblo
N
MM
0.59
Total
MM
0.024
372
113/ 372 250/ 372
= 0.304 = 0.672
MN
0.33
Aborígines Australianos
MN
0.304
1
NN
.08
NN
0.672
Pools gênicos são caracterizados por Freqüências gaméticas (Freq.
alélicas quando considerando apenas 1 locus). P.ex., considere
aqueles índios Pueblo tipados para MN
Pool Gênico
Tipo Sangüíneo
M
MN
N
Genótipo
MM
MN
NN
N
83
46
11
140
(2*11+46)/280
= 0.24
1
Tot
Um Pool Gênico é a população de
cópias gênicas que são
coletivamente mantidas pelos
indivíduos de um deme.
Pools gênicos são caracterizados por Freqüências gaméticas (Freq.
alélicas quando considerando apenas 1 locus). P.ex., considere
aqueles Aborígenes Australianos tipados para MN
Alelo (Tipo
gamético)
M
Freq. Alélica
(2*83+46)/280
= 0.76
N
Pool Gênico
(definição alternativa)
Tipo Sangüíneo
M
MN
N
Genótipo
MM
MN
NN
N
9
113
250
372
(2*250+113)/744
= 0.824
1
Tot
Alelo (Tipo
gamético)
M
Freq. Alélica
(2*9+113)/744
= 0.176
Pool Gênico é a população de gametas
potenciais que podem ser produzidos
pelos indivíduos de um deme.
N
2
Pool gênico como uma população de
gametas potenciais
Pool gênico como uma população de
gametas potenciais
• Gametas são a ponte de uma geração a
próxima
• Tal definição enfatiza a continuidade
genética de um deme no tempo
• Tal definição é mais útil à teoria evolutiva
Deme
Pool gênico
Demes e Pools gênicos:
Demes e Pools gênicos:
MM
0.024
Deme de índios Pueblo
MM
0.59
diplóide
Meiose
Probabilidades
Mendelianas
na meiose
MN
0.33
1
1/
2
NN
.08
1
1/
2
M
haplóide
1(0.59) +
1/ (0.33)
2
N
= 0.76
1(.08) + 1/2(.33) = .24
Pool gênico de índios Pueblo
MN
0.304
diplóide
Meiose
haplóide
Deme de Aborígenes Australianos
1/
2
1
NN
0.672
Probabilidades
Mendelianas
na meiose
1
1/
2
N
M
1(.024) + 1/2(.304)
= 0.176
1(0.672) +
1/ (0.304)
2
= 0.824
Pool gênico de Aborígenes Australianos
Demes com os mesmos alelos podem ter pools
gênicos com freqüências alélicas diferentes
Demes e Pools gênicos:
Índios Pueblo
• Meiose interconecta o deme ao pool gênico
• Logo, dadas as leis de Mendel e uma meiose
normal, pode-se sempre calcular as freq.
alélicas no pool gênico a partir das freq.
genotípicas do deme
• Pode-se também prever o deme (freq.
genotípicas) a partir do pool gênico ( freq.
alélicas)?
M
0.76
N
0.24
Aborígenes Australianos
M
0.176
N
0.824
3
Demes
AA
1/
2
aa
1/
2
1
Evolução
Aa
1/
2
AA
1/
4
1
1/
2
1
aa
1/
4
1/
2
• É uma propriedade emergente dos organismos que
se reproduzem e não dos indivíduos.
1
• 3 mecanismos principais devem ser investigados
A
1/
2
a
1/
2
A
1/
2
a
1/
2
– como produzir gametas
– como unir gametas
– como criar fenótipos
Pools Gênicos
Arquitetura Genética
•
•
•
•
número de loci e localização genômica
número de alelos por locus
taxa e modo de mutação
regras de herança dos elementos genéticos
Contexto Ambiental
Estrutura Populacional
• Sistema de acasalamento da população
• Tamanho populacional
• Presença, quantidade e padrão de troca genética
com outras populações
• Estrutura etárea de indivíduos na população.
1908: Punnett x Yule
• fenótipos são interações entre genes e ambientes
• Desenvolvimento fenotípico - os mecanismos que
descrevem como zigotos adquirem fenótipos
naquele contexto ambiental
Punnett disse que braquidactilia era uma doença autossômica
dominante com alta penetrância. Yule disse que o Mendelismo
estava errado, pois não existe uma razão de 1:1 entre
braquidáctilos e pessoas não afetadas.
4
G. H. Hardy
I am reluctant to
intrude…
Hardy (e Weinberg) resolveram o
problema de Punnett
Ao Editor de Science: Eu estou relutante em me
intrometer em uma discussão concernente a assuntos
sobre os quais eu não tenho nenhum conhecimento
específico, e eu esperaria que o ponto muito simples
que gostaria de colocar já seja familiar aos biólogos.
Entretanto, alguns comentários do Sr. Udny Yule, aos
quais o Sr. R. C. Punnett me chamou a atenção,
sugerem que talvez valha a pena fazer...
FERTILIZAÇÃO
De Hardy, G. H. Mendelian Proportions in a Mixed Population
Para ir do Pool gênico (Gametas) ao Deme (Zigotos inicialmente),
precisa-se explicitar as regras pelas quais os gametas se unem
Science 28:49-50. 1908.
Sistemas de Acasalamento
Pressupostos de Hardy Weinberg
1 locus autossômico
2 alelos
sem mutação
1ª Lei de Mendel
• União de alelos:
–
–
–
–
Sistema de acasalamento
Tamanho populacional
Troca genética
Estrutura etária
• Criação de fenótipos:
aleatório
infinito
Ausente
Nenhuma (gerações discretas)
Sistemas de Acasalamento são as regras em nível
de deme que regulam como gametas se unem na
fertilização, portanto, definindo a transição de
haploidia a diploidia.
Genótipos têm fenótipos
idênticos (sem Seleção Natural)
Acasalamento ao acaso
Acasalamento ao acaso ocorre quando ambos
os gametas unidos em um gameta são retirados
ao acaso, e independentemente do pool gênico.
Isto significa que a probabilidade do gameta ter
um alelo específico é igual à freq. daquele alelo
no pool gênico, e isto é verdade para todos os
gametas envolvidos na fertilização.
Acasalamento ao acaso
a
q = 1-p
A
p
Pool Gênico
Gameta Materno
Gameta Paterno
• Produção de alelos:
A
p
a
q
A
p
AA
p×p=p2
Aa
pq
a
q
aA
qp
aa
q×q=q2
5
O ciclo de vida de uma população
Deme de indivíduos
diplóides
Meiose
1/
2
Tipo Sangüíneo
M
MN
N
Genótipo
MM
MN
NN
N
1
a
q=Paa+ 1/2PAa
0.58(140)
= 81.2
N Esp.
p
p
q
q
Aa
2pq
AA
p2
Soma
83
46
11
140
(0.76)2 = 2(0.76)(0.24) (0.24)2 = 1
0.58
0.06
= 0.36
Freq. H.-W.
A
p=PAA+ 1/2PAa
Acasalamento
ao acaso p
Deme de indivíduos
diplóides
aa
Paa
1/
2
1
Probabilidades
Mendelianas
Pool gênico de
gametas Haplóides
Fertilização
Aa
PAa
AA
PAA
Teste de Hardy-Weinberg das freq genotípicas. P.ex., a população
de índios Pueblo tipados para MN
q
0.36(140)
= 50.4
0.06(140) 140
= 8.4
aa
q2
Acasalamento ao acaso
Hardy-Weinberg implica que NÃO se espera
que caracteres Mendelianos apresentem
razões Mendelianas nos demes
• Hardy assumiu que indivíduos são monoécios
• Weinberg assumiu que freqüências são iguais em
ambos os sexos
Aa
2pq
AA
p2
aa
q2
Fenótipo
Recessive
Fenótipo Dominante
Razão Dominante:Recessivo é p2+2pq : q2
Freqüências de Hardy-Weinberg
representam um equilíbrio
Nenhum pressuposto é
AA
feito acerca destas
P
AA
freqüências genotípicas;
Elas podem ou não estar Probabilidades 1
Mendelianas
em equil. H-W.
Acasalamento
ao acaso
Uma geração de acasalamento
ao acaso garante que as freq.
fenotípicas fiquem em equil.
de H-W
Aa
PAa
aa
Paa
1/
2
1/
2
Freqüências de Hardy-Weinberg representam um equilíbrio
a
p=PAA+ 1/2PAa
q=Paa+ 1/2PAa
p
AA
p2
p
q
Aa
2pq
Acasalamento
ao acaso
1
A
p
A freqüência do alelo
A no Pool gênico da
próxima geração será:
q
q
aa
q2
p’= p2 + 1/22pq
= p2 + pq
= p(p + q)
=p
A
a
p=PAA+ 1/2PAa
q=Paa+ 1/2PAa
p
p
p
Portanto, o pool
gênico não se alterará
q
Aa
2pq
AA
p2
Probabilidades
Mendelianas
q
1/
2
1
q
aa
q2
1/
2
1
A
a
p’=p2+ 1/22pq
=p(p+q) = p
q’=q2+ 1/22pq
=q(q+p)=q
6
Hardy-Weinberg explica porque doenças genéticas
autossômicas recessivas letais não podem ser
eficientemente eliminadas por seleção natural
Hardy-Weinberg explica porque doenças genéticas
autossômicas recessivas letais não podem ser
eficientemente eliminadas por seleção natural
AA
p2
Razão de
fenótipos
dominantes a
recessivos
Aa
2pq
Fenótipo viável
Razão 3:1
Fenótipo
Letal
Taxa de eliminação de alelo letal a = q2
Taxa de criação de alelo letal a = pμ ≈ μ
No equilíbrio, q2 = μ, logo qeq = √μ
p = Freq do alelo dominante
Incidência de doenças letais recessivas
autossômicas em humanos
• Taxas de Mutação para tais doenças: ~10-5
• Sob acasalamento ao acaso, a freq. de equilíbrio
de tais alelos é de ~ 0.003
• Cerca de 1.000 Loci em humanos apresentam
alelos letais que matam após o nascimento
• Número de alelos letais apresentados em média
por um indivíduo é (0.003) x 1.000 = 3
• O número de letais “equivalentes” observados por
pessoa é entre 3-7.
Pode também ser usado para caracteres
ligados ao X
Sexo Homogamético
XA XA
p2
XA Xa
2pq
q2
Xa Xa
aa
q2
Acasalamento ao acaso é específico
para cada locus
Embora os índios Pueblo estejam se
acasalando ao acaso para MN, eles
não estão se acasalando ao acaso para
todos os loci, p.ex., loci nos
cromossomos sexuais
Equilíbrio em genes ligados ao sexo.
Sexo Heterogamético
XA Y
p
Xa Y
q
7
Dois Loci
Dois Loci
• Mantém-se mesmos pressupostos de um
locus, porém, permite-se recombinação.
• Pool Gênico pode ser definido pelas
freqüências dos 4 gametas: AB, Ab, aB, ab
• Da mesma forma que p e q, a soma destas
freqüências também é 1
Dois Loci
• Prob de um genótipo particular é também o produto
das freqüências gaméticas
• Duas formas de se obter AaBb.
• Regras iguais ao locus único, mas temos agora 10
combinações genotípicas
• Tudo muda quando vamos de uma geração de
adultos a outra!
Dois Loci
A diferença do modelo de locus único cria um
fato importante:
As duas definições de pool gênico não são
mais equivalentes!
– Genes comuns aos adultos de uma população
– Gametas potenciais produzidos pelos adultos
Dois Loci
• Duplo homozigoto - apenas um tipo de gameta
• Heterozigoto - 2 tipos de gametas
• Duplo heterozigoto - 4 tipos de gametas!
• Prob definida pela recombinação r (0 ≤ r ≤ 0.5)
• Não significa que não esteja ocorrendo
recombinação em outras combinações
Conseqüências para a evolução
g'AB
= gAB - rD
g'Ab
= gAb + rD
g'aB
= gaB + rD
g'ab
= gab - rD
E está ocorrendo evolução?
Enquanto r >0 e D ≠0 --> g'ab ≠ gab
Se r = 0, funciona como locus único
Se D = 0 populações estão em equilíbrio (o que não quer dizer que não esteja
havendo recombinação!)
8
Conseqüências para a evolução
LD reduz a ritmo que depende de (1-r)
Mesmo loci independentes podem possuir LD> 0 e
equilíbrio não é alcançado imediatamente.
Quando r é grande, queda é
rápida (5 gerações para 3%)
Quando r é pequeno, queda é
lenta (345 gerações para 3%)
Evolução
Conseqüências para a evolução
Corolário
O estado do pool gênico de uma população e sua
evolução atual são influenciados por sua história
passada.
O passado não pode ser ignorado para se entender o
presente e predizer o futuro em sistemas
biológicos.
DNA pode Mutar e Recombinar
• É o fado de formas alternativas de genes ou
combinações gênicas no espaço e no tempo
em uma população que está se
reproduzindo
• É um processo que se manifesta apenas no
nível de uma população que está se
reproduzindo
• Nunca pode ser entendida apenas em
termos individuais.
• Requer Variação Genética
Mutação
“Aleatoriedade” significa que mutações tem um
amplo espectro de ação em seus carreadores
10
Ocorre em nível molecular antes da
informação contida no DNA seja
expressa; Portanto, mutações são
aleatórias com respeito à necessidade dos
indivíduos em relação ao meio ambiente.
8
Número
de
Linhagens
6
4
2
0
0.6
0.8
1.0
Habilidade competitiva relativa a linhagem original
Efeito de 50 linhagens com mutações expontâneas
derivadas de uma linhagem de levedura crescendo em
laboratório.
9
Mutação cria variação alélica,
recombinação e diploidia a amplificam
Aleatoriedade refere-se às conseqüências
fenotípicas. O ambiente pode e influencia a
taxa e o tipo de mutação no nível molecular.
• P.ex., MHC é um agrupamento autossômico
de 20 Loci com um conjunto total de 698
Alleles (até 1997);
• Recombinação pode produzir 1.21×1021
combinações gaméticas destes 698 Alelos
• Tais gametas podem criar 1042 genótipos
• Existem 6 ×109 humanos na terra
Single Nucleotide Polymorphisms (SNPs)
“Polimorfismos de base única”
Alta variação genética implica que:
• Até Fev de 2001, cerca de 1.420.000 SNPs
bialélicos haviam sido identificados em
humanos
• Tais SNPs definem 21.420.000 = 10427.463 tipos
possíveis de gametas
• Tais SNPs definem 31.420.000 = 10677.512
genótipos potenciais
• Existem 1080 elétrons no universo
• Cada indivíduo é único
• Evolução pode ocorrer
3
In
su
lin
m
io
a
gl
ob
in
a
al
bu
in
m
te
i
ap
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ol
u
ip
op cina
ro
1
te
ín
aA
in
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-1
rfe
ro
n
B1
re
la
xi
na
0
mtDNA Animal
3
Pseudogenes
4
Introns
5
Sítios 4x não-degenerados
2
6
Regiões à jusante
4
7
Regiões à montante
6
8
1.000.000.000 anos
8
Substituições por sítio por
10
hi
sto
na
Substituições por sítio por
1.000.000.000 anos
9
Mutações sinônimas
Mutações não-sinônimas
Sítios não-degenerados
10
12
Sítios 2x não-degenerados
Diferentes tipos de seqüência evoluem
em taxas diferentes
Mutações sinônimas são mais comumente
fixadas na evolução
2
1
0
10
Teoria Neutralista de evolução molecular
Mutações recentes
Taxa de evolução molecular = 1/2N x 2Nμ = μ
Qual a prob de uma mutação que ocorreu pela 1a vez
não passar para a próxima geração?
Explica a existência de um relógio molecular
Modelo aleatório, Distribuição de Poisson!
P(i’=0) = e-22i / i!, logo:
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
11