! Uma forma gráfica de retratar os processos históricos que geraram a diversidade

!  Uma forma gráfica de retratar os processos históricos que geraram a diversidade

!  Mostra graficamente as relações evolutivas

•  A diferença entre genealogia e filogenia é tênue.

filogenia

genealogia

genealogia filogenia

Fluxo gênico interrompido

Interrupção+do+ fluxo+gênico+

!  A forma tradicional de representar as relações evolutivas é através de árvores

A" B" C" D" nó+ raiz+ ramo+interno+ ramo+externo+ táxon+terminal+ou+OTU+ grupo"externo"

A" B" C" D" A+ B+ C+ D+ A+ B+ C+ D+

Diferentes árvores com a mesma topologia

!  Descrição das relações entre os táxons terminais

(+(++(++A+++,++++B+++)++,+++C+++)++,+D++)+

2+dimensões+

!  Embora teoricamente simples, não é sempre fácil observar os padrões da diversidade

?"

!  Para quatro organismos, existem 15 filogenias enraizadas possíveis:

1" 2" 3" 4" 1" 4" 3" 2" 1" 4" 2" 3" 1" 3" 4" 2" 4" 1" 2" 3" 1" 3" 2" 4" 2" 1" 4" 3" 2" 3" 4" 1" 2" 4" 3" 1" 2" 4" 1" 3" 3" 4" 1" 2" 3" 1" 2" 4" 3" 2" 1" 4" 3" 4" 2" 1" 1" 4" 2" 3"

2,2+x+1020+ 3 x 1022 Número de estrelas no

Táxons termina is Topologi as sem raiz 2 1 3 1 4 3 . . . . . . . .

?

Qual é a filogenia desses

!  Se a filogenia é uma representação gráfica de processos históricos

!  Mas, se eu não posso observar diretamente

esses processos

!  Eu preciso inferir a minha filogenia a partir

dos padrões que eu posso observar

◦  Caracteres compartilhados entre as linhagens:

!  Morfológicos

Cebus_albifrons ctt ata ctt tta acc cta att acc ttt att acc ctg aac aac ctt ctc gga att aca ccc tac gca

Gorilla_gorilla ctt atg tta ata tga tta att att ttt att gcc aca acc aac ctc ctc gga ctc ttg ccc cac tca

!  Quanto mais próximo evolutivamente, maior é a quantidade de caracteres compartilhados

!  Caráter

•  Se você quer estudar as relações evolutivas, você deverá comparar regiões homólogas

!  Inicialmente, o conceito de homologia foi estabelecido por Richard Owen

!  Duas estruturas são ditas homólogas se elas

são originárias de uma mesma estrutura ancestral

!  Semelhanças estruturais

!  Relações entre as partes

!  Para estudar a evolução dos primatas, a

característica “coluna vertebral” é inútil, pois todos os primatas a possuem. Ela é uma

!  Homologias compartilhadas entre crocodilo e lagarto, estão presentes no ancestral comum entre as três espécies

!  A reconstrução filogenética objetiva recuperar as relações de ancestralidade entre as

linhagens

!  Isso é possível, pois linhagens irmãs

compartilham características, chamadas de

sinapomorfias A" B" C" D" sinapomorfia+de+{A,+B}+ sinapomorfia+de+{A,+B,+C}+ sinapomorfia+de+{A,+B,+C,+D}+

!  Algumas linhagens acumulam mudanças exclusivas, elas são chamadas de

autapomorfias A" B" C" D" autapomorfia+de+{A}+ autapomorfias+de+{B}+ autapomorfia+de+{D}+

!  Às vezes, algumas características aparecem em linhagens independentes como resultado de evolução convergente. Elas são chamadas de homoplasias A" B" C" D" homoplasia+

!  Eventualmente algumas características são perdidas ao longo do processo evolutivo

A" B" C" D"

!  O processo evolutivo gera um mosaico de sinapomorfias, autapomorfias e homplasias.

A"

B"

C"

{A

!  A natureza do processo de geração dos

caracteres torna a diversidade hierárquica

A" _B" C" D" {A,+B,+C,+D}+ {A,+B,+C}+ {A,+B}+

!  A hierarquia que observamos (padrão) nos oferece informação sobre o processo que a gerou {A A" _B" C" D" {A,+B,+C,+D}+ {A,+B,+C}+ {A,+B}+ processo"

{A A" _B" C" D" {A,+B,+C,+D}+ {A,+B,+C}+ {A,+B}+ Processo"(inferido)" Padrão"(observado)"

!  Evolução ocorre por meio do menor número de passos possível

!  Redução do número de conflitos:

◦  Convergências (homoplasias confundidas com

homologias)

◦  Polarização errada dos caracteres (plesiomorfias

confundidas com sinapomorfias)

!  Hipótese aceita é a corroborada pelo maior

Definindo o problema

?

Qual é a filogenia desses organismos?

Cebus_albifrons ctt ata ctt tta acc cta att acc ttt att acc ctg aac aac ctt ctc gga att aca ccc tac gca

Gorilla_gorilla ctt atg tta ata tga tta att att ttt att gcc aca acc aac ctc ctc gga ctc ttg ccc cac tca

!  Proteínas

!  RNA

!  DNA

•  Por exemplo, vamos acompanhar um gene X ao longo do tempo.

mutação

tempo

! 

Mutações pontuais:

◦  Substituições

◦  Inserções/deleções

! 

Para reconstrução

filogenética

homologia deve ser

inferida a cada sítio

!  Mutação ! erros instantâneos cometidos pela enzima

!  Substituição ! erros que passaram pelo crivo

Cebus_albifrons atg aac caa aat cta ttt gcc tct taa aat ata cca ata M N Q N L F A S stop N M P M

Gorilla_gorilla atg aac gaa aat tta ttc gct tca ttc att gcc ccc aca M N E N L F A S F I A P T

não-sinônimas Sinônimas Sem sentido

Cebus_albifrons atg aac aat cta ttt gcc tct ttc cca M N N L F A S F P

Gorilla_gorilla atg aac aat tta ttc gct tca ttc ccc M N N L F A S F P

Cebus_albifrons atg aac caa aat cta ttt gcc tct ttc aat ata cca ata M N Q N L F A S F N M P M

Gorilla_gorilla atg aac gaa aat tta ttc gct tca ttc att gcc ccc aca M N E N L F A S F I A P T

fenótipos diferentes não-sinônimas

?

Qual é a filogenia desses organismos ?

Sequencie um gene homólogo

>bush ATGTTCGCCGACCGTTGACTATTCTCTACAAACCACAAAGACATTGGAACACTATACCTATTATTCGGCG CATGAGCTGGAGTCCTAGGCACAGCTCTAAGCCTCCTTATTCGAGCCGAGCTGGGCCAGCCAGGCAACCT TCTAGGTAACGACCACATCTACAACGTTATCGTCACAGCCCATGCATTTGTAATAATCTTCTTCATAGTA ATACCCATCATAATCGGAGGCTTTGGCAACTGACTAGTTCCCCTAATAATCGGTGCCCCCGATATGGCGT TTCCCCGCATAAACAACATAAGCTTCTGACTCTTACCTCCCTCTCTCCTACTCCTGCTCGCATCTGCTAT AGTGGAGGCCGGAGCAGGAACAGGTTGAACAGTCTACCCTCCCTTAGCAGGGAACTACTCCCACCCTGGA GCCTCCGTAGACCTAACCATCTTCTCCTTACACCTAGCAGGTGTCTCCTCTATCTTAGGGGCCATCAATT TCATCACAACAATTATCAATATAAAACCCCCTGCCATAACCCAATACCAAACGCCCCTCTTCGTCTGATC CGTCCTAATCACAGCAGTCCTACTTCTCCTATCTCTCCCAGTCCTAGCTGCTGGCATCACTATACTACTA ACAGACCGCAACCTCAACACCACCTTCTTCGACCCCGCCGGAGGAGGAGACCCCATTCTATACCAACACC TATTCTGATTTTTCGGTCACCCTGAAGTTTATATTCTTATCCTACCAGGCTTCGGAATAATCTCCCATAT TGTAACTTACTACTCCGGAAAAAAAGAACCATTTGGATACATAGGTATGGTCTGAGCTATGATATCAATT GGCTTCCTAGGGTTTATCGTGTGAGCACACCATATATTTACAGTAGGAATAGACGTAGACACACGAGCAT ATTTCACCTCCGCTACCATAATCATCGCTATCCCCACCGGCGTCAAAGTATTTAGCTGACTCGCCACACT CCACGGAAGCAATATGAAATGATCTGCTGCAGTGCTCTGAGCCCTAGGATTCATCTTTCTTTTCACCGTA GGTGGCCTGACTGGCATTGTATTAGCAAACTCATCACTAGACATCGTACTACACGACACGTACTACGTTG TAGCTCACTTCCACTATGTCCTATCAATAGGAGCTGTATTTGCCATCATAGGAGGCTTCATTCACTGATT TCCCCTATTCTCAGGCTACACCCTAGACCAAACCTACGCCAAAATCCATTTCACTATCATATTCATCGGC GTAAATCTAACTTTCTTCCCACAACACTTTCTCGGCCTATCCGGAATGCCCCGACGTTACTCGGACTACC CCGATGCATACACCACATGAAACATCCTATCATCTGTAGGCTCATTCATTTCTCTAACAGCAGTAATATT AATAATTTTCATGATTTGAGAAGCCTTCGCTTCGAAGCGAAAAGTCCTAATAGTAGAAGAACCCTCCATA AACCTGGAGTGACTATATGGATGCCCCCCACCCTACCACACATTCGAAGAACCCGTATACATAAAATCTA >ferret ATGTTCATTAACCGATGACTGTTCTCCACTAATCACAAGGATATTGGTACTTTATACTTACTATTTGGAG CATGAGCCGGTATAGTAGGCACTGCTTTGAGCCTCCTCATCCGAGCCGAACTAGGTCAGCCCGGTACTTT ACTAGGTGACGATCAAATTTATAATGTCATCGTAACCGCCCATGCTTTCGTAATAATCTTCTTCATAGTC ATGCCCATCATAATTGGGGGCTTTGGAAACTGACTAGTGCCGTTAATAATTGGTGCTCCGGACATGGCAT TCCCCCGAATAAATAACATGAGCTTCTGACTCCTTCCTCCATCCTTTCTTCTACTATTAGCATCTTCTAT GGTAGAAGCAGGTGCAGGAACGGGATGAACCGTATACCCCCCACTGGCTGGCAATCTGGCCCATGCAGGA GCATCCGTTGACCTTACAATTTTCTCCTTACACTTAGCCGGAGTCTCTTCTATTTTAGGGGCAATTAATT TCATCACTACTATTATCAACATAAAACCCCCTGCAATATCCCAGTATCAAACTCCCCTGTTTGTATGATC AGTACTAATTACAGCAGTTCTACTCTTACTATCCCTGCCTGTACTGGCTGCTGGAATTACAATACTTTTA ACAGACCGGAATCTTAATACAACATTTTTTGATCCCGCTGGAGGAGGAGACCCTATCCTATATCAACACC TATTCTGATTCTTCGGACATCCTGAAGTTTACATTCTTATCCTGCCCGGATTCGGAATAATTTCTCACAT TGTCACTTACTACTCAGGGAAAAAAGAGCCTTTCGGTTATATAGGAATAGTATGAGCAATAATATCTATT GGGTTTTTAGGCTTTATCGTATGAGCTCACCATATGTTTACCGTAGGAATAGATGTAGACACACGAGCGT ACTTTACGTCCGCCACTATAATTATCGCTATTCCAACGGGAGTAAAAGTATTTAGTTGACTGGCAACACT TCATGGAGGCAATATTAAATGATCTCCAGCTATGCTATGAGCTTTAGGGTTTATTTTCTTATTTACAGTA GGCGGGTTAACAGGTATTGTCCTAGCTAATTCGTCCTTAGACATCGTTCTTCATGATACATATTATGTTG TGGCTCATTTTCACTATGTGCTTTCAATAGGAGCAGTTTTTGCCATTATGGGAGGATTTGCCCACTGATT CCCTTTATTCTCAGGTTATACTCTTAACGATACTTGAGCAAAGATTCACTTTACAATTATGTTTGTGGGA GTAAATATAACTTTCTTCCCTCAACATTTCCTAGGTTTATCTGGAATACCTCGTCGATACTCTGACTACC CAGATGCATATACTACCTGAAATACCGTCTCCTCTATAGGATCGTTTATCTCGCTTACAGCGGTGATGCT TATAATTTTTATGATCTGGGAAGCCTTTGCATCCAAACGAGAAGTTGCTATAGTAGAACTTACTACAACT AACATTGAGTGACTACATGGATGTCCCCCTCCATACCACACGTTCGAAGAACCTACATATGTGATCCAAA AATAA

COI

Virou isso:

>ferret ATGTTCATTAAC CGA... + >saíra ATGTTCATTAAC CGA... + >protozoa ATGTTCATTAAC CGA... + >peixe ATGTTCATTAAC CGA... + >perereca ATGTTCATTAAC CGA... + >leão ATGTTCATTAAC CGA... + >bush ATGTTCATTAAC CGA... + >molusco ATGTTCATTAAC CGA... + >besouro ATGTTCATTAAC CGA... +

COI

>ferret ATGTTCATTAAC CGA... + >saíra ATGTTCATTAAC CGA... + >protozoa ATGTTCATTAAC CGA... + >peixe ATGTTCATTAAC CGA... + >perereca ATGTTCATTAAC CGA... + >leão ATGTTCATTAAC CGA... + >bush ATGTTCATTAAC CGA... + >molusco ATGTTCATTAAC CGA... + >besouro ATGTTCATTAAC CGA... +

!  Dadas as regiões homólogas do genoma, como construir a árvore filogenética?

Sítios 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 OTU 1 A C G C G G C A A T OTU 2 A C G C G G T A A T OTU 3 A T G C G G A A A T OTU 4 A G T C G G G A A T OTU 5 A G T C G G G A A C

◦  Existem vários algoritmos de reconstrução filogenética:

◦  Métodos de distância

. UPGMA (Unweighted Pair Group Method with Arithmetic Mean)‏ . Neighbor joining

◦  Métodos de parcimônia

!  Para construir árvores filogenéticas por

métodos de distância devemos primeiro obter a matriz de distância das seqüências

OTU 1 OTU 2 OTU 3 OTU 4 OTU 5

OTU 1

OTU 2

OTU 3

OTU 4

OTU 5

d

₁₂

d

₁₃

d

₂₃

d

₁₄

d

₂₄

d

₃₄

d

₁₅

d

₂₅

d

₃₅

d

₄₅

! 

Diversas distâncias

genéticas foram

propostas

◦  Distância p ◦  Jukes-Cantor ◦  Kimura 2 parâmetros ◦  Tajima-Nei ◦  Tamura-Nei Entre outras

Sítios 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 OTU 1 A C G C G G C A A T OTU 2 A C G C G G T A A T OTU 3 A T G C G G A A A T OTU 4 A G T C G G G A A T OTU 5 A G T C G G G A A C d₁₂= 1 10= 0,1 d_p= n N

OTU 1 OTU 2 OTU 3 OTU 4 OTU 5

OTU 1

OTU 2

0,1

OTU 3

0,2

0,2

OTU 4

0,3

0,3

0,3

OTU 5

0,4

0,4

0,4

0,1

!  Intuitivamente, seqüências com menor

distância são geneticamente mais próximas...

OTU 1 OTU 2 OTU 3 OTU 4 OTU 5 OTU 1

OTU 2 0,1

OTU 3 0,2 0,2

OTU 4 0,3 0,3 0,3

!  A idéia do UPGMA é agrupar OTUs

progressivamente de acordo com a distância genética

!  OTUs agrupadas passam a compor um cluster

!  A distância entre uma OTU e o cluster é a

OTU 1 + OTU 2

OTU 3

?

OTU 1 + OTU 2

d

₁₃

OTU 3

d

₂₃

cluster (1,2)

cluster (1,2)

d_(1,2),3

€

d

_(1,2)3

₌

d

13

+ d

23

2

OTU 1 OTU 2 OTU 3 OTU 4 OTU 5 OTU 1 OTU 2 0,1 OTU 3 0,2 0,2 OTU 4 0,3 0,3 0,3 OTU 5 0,4 0,4 0,4 0,1 OTU 3 OTU 3 0,2 0,35 0,35 cluster(1,2) cluster(4,5) cluster(1,2) cluster(4,5) € d_(1,2)3 = d13 + d23 2 € d_(1,2)(4,5) = d14 + d15 + d24 + d25 4 € d_(4,5)3 = d43 + d53 2

OTU 3 OTU 3 0,2 0,35 0,35 cluster(1,2) cluster(4,5) cluster(1,2) cluster(4,5) 0,35 cluster(1,2,3) cluster(4,5) cluster(1,2,3) cluster(4,5) € d_(1,2,3)(4,5) = d14 + d15 + d24 + d25 + d34 + d35 6

!  A ordem de agrupamento foi Passo Grupos 1 (1,2) & (4,5) 2 (1,2,3) & (4,5) 3 (1,2,3,4,5) 1 2 3 4 5

Pontos de quebra

OTU 1 OTU 2 OTU 3 OTU 4 OTU 5 0.00 0.05 0.10 0.15 € d₁₂ 2 € d_(1,2)3 2 € d₄₅ 2 € d_(1,2,3)(4,5) 2

€ d_(1,2) 2 d_(1,2) = 0,1∴ d(1,2) 2 = 0,05 € d_(1,2)3 2 d_(1,2)3 = 0,2∴d(1,2)3 2 = 0,1 € d_(4,5) 2 d_(4,5) = 0,1∴ d(4,5) 2 = 0,05 € d_(1,2,3)(4,5) 2 d_(1,2,3)(4,5) = 0,35∴ d(1,2,3)(4,5) 2 = 0,175 OTU 1 OTU 2 OTU 3 OTU 4 OTU 5 0.00 0.05 0.10 0.15

OTU 1 OTU 2 OTU 3 OTU 4 OTU 5 0.0500 0.0500 0.1000 0.0500 0.0500 0.1250 0.0500 0.0750 0.00 0.05 0.10 0.15

OTU 1 OTU 2 OTU 3 OTU 4 OTU 5 0.0500 0.0500 0.1000 0.0500 0.0500 0.1250 0.0500 0.0750 0.00 0.05 0.10 0.15

?

OTU 1 OTU 2

b

₂

= 0,05

b

₁

= 0,05

ancestral

T

€

µ

⋅ T

€ d₁₂ = 2 ⋅ µ ⋅ T

€

d

₁₂

_{= b}

₁

_{+ b}

₂

!  O método do UPGA assume que a taxa de substituição mi é constante ao longo das linhagens

!  Constância de taxas evolutivas = relógio

molecular

D. affinidisjuncta D. heteroneura D. adiastola D. mimica D. nigra S. albovittata D. crassifemur D. mulleri S. lebanonensis D. melanogaster D. pseudoobscura 0.083 0.070 0.121 0.044 0.054 0.081 0.021 0.017 0.023 0.032 0.043 0.035 0.043 0.070 0.003 0.037 0.042 0.011 0.004 0.015 0.02

OTU 1

OTU 2

b

₁ ancestral

T

b

₂

€

µ

₁

⋅ T

€

µ

₂

⋅ T

€

µ

₁

≠

µ

₂

€

d

₁₂

= b

₁

+ b

₂

!  Quando o relógio molecular não funciona, o UPGMA não recupera a topologia correta

A B C D A B C D

árvore verdadeira árvore recuperada pelo UPGMA

€

!  Em 1987, Saitou e Nei propuseram um algoritmo que não assume o relógio molecular.

!  O algoritmo de NJ tem o objetivo de

encontrar a árvore que minimiza o somatório dos tamanhos de ramo

!  Para fazer isso, ele vai decompondo uma

árvore em estrela formando “clusters” até encontrar o par que minimiza o somatório dos ramos

número de pares possíveis na conformação X-Y árvore estrela € N(N −1) 2

A

B

C D

C

árvore verdadeira árvore recuperada pelo NJ

A

B

!  Não assume a constância de taxas evolutivas

!  A probabilidade de se observar os dados

(seqüências ) dada um filogenia.

!  A filogenia mais provável é aquela com a maior

probabilidade de ter produzidos as seqüências observadas.

!  Vantagens (é o método mais usado atualmente)

◦  Permite variações nas taxas de evolução entre as

linhagens, genes ou através do tempo.