reconstfilog2003

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1
Reconstruções
Filogenéticas
Taxonomia
ÿEstudo dos relacionamentos entre
grupos de organismos – é um
antigo ramo da biologia clássica.
ÿ Estabelecida por Carolus
Linnaeus (1707-1778).
Taxonomia e Classificação Hierárquica
O sistema taxonômico usado hoje foi desenvolvido
por Linnaeus no século XVIII. Este tinha 2
características principais: o assinalamento de um
nome duplo (binômio) a cada espécie e um
sistema de agrupamento destas espécies.
Um binômio (nome Latino de 2 partes) é designado
unicamente para cada espécie, onde o primeiro é o nome
genérico, e os dois nomes são ditos específicos.
Homo sapiens
Arabdopsis thaliana
Escherichia coli
Chromobacterium violaceum
Canis lupus
O sistema de agrupamento das espécies numa hierarquia
de crescentes categorias formaliza o agrupamento de
organismos.
A nomenclatura Binomial é a primeira etapa no agrupamento:
espécies similares são agrupadas no mesmo gênero.
O sistema então progride para
categorias mais amplas:
• Gêneros similares são agrupados na
mesma família.
• Famílias são agrupadas em Ordens.
• Ordens são agrupadas em Classes.
• Classes são agrupadas em Filos.
• Filos são agrupados em Reinos.
A sistemática conecta a diversidade biológica à filogenia
Filogenia = A história evolutiva de uma espécie ou grupo de
espécies relacionadas.
Filogenia é geralmente representada como árvores
filogenéticas que traçam relacionamentos evolutivos
inferidos.
Sistemática = O estudo da diversidade biológica em um
contexto evolutivo.
Diversidade Biológica reflete episódios passados de
especiação e macroevolução.
Compreende a taxonomia na sua procura por
relacionamentos evolutivos.
Taxonomia = Identificação e classificação de espécies; é um
componente da sistemática.
2
Baseado nas
similaridades e
diferenças, os
principais grupos
de organismos
podem ser
colocados em um
diagrama que
ilustra seus
relacionamentos
evolutivos.
Usando dados
fósseis e
moleculares,
podemos estimar
os pontos de
divergência nas
árvores
filogenéticas.
Que são árvores?
Charles Darwin. Anotações 1836-1844
OTU 1
OTU 2
OTU 3
OTU 4
OTU 5
OTU 6
Árvore Filogenética
15 4 3 2678
No de diferenças
tempo
antiga recente
n1
n2
n3
n4
n5
n
 OTU unidade taxonômica operacional - populações, espécies ou grupos
nó interno - ~ ancestral comum - extinto
raiz
Árvores Equivalentes
Por quê árvores?
Por quê representamos evolução como árvore e
não outro tipo de gráfico?
CA DBA B C D
Ciclo, reticulação
A
BC
D
• Evolução é divergência – espécies se modificam
com o tempo - Transformacionismo
Darwin: “Descendência com modificação”
• Por várias razões, reticulação torna-se difícil com o
tempo – provavelmente no pré-cambriano as
reticulações devido a transferências gênicas
horizontais, fusões de células, etc, eram comuns.
• Reticulações são difíceis de se representar
3
Sang et al., 1997
Árvores reticuladas 
Ex: espécies híbridas
 de Paeonia sp.
japonensis
americana
grus
nigrocollis
monachus
canadensis
bugeranus
virgo
paradisea
leucogeranus
antigone
rubicanda
vipio
Filogenia do grou
japonensis
americana
grus
nigrocollis
monachus
canadensis
bugeranus
virgo
paradisea
leucogeranus
antigone
rubicanda
vipio
Cladograma Árvore UPGMA
Cyt. b (Mooers et al., 1999)
Árvore sem raiz
leucogeranus antigone
rubicanda
vipio
japonensis
americana
grus
nigricollis
monachus
canadensis
Bugeranus
virgo
paradisea
japonensis
americana
grus
nigrocollis
monachus
canadensis
bugeranus
virgo
paradisea
leucogeranus
antigone
rubicanda
vipio
Árvore UPGMA
Árvore
filogenética
para os
tentilhões de
Galápagos.
Estas 13
espécies
habitam as Ilhas
Galápagos. A
árvore é
baseada em
estudos
comparativos de
estruturas do
corpo,
especialmente
forma e tamanho
dos bicos, e nos
estudos de
campo sobre
isolamento
reprodutivo e
comportamento
alimentar.
Conexão entre classificação e filogenia
A natureza da ramificação de uma árvore evolutiva reflete o
arranjo hierárquico de táxons (taxa).
Esta árvore sugere as possíveis afinidades genealógicas dentre
táxons subordinados à ordem Carnivora.
4
Árvores filogenéticas baseadas em sistemática
Dois métodos, comparação de proteínas do sangue e hibridização DNA-DNA,
foram usados para construir esta árvore de espécies de ursos e guaximins. Uma revisão moderna sobre focas,
leões marinhos e morsas
Dados moleculares
recentes indicam que de
fato as famílias dos
Pinípedes (morsas, otárias
e leões marinhos, e focas),
são monofiléticas.
Qual relação entre procariotos e eucariotos?
De onde vêm as mitocôndrias e cloroplastos?
Árvores filogenéticas podem nos
dar informações sobre o
passado remoto
A classificação dos 5 reinos
Atualmente a sistemática filogenética favorece os 3-domínos
5
R
iq
u
ét
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as
M
it
o
cô
n
d
ri
as
outras bactérias
Archaea
Eucariotos
Nature, 1998
Árvores filogenéticas e
epidemiologia
Dentista com HIV
Freeman and Herron, 1998
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 B
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LC
3
5
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 F
-x
p
ac
ie
n
te
 F
-y
H
IV
LI
Biodiversidade e
Conservação
ÿ Filogenética pode ser extremamente útil para
estudos de biodiversidade (inventariamento e
classificação) e estabelecimento de prioridades
conservacionistas.
ÿ Medidas de diversidade utilizando-se de
sequências de DNA estão agora sendo usadas
para implementar planos de conservação de
recursos genéticos.
ÿ Aplicações: determinar ESUs (unidades
evolutivamente significantes), agrupamentos de
espécies, espécies, subesp., populações isoladas e
diferenciadas, etc...
Termos filogenéticos
• Homologia
• Analogia
• Convergência, Reversão
• Plesiomorfia – estado ancestral – “0”
(Simplesiomorfia)
• Apomorfia – estado derivado – “1”
(Sinapomorfia - Autapomorfia)
Homologia:
um caráter compartilhado entre
duas ou mais espécies que estava
presente em seu ancestral comum.
Analogia:
caráter “compartilhado” , não
presente no ancestral comum (i.e.,
o caráter evolui duas vezes,
independentemente): evolução
convergente, reversão.
Analogia
1 32 4Espécies:
Estado do caráter:
estado ancestral
Na Sp. 1 e 3 há uma analogia (caráter análogo);
Origem independente – evolução paralela ou convergente
6
Homologia Ancestral (0)
1 32 4Espécies:
Estado do caráter:
estado ancestral
em Sp. 1, 3 e 4 há uma homologia ancestral
(simplesiomorfia); é ancestral porque está presente na
base da árvore
Homologia Derivada (1)
1 32 4Espécies:
Estado do caráter:
estado ancestral
nas Sp. 1 e 2 é homólogo derivado – sinapomorfia (i.e.,
aconteceu uma transição do estado “basal” ou primitivo
no ancestral destas duas OTUs).
Separando Homologia de Analogia
Sistematas classificavam espécies em táxons
superiores baseados na extensão de similaridade em
morfologia e outras características.
Homologia = Semelhança atribuída à ancestralidade
compartilhada. Os membros anteriores de mamíferos
são homólogos, e compartilham uma similaridade no
suporte esquelético que tem uma base genealógica.
Homologia deve ser distinguida de analogia nas
árvores evolutivas.
Analogia = Similaridades que podem ser devido a
convergência evolutiva (ou reversão):. não é
ancestralidade comum.
Convergência: origem
independente do caráter (i.e., duas
linhagens evoluem paralelamente
em um “fenótipo” similar).
Reversão: origem e subseqüente
perda ou mutação de volta ao
caráter ancestral (i.e., reversão ao
estado ancestral).
Evolução Convergente = Aquisição de
características similares em espécies de diferentes
linhas evolutivas, devido ao compartilhamento de
nichos ecológicos similares, sendo a seleção natural
responsável por moldar adaptações análogas.
Exemplo:
asas de insetos e pássaros
asas de pássaros e morcegos
Evolução convergente também se dá nonível
molecular: sequências de DNA e proteínas
podem ter evoluções paralelas, reversões, etc
Evolução
Convergente
gerou similaridades
entre marsupiais
australianos e
mamíferos
placentários em
outros continentes
7
Um grupo monofilético:
é um grupo de táxons que
inclui um ancestral comum e
todos seus descendentes
Exemplo de grupo
não-monofilético: Répteis
Peixes TartarugasAnfíbios Cobras Crocodilos AvesMamíferos Lagartos
O ancestral comum mais recente
dos répteis também deu origem
aos mamíferos e aves
Classificação da
Biodiversidade
Fenética
(Taxonomia numérica)
Cladística
(Sistemática Filogenética)
Fenética
• Abordagem Clássica (Linnaeus).
• Agrupa espécies baseada na
similaridade fenotípica (ou
genotípica).
• Usa todas características
distinguíveis.
• Ex: métodos baseados em
distâncias (UPGMA)
Análise de vários
caracteres
(fenótipos, sítios
polimórficos, freq.
alélicas, etc.)
Matriz de
dissimilaridade
em base ao número
de diferenças
Construção
de árvore
filogenética
FenogramaA B C
A
B
C
3
7 6
0
0
0
A B CA B
A
B
C
Relações de 
similaridade
MÉTODOS FENÉTICOS Cladística
ÿ Teoria Evolutiva que postula que grupos
de organismos similares descendem de
um ancestral comum.
ÿ Sistemática Filogenética (cladística)
é um método de classificação taxonômica
baseado na história evolutiva.
ÿ Foi desenvolvido por Willi
Hennig, um entomologista
alemão, em 1950.
8
Cladística
• Nova abordagem (Hennig, 1950)
• Baseada nos padrões de ancestralidade
comum das espécies
• Usa apenas caracteres derivados
(apomórficos) compartilhados
(sinapomórficos / homólogos derivados)
• Portanto, objetiva traçar a história
evolutiva real
• Ex: métodos baseados em caracteres
(parcimônia)
Análise de vários
caracteres com
estados ancestrais
(0) e derivados (1)
Construção
de árvore
filogenética
Cladograma
A B C
A
B
C
Relações de 
ancestralidade comum
MÉTODOS CLADÍSTICOS
D E
1
2
3
4
5
6
7
8
E
D
1
2 3
4
5 6
7 8
Caracteres utilizados
SimNãoNãoCladística
SimSimSimFenética
Homologia
Derivada
Homologia
Ancestral
Analogia
LagartoAve Dinossauro
Fenética Cladística
Lagarto AveDinossauro
Análise Filogenética
ÿ Dado um conjunto de dados
(caracteres morfológicos,
alinhamento de múltiplas
sequências de DNA e
proteína, etc), determinar
(ou inferir) o
relacionamento ancestral
dentre as espécies.
Esp.1 Esp.2 Esp.3 Esp.4
Tem
po
Não-resolvida
ou filogenia tipo “estrela” 
Filogenia 
parcialmente resolvida
Completamente resolvida,
filogenia bifurcada
A A A
B
B B
C
C
C
E
E
E
D
D D
Politomia ou multifurcação uma bifurcação
O objetivo da inferência filogenética é resolver a ordem de
ramificação das linhagens nas árvores evolutivas:
9
Há 3 possíveis árvores sem raiz
para 4 táxons (A, B, C, D)
A C
B D
árvore 1
A B
C D
árvore 2
A B
D C
árvore 3
Métodos de construção (ou inferência) de árvores filogenéticas
objetivam descobrir qual das possíveis árvores sem raiz é a
"correta".
Seria desejável que esta fosse a “verdadeira” árvore biológica
— aquela que seguramente represente a história evolutiva dos
táxons analisados – mas esta é normalmente chamada de
árvore inferida a partir dos dados.
O número de árvores sem raiz aumenta
exponencialmente com o número de táxons
# táxons
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
 .
 .
 .
 .
30
# árvores sem raiz
 1
 3
 15
 105
 945
 10,935
 135,135
 2,027,025
 .
 .
 .
 .
 -3.58 x 1036
(2N - 5)!! = # árvores sem raiz para N táxons
CA
B D
A B
C
A D
B E
C
A D
B E
C
F
Inferir relacionamentos evolutivos entre os
táxons requer enraizar a árvore:
Note que nesta árvore
enraizada, o táxon A não
está mais estreitamente
relacionado ao táxon B em
relação a C ou D como
sugerido acima.
A
B
C
Raiz D
A B C D
Raiz
árvore enraizada
árvore sem raiz
O enraizamento em outra posição:
A
B
C
raiz
D
árvore sem raiz
Note que nesta árvore enraizada,
táxon A é mais estreitamente
relacionado ao táxon B, enquanto
o C é mais relacionado ao D.
C D
raiz
árvore enraizada
A
B
Uma árvore sem raiz, de 4-táxons, pode teoricamente ser
enraizada em cinco lugares diferentes para produzir cinco tipos
distintos de árvores enraizadas
árvore sem raiz:
A C
B D
árvore c/raiz 
4 C
D
A
B
4
árvore c/raiz 
3 A
B
C
D
 3
árvore c/raiz 
5 D
C
A
B
5
árvore c/raiz 
2 A
B
C
D
2
árvore c/raiz 
1 B
A
C
D
1
Estas árvores mostram cinco histórias evolutivas diferentes entre os
táxons, dependendo de onde se coloca a raiz !
Todos estes rearranjos mostram o mesmo
relacionamento evolutivo entre táxons
B
A
C
D
A
B
D
C
B
C
A
D
B
D
A
C
B
A
C
D
árvore
enraizada 1 B
A
C
D
A
B
C
D
Todas estas árvores são idênticas
10
Há dois modos principais de enraizar árvores:
Pelo outgroup (grupo externo):
Usa táxons de referência (o “outgroup”)
que sabidamente se situam fora do grupo
de interesse (o “ingroup”). Requer
conhecimento a priori sobre
relacionamentos entre os táxons. O
outgroup pode ser uma espécie (ex: aves
para enraizar uma árvore de mamíferos)
ou cópias de genes duplicados (ex: α-
globina para enraizar β-globinas). outgroup
A
B
C
D
10
2
3
5
2
Pelo ponto-médio ou distância:
enraiza a árvore no ponto médio entre os
dois táxons mais distantes na árvore, tal
como determinado pelo tamanho dos
ramos. Pressupõe que os táxons evoluem
coordenadamente (clock-like). Esta
suposição está embutida em alguns
métodos de construção de árvores tal
como o UPGMA
d (A,D) = 10 + 3 + 5 = 18
Ponto-médio = 18 / 2 = 9
# táxons 
3
4
5
6
7
8
9
.
.
.
.
30
# árvores 
sem raiz 
 1
 3
 15
 105
 945
 10,935
135,135
.
.
.
.
~3.58 x 1036
# raízes 
 3
 5
 7
 9
11
13
15
.
.
.
.
57
# árvores 
com raiz 
 3
 15
 105
 945
 10,395
 135,135
2,027,025
.
.
.
.
~2.04 x 1038
x =
CA
B D
A D
B E
C
A D
B E
C
F
Cada árvore sem raiz pode teoricamente ser enraizada
em qualquer lugar ao longo de qualquer de seus ramos
Reconstruções
filogenéticas com
dados moleculares
Variabilidade genética
Fenotípica
Morfológica
Funcional
Protéica
Genotípica
Macromutações
SNP’s – mutações de ponto
Inserções de retroposons
Microssatélites
POP1
A - 0,4
B - 0,2
C - 0,9
D - 0,1
E - 0,2
POP2
A - 0,6
B - 0,5
C - 0,8
D - 0,3
E - 0,1
POP3
A - 0,3
B - 0,2
C - 0,9
D - 0,2
E - 0,4
Freqüências alélicas
Freqüência de um dos alelos em cinco locos
bialélicos (A-E) em 3 populações (pop1, 2, 3)
Microssatélites
AT
AT
AT
AT
AT
CCG CCG
CCG
CCG
CA CA CA CA
CA CA
CA
CA CA CA CA CA
CA CA CA CA CA CA
CAAlelo 3
Alelo 5
Alelo 7
são multi-alélicos
µ = 10-3 / locus / geração 
11
Inserções de retroposons
Elementos Alu, L1, Retrovírus endógenos
são bialélicos
alelo 0
alelo 1
µ = 10-8 a 10-9 / locus / geração 
SNPs ou mutações de ponto
Single Nucleotide Polymorphisms
são geralmente bialélicos
alelo 0 ...AAGCGTTATAGC...
alelo 1 ...AAGTGTTATAGC...
µ = 10-7 a 10-8 / locus / geração 
 * * * ** * * * * * *
A aat tcg ctt cta gga atc tgc cta atc ctg
B ... ..a ..g ... .a. ... ... t.. ... ..a
C ... ..a ..c ..g ... ..t ... ... ... t.a
D ... ..a ..a ..g ..g ..t ... t.g ..t t..
Cada diferença de nucleotídio é um SNP e
considerado como um caráter na
reconstrução filogenética
* Caracteres variáveis entre estas sequências
Analogia
T A T C
C
1 32 4Espécies:
Estado do caráter:
estado ancestral
T Na Sp. 1 e 3 há uma analogia (caráter análogo);
Origem independente – evolução paralela ou convergente
Homologia Ancestral (0)
T C C
C
1 32 4Espécies:
Estado do caráter:
estado ancestral
C em Sp. 1, 3 e 4 há uma homologia ancestral
(simplesiomorfia); é ancestral porque está presente na
base da árvore
C
Homologia Derivada (1)
T T C C
C
1 32 4Espécies:
Estado do caráter:
estado ancestral
T nas Sp. 1 e 2 é homólogo derivado – sinapomorfia (i.e.,
aconteceu uma transição do estado “basal” ou primitivo,
no ancestral destas duas OTUs).
12
Tipos de Métodos
Filogenéticosÿbaseados no caráter
l Parcimônia
l Verossimilhança –ML
ÿbaseados na distância
l Neighbor joining (NJ)
l UPGMA
Envolvem um critério
de otimização baseado
na adequação dos
caracteres na árvore.
Envolvem um critério
de otimização baseado
na adequação da
matriz de distâncias
pareadas à árvore
Seleciona a árvore que melhor
representa as distâncias
observadas entre os pares.
Seleciona a árvore que tem a
maior probabilidade de
reproduzir os dados observados.
Seleciona a árvore que explica
os dados com o menor número
de substituições (eventos mutacionais).
Distância
Verossimilhança
Parcimônia
Estima-se primeiro qual árvore
sem raiz seria a mais “correta”
A
B
C
D
Alguns métodos produzem a árvore já com a raiz
(UPGMA), outros podem fornecer árvores com
raiz se os dados possuem informação suficiente
(parcimônia, verossimilhança) e outros
necessitam obrigatoriamente de um grupo
externo para produzir uma árvore com raiz (NJ)
Tipos de dados usados em inferência filogenética
Métodos baseados em caracteres : Usam diretamente os caracteres
alinhados, tais como sequências de DNA ou proteína
 táxons caracteres
espécie A ATGGCTATTCTTATAGTACG
espécie B ATCGCTAGTCTTATATTACA
espécie C TTCACTAGACCTGTGGTCCA
espécie D TTGACCAGACCTGTGGTCCG
espécie E TTGACCAGTTCTCTAGTTCG
Métodos baseados em distâncias: Transformam os dados em distâncias
(dissimilaridades) par-a-par, e usam a matriz durante inferência da árvore.
 A B C D E
 espécie A ---- 0.20 0.50 0.45 0.40
 espécie B 0.23 ---- 0.40 0.55 0.50
 espécie C 0.87 0.59 ---- 0.15 0.40
 espécie D 0.73 1.12 0.17 ---- 0.25
 espécie E 0.59 0.89 0.61 0.31 ----
Exemplo 1:
Distância “p”
(= percentagem
observada de
sequências
diferentes)
Exemplo 2: distância Kimura 2-parâmetros
(estimativa do número real de substituições entre táxons)
M
A
T
R
I
Z
Similaridade vs. relacionamento evolutivo
Similaridade e relacionamento evolutivo não são a mesma coisa,
mesmo que relacionamento evolutivo seja inferido de certos tipos
de similaridade.
Similar: ser semelhante (uma observação)
Relacionado: geneticamente conectado (um fato histórico)
Dois táxons podem ser mais similares sem ser mais relacionados:
Táxon A
Táxon B
Táxon C
Táxon D
1
1
1
6
3
5
C é mais similar ao A (d = 3) do
que ao B (d = 7), mas C e B são
mais estreitamente relacionados:
C e B compartilham um ancestral
comum mais recente do que os
dois com A.
métodos baseados em caracteres podem discriminar os tipos de
similaridade e teoricamente encontrar a verdadeira árvore evolutiva
Tipos de Similaridade
Similaridade observada entre duas OTUs pode ser por:
relacionamento evolutivo :
caracteres ancestrais compartilhados (‘simplesiomorfias’)
caracteres derivados compartilhados (‘’sinapomorfias’)
Homoplasia (evolução independente do mesmo caráter):
Eventos Convergentes (em OTUs relacionadas ou não), Eventos Paralelos
(em OTUs relacionadas), Reversões (em OTUs relacionadas ou não)
C
C
G
G
C
C
G
G
C
C
G
G
C
G
G
T
Convergentes Paralelos Reversões
13
Métodos Fenéticos
ÿ Algoritmos de computador baseados nos modelos fenéticos
se valem dos Métodos de Distância para construção de
árvores.
ÿ Métodos Fenéticos geralmente contam cada diferença na
seqüência de bases igualmente.
ÿ Os algoritmos são mais rápidos e produzem propriedades
estatísticas “robustas” com dados moleculares.
ÿ A abordagem fenética é popular com alguns pesquisadores
que “confiam” demasiado nos dados moleculares (tal como
seqüências) e requer relativamente poucos pressupostos.
Fenética molecular
ÿ A sistemática faz o uso freqüente de dados numéricos,
(taxonomia numérica) os quais podem ser valores para
vários dos “estados de caráter” tal como o tamanho ou
forma de uma estrutura visível ou estas podem ser
seqüências de DNA ou proteína.
ÿ Similaridades e diferenças entre organismos podem ser
codificadas como um grupo de caracteres, cada um com
dois ou mais estados alternativos de caráter.
ÿ Os dados obtidos com análise molecular podem ser
freqüências alélicas, perfil ou impressão digital de DNA
(produzidos por enzimas de restrição, RAPD, etc) e
seqüências de DNA ou proteína.
Medidas de Distâncias
ÿ É uma medida da diferença genética entre duas espécies,
populações, ou mesmo entre dois indivíduos.
ÿ O conceito de taxonomia numérica está baseado em
computar filogenias a partir de uma matriz de distâncias.
ÿ No caso de dados de seqüências, distâncias
par-a-par devem ser calculadas entre todas seqüências
que serão usadas para construir a árvore - criando uma
matriz de distâncias.
ÿ Métodos de distâncias geram uma única medida da
quantidade de mudanças evolutivas entre duas seqüências
desde a divergência de um ancestral comum.
Distâncias entre DNA
ÿ distâncias entre pares de seqüências de DNA são
relativamente simples de computar como a soma de
diferenças de bases entre as duas seqüências.
l Este tipo de algoritmo somente funciona para pares de
sequências similares o bastante para serem alinhadas
ÿ Geralmente todas alterações de bases são consideradas iguais
ÿ Inserções/deleções geralmente possuem um peso maior do
que substituições nucleotídicas (gap penalties).
ÿ É também possível corrigir múltiplas substituições em um
único sítio, que é comum em relacionamentos filogenéticos
distantes e para sítios de rápida evolução.
Algoritmos baseados em distâncias
(agrupamento)
Usam distâncias para calcular árvores
filogenéticas. Estas são baseadas somente no
número relativo de similaridades e diferenças
entre um grupo de seqüências.
l Começa com uma matriz de distâncias par-a-
par
l Estes métodos constróem uma árvore ligando
os pares de táxons menos distantes,
sucessivamente ligando táxons mais distantes.
l Ex: UPGMA, Neighbor joining
UPGMA
ÿ O mais simples dos métodos de distância é o UPGMA
(Unweighted Pair Group Method using Arithmetic
averages).
ÿ Assume taxas evolutivas idênticas para todas OTUs.
ÿ Agrupa as distâncias menores e recalcula novas distâncias
através de médias aritméticas para novo agrupamento.
ÿ Os programas do PHYLIP DNADIST and PROTDIST
calculam distâncias genéticas entre grupos de seqüências
criando uma matriz.
ÿ Então o programa NEIGHBOR (que também constrói
árvores NJ) do PHYLIP constrói a árvore UPGMA a
partir da matriz.
ÿ Esta árvore é visualizada em um programa apropriado
(TREEVIEW ou PTP).
14
Neighbor Joining
ÿ O método Neighbor Joining (NJ) é o mais
popular na construção de árvores a partir de
medidas de distâncias genéticas
(Saitou and Nei 1987, Mol. Biol. Evol. 4:406)
l NJ corrige o método UPGMA para seu pressuposto
(freqüentemente inválido) de que uma mesma taxa de
evolução se aplica a todos ramos de uma filogenia.
l A matriz de distância é ajustada para diferenças nas
taxas de evolução de cada táxon (ramo).
l NJ apresentou melhores resultados em simulações e é
computacionalmente o mais eficiente algoritmo de
distâncias (N. Saitou and T. Imanishi, Mol. Biol. Evol. 6:514 (1989)
Métodos de Distância
A ACGA
B ATGC
C GTGC
D GCAA
 A B C D
A 0
B 0,5 0
C 0,75 0,25 0
D 0,5 1,0 0,75 0
dij
A
B
C
D
a
b
c
d
e
e a b
e a e c
e a e d
e b e c
e b e d
e c d
AB
AC
AD
BC
BD
CD
= +
= + +
= + +
= + +
= + +
= +
Muitos métodos
de distâncias (tal
como NJ) buscar
encontrar uma
árvore que
minimize um
valor tal como:
( )d e
e
ij ij
ij
−
i< j
∑
2
Métodos Cladísticos
ÿ São baseados na hipótese de que um grupo de
seqüências evolui de um ancestral comum por um
processo de mutação, deriva e seleção, sem
transferência horizontal de genes (hibridização,
transdução de DNA por vírus, etc).
ÿ Estes métodos funcionam melhor em construções
de árvores, se pelo menos uma seqüência ancestral
já é conhecida, de modo que comparações podem
ser feitas entre um número finito de árvores
alternativas ao invés de se calcular todas possíveis
árvores para um dado grupo de seqüências.
Parcimônia
ÿ Parcimônia é o método mais popular de
reconstruçãode relacionamentos por
ancestralidade comum.
ÿ Parcimônia permite o uso de toda
informação evolutiva conhecida para a
construção da árvore.
l em contraste, métodos de distância resumem
todas diferenças entre pares de seqüências
em um único número, a percentagem de
diferença ou distância genética.
Construindo árvores
com Parcimônia
ÿ Parcimônia envolve a avaliação de todas árvores
possíveis considerando o número de mudanças
evolutivas necessárias par explicar os dados observados.
ÿ A melhor árvore é aquela que requer o menor número
de alterações de bases (ou aminoácidos) para que todas
seqüências derivem de uma ancestral comum.
15
ÿ Considere 4 seqüências a (ACGA), b (ATGC),
c (GTGC), d (GCAA).
ÿ A parcimônia deve decidir qual das 3 possíveis
árvores sem raiz (4 táxons), é a mais “correta”
(parcimoniosa).
ÿ Posteriormente, se houver informações
suficientes, deve-se colocar a raiz.
Exemplo de Parcimônia Exemplo de Parcimônia
a
b
c
d
a
c
b
d
a
d
b
c
a A C G A
b A T G C
c G T G C
d G C A A
árvore 1
árvore 2
árvore 3
 1 2 3 4 Tot
árvore 1 1 2 1 2 6
árvore 2 2 2 1 2 7
árvore 3 2 1 1 1 5
Exemplo de Parcimônia
a
d
b
cárvore 3
Árvore sem raiz 
escolhida pela análise 
de parcimônia
Neste caso temos informações adicionais de
que a sequência d , possui mais estados
alélicos plesiomórficos (ancestrais, ou “0”)
a b cd
Árvore com raiz
escolhida usando
d como outgroup
A análise de parcimônia
pode discriminar alguns
tipos de eventos paralelos.
Na figura ao lado, 4
seqüências alinhadas
homólogas (a) de distintos
organismos foram
utilizadas para construir
uma árvore de parcimônia
(b).
Na árvore estão dispostas
os eventos de mutações
(apomorfias), numerados
de 1 a 8. No evento 2, o
estado alélico derivado
(nucleotídio A)
demonstrou ser um evento
paralelo, aparecendo
independentemente na
seqüência do homem e do
milho