Sistemática Molecular Aula7

Prévia do material em texto

Sistemática Biológica
Prof. Dr. Marcel Gustavo Hermes
Sistemática Molecular
Dados moleculares
Qual a aplicação em sistemática?
Identificação e 
reconhecimento de 
espécies
Filogenias
Estudos 
populacionais: 
filogeografia
Dados moleculares
Comparação com os dados morfológicos:
Muito mais 
abundantes
Independentes da 
interpretação do sistemata
Dados moleculares
Comparação com os dados morfológicos:
Menos estados de 
caracteres (em geral 4)
Não sofrem influência direta 
do ambiente
Dados moleculares
Comparação com os dados morfológicos:
Cada vez mais  
acessíveis (facilidade)
Com todos esses benefícios, vale a pena 
continuar utilizando a morfologia?
Antes de responder esta pergunta, vamos 
entender algumas propriedades da natureza 
das macromoléculas e como as mesmas são 
aplicadas em estudos sistemáticos!
Dados moleculares
DNA e RNA – formados por bases nitrogenadas
Purinas – adenina (A) e guanina (G) 
Pirimidinas – citosina (C), timina (T) e uracila (U)* 
Transições – substituições purina/purina e 
pirimidina/pirimidina
Transverções – substituições/pirimidina
*A uracila substitui a timina no RNA.
Dados moleculares
DNA – ambiguidade em determinadas posições
Dados moleculares
Para estudos sistemáticos, utilizamos os GENES.
• Um segmento de DNA que codifica uma cadeia polipeptídica ou 
especifica uma molécula funcional de RNA.
• Uma sequencia de DNA ou RNA genômico que é essencial para uma 
função específica.
Um gene é...
Dados moleculares
Para estudos sistemáticos, utilizamos os GENES.
• Depende do problema a ser resolvido.
• Podem ser realizados estudos ao nível populacional, ao nível de 
gêneros, ou em níveis hierárquicos maiores.
Quais genes utilizar?
Dados moleculares
Para estudos sistemáticos, utilizamos os GENES.
• Genes nucleares
• Genes de organelas (mitocôndria, cloroplasto)
Tipos de genes
• Genes codificadores de proteínas
Dados moleculares
Para estudos sistemáticos, utilizamos os GENES.
Genes Nucleares – 18S, ITS1, ITS2, 5.8S, 28S
• Em geral, genes mais conservados
• Trabalhos em níveis hierárquicos maiores
Dados moleculares
Para estudos sistemáticos, utilizamos os GENES.
Genes Nucleares – Contudo...
• Podem sofrer DUPLICAÇÃO!
• Cópias Ortólogas vs. Cópias 
Parálogas
Dados moleculares
Para estudos sistemáticos, utilizamos os GENES.
Genes Nucleares – Contudo...
A amplificação de cópias parálogas pode refletir somente a história evolutiva dos genes, e não 
dos organismos em questão.
Filogenia real Filogenia errada em decorrência da 
amplificação de cópias parálogas
Dados moleculares
Para estudos sistemáticos, utilizamos os GENES.
Genes de Organelas (Mitocôndria, Cloroplasto) – 12S rDNA, 
16S rDNA, Citocromo b Oxidase (subunidades 1, 2 e 3)
• 12S e 16S conservados
• CO1 com maior taxa de mutação, utilizado inclusive no Barcoding of
Life (Código de Barras da Vida)
• rbcL – Cloroplasto, conservado
Dados moleculares
Para estudos sistemáticos, utilizamos os GENES.
Genes Codificadores de Proteínas
• Elongation fator (EEF1A1)
• Wingless
• Histone 1 Por serem responsáveis pela síntese de 
proteínas, são genes bem conservados...
Dados moleculares
Para estudos sistemáticos, utilizamos os GENES.
Genes Codificadores de Proteínas
3ª posição dos códons é mais variável...
Grupo externo
Grupo interno
Dados moleculares
Para estudos sistemáticos, utilizamos os GENES.
Genes Codificadores de Proteínas
3ª posição dos códons é mais variável...
Dados moleculares
Para estudos sistemáticos, utilizamos os GENES.
Genes Codificadores de Proteínas
3ª posição dos códons é mais variável... Pode ocorrer saturação (muitas 
mutações), e o sinal filogenético é perdido. A tradução para aminoácidos 
pode ser mais informativa. 
SATURAÇÃO – taxa de substituição muito alta, perda de sinal filogenético. 
Natureza homoplástica de caracteres moleculares.
Dados moleculares
Para estudos sistemáticos, utilizamos os GENES.
Genes Ribossomais
Estrutura Secundária –
Problemas de Alinhamento
Dados moleculares
GENES de “evolução” rápida e lenta.
Dados moleculares
Como discutimos há algumas aulas, é preferível usar espécies como terminais em 
detrimento ao uso de táxons supra‐específicos (tribos, subfamílias, famílias, etc.)
Como contornar o problema da taxa de substituição (evolução) de cada gene, para resolver 
problemas filogenéticos específicos? Por exemplo, tentar elucidar as relações entre 10 
subfamílias de uma família utilizando espécies como exemplares?
Utilizar mais de um gene na análise, preferivelmente mesclando genes conservados com 
genes cuja taxa de substituição é maior. Uma parcela dos dados irá elucidar as relações 
entre níveis hierárquicos maiores, enquanto outra parcela irá elucidar as relações em níveis 
mais inferiores.
Dados moleculares
ALINHAMENTO – Homologia posicional
COI
Caracteres: cada posição da 
sequencia
Estados: bases nitrogenadas (A, 
C, T, G)
ITS´s
Dados moleculares
ALINHAMENTO – Homologia posicional
Espécie A
Espécie B
Inserções e Deleções 
(INDELS) / Substituições
Espécie A
Espécie B
Espécie A
Espécie B
Alinhamento 1 Alinhamento 2
Abertura de “GAPS” (lacunas) e substituições
Dados moleculares
ALINHAMENTO – Homologia posicional: alinhamentos “a olho” são impossíveis com adição 
de grande número de táxons e caracteres. Ainda, como saber onde inserir os GAPS?
Espécie A
Espécie B
Espécie A
Espécie B
Custos são adicionados à abertura de GAPS e às substituições. Nos casos abaixo, ambos recebem 
os mesmos custos
Dados moleculares
ALINHAMENTO – Homologia posicional
Espécie A
Espécie B
Espécie A
Espécie B
Custos iguais para abertura de GAPS e substituições implicam em um custo final idêntico, mesmo 
que os alinhamentos sejam diferentes. Neste caso, toda e qualquer discrepância entre as 
sequencias pode ser explicada por INDELS, e toda informação filogenética é perdida! 
Dados moleculares
ALINHAMENTO – Homologia posicional
Espécie A
Espécie B
Espécie A
Espécie B
Espécie A
Espécie B
Custos maiores aplicados à abertura de GAPS resultam 
em alinhamentos diferentes quando leva‐se em 
consideração o custo final.
Dados moleculares
Métodos de Análise – Critérios de Otimização
Parcimônia
Máxima Verossimilhança (Maximum Likelihood)
Inferência Bayesiana (Bayesian Inference)
Método Cladista
Métodos Probabilísticos 
(Estatísticos)
Dados moleculares
Métodos de Análise – Critérios de Otimização
Parcimônia Método Cladista
Vantagens
premissas muito simples;
tempo computacional reduzido;
trata todos os caracteres (sítios) como tendo a mesma 
probabilidade de apresentar um dos 4 estados (A, C, G, T)
Dados moleculares
Métodos de Análise – Critérios de Otimização
Parcimônia Método Cladista
Desvantagens
pode interpretar de maneira errônea sítios com altas taxas de 
substituição;
atração de ramos longos (long branch attraction);
Dados moleculares
Métodos de Análise – Critérios de Otimização Parcimônia Método Cladista
atração de ramos longos (long branch attraction)
Dados moleculares
Métodos de Análise – Critérios de Otimização
Máxima Verossimilhança (Maximum Likelihood)
Inferência Bayesiana (Bayesian Inference)
Métodos Probabilísticos 
(Estatísticos)
Os métodos probabilísticos utilizam modelos de evolução 
explícitos para cada gene, ou seja, consideram diferentes as 
taxas de substituição de genes e sítios diferentes
Dados moleculares
Modelos de Evolução
Dados moleculares
Modelos de Evolução
Jukes‐Cantor 69
Modelo mais simples
Dadosmoleculares
Modelos de Evolução
Kimura 80 ou
Kimura 2 Parâmetros
Dados moleculares
Modelos de Evolução
GTR
Dados moleculares
Métodos de Análise – Critérios de Otimização
Máxima Verossimilhança (Maximum Likelihood)
“Qual a probabilidade dos dados (sequencias de DNA), dado o 
modelo e a hipótese filogenética?”
“O princípio básico do método de verossimilhança consiste 
em estimar a probabilidade, com base em um determinado 
modelo, de um conjunto de dados estar representando um 
processo que realmente ocorreu.”
Dados moleculares
Métodos de Análise – Critérios de Otimização
Máxima Verossimilhança (Maximum Likelihood)
Considere o seguinte alinhamento:
Dados moleculares
Métodos de Análise – Critérios de Otimização
Máxima Verossimilhança (Maximum Likelihood)
Dados moleculares
Obtenção dos Dados
Extração de DNA
Dados moleculares
Obtenção dos Dados
Amplificação dos Genes de Interesse (PCR)
Primers (Iniciadores)
Dados moleculares
Obtenção dos Dados
Sequenciamento
Dados moleculares
Aplicações em Sistemática
Reconhecimento de Espécies
Dados moleculares
Aplicações em Sistemática
Estudos Populacionais
Dados moleculares
Aplicações em Sistemática
Filogenias
Dados moleculares
Apesar das inúmeras facilidades, os dados moleculares não devem ser vistos como a 
“panaceia” da sistemática, em sim como fonte de dados complementar à morfologia, 
comportamento, entre outros. Quanto maior a quantidade de evidências, mais robusta 
torna‐se a hipótese.