Genética Evolutiva

Prévia do material em texto

GENÉTICA 
EVOLUTIVA
Genética Evolutiva
• Teoria da criação especial ou teoria fixista – espécies
criadas independente e recentemente, e não mudam com o
passar do tempo
• XIX - Teoria de Darwin da evolução por seleção natural,
também conhecida como teoria da descendência com
modificações – as espécies mudaram e continuam mudando
ao longo do tempo, descendência de um ancestral comum
- 1838, viagem de cinco anos navio Beagle: geologia,
zoologia e botânica
- Thomas Robert Malthus – luta pela sobrevivência
- Evolução dos seres vivos (mudança e adaptação) se dá
principalmente pela ação da seleção natural sobre
variantes hereditárias
Genética Evolutiva
• XIX - Teoria de Darwin da evolução por seleção natural,
também conhecida como teoria da descendência com
modificações – as espécies mudaram e continuam mudando
ao longo do tempo, descendência de um ancestral comum
- nas populações, os indivíduos são variáveis (variação genética);
- as variações entre os indivíduos são transmitidas, pelo menos
parcialmente, dos genitores para a prole;
- em cada geração, alguns indivíduos são mais bem-sucedidos do
que outros na sobrevivência e na reprodução;
- a sobrevivência e a reprodução não são aleatórias, estão ligadas
às variações individuais – indivíduos com variações mais
favoráveis em sobrevivência e reprodução são selecionados
naturalmente.
Genética Evolutiva
• Evolução – mudança (as espécies não são fixas; extinção)
• Teoria de Darwin da evolução por seleção natural - falha
importante: não explicou a origem da variação entre os
indivíduos e como as variantes eram herdadas
• 1900 - Redescoberta dos trabalhos de Mendel: as
características são determinadas por genes, que se
segregam em alelos diferentes, e os genes são transmitidos
para a prole em gametas produzidos por seus genitores; e
genética de populações (Wright, Fisher e Haldane)
1930 - Nascimento da Genética Evolutiva, e tornou-se 
a fundação da teoria darwiniana
Neodarwinismo ou teoria sintética da evolução
Genética Evolutiva
Borges-Osório, MR. Genética Humana. 3ª ed. Artmed, 2013
Processo evolutivo – duas etapas:
1. variação genética (mutação);
2. o aumento e a diminuição na frequência de 
variantes genéticas (fatores evolutivos)
Genética Evolutiva
 Variação genética em populações 
naturais (populações polimórficas)
 variação em Fenótipos
populações naturais exibem variação 
morfológica que é devido a diferenças 
genéticas ou polimorfismos genéticos
Genética Evolutiva
 Variação genética em populações 
naturais (populações polimórficas)
 variação em Fenótipos
 Variação na estrutura dos cromossomos
Arranjos diferentes dos padrões de bandamento: inversões
Genética Evolutiva
 Variação genética em populações 
naturais (populações polimórficas)
 variação em Fenótipos
 Variação na estrutura dos cromossomos
 Variação na estrutura de proteínas (grupo sanguíneo 
ABO, Rh, MN; enzimas de metabolização; HLA)
Eletroforese de 
proteínas em gel
homozigotos
heterozigotos
Genética Evolutiva
 Variação genética em populações 
naturais (populações polimórficas)
 variação em Fenótipos
 Variação na estrutura dos cromossomos
 Variação na estrutura de proteínas
 Variação em Sequências de Nucleotídeos (molecular)
- RFLPs
- VNTRs e STRs (indels)
- SNPs
PCR; enzimas de restrição, eletroforese em gel; Southern
Genética Evolutiva
Análise de gêmeos por meio de sondas 
para VNTR em vários loci (fingerprinting)
Herança co-dominante de um polimorfismo 
de DNA autossômico causado por um 
número variável de repetições em tandem
Genética Evolutiva
Polimorfismo:
• A ocorrência conjunta em uma população de dois ou mais genótipos
alternativos, cada um em uma frequência maior do que aquela que
poderia ser mantida somente por mutação recorrente (frequência
mínima de 1% da população para o alelo polimórfico, 0,01, e o
heterozigoto pelo menos 0,02)
Marcadores genéticos:
• São características genéticas que, pelo seu padrão simples de herança,
fenótipos facilmente identificáveis, frequências relativamente altas de
seus alelos em diferentes populações e por não sofrerem influencias
ambientais, são úteis em estudos familiares, populacionais e de ligação
Genética Evolutiva
Evolução Molecular
• Fósseis → quadro incompleto do passado
•Informação adicional: moléculas informacionais
mudam com o tempo
Evolução molecular:
-Determinação e comparação dos genomas
- padrão de bandamento cromossômico
- seqüências estruturais do DNA e proteínas
evoluem
informações sobre correlações filogenéticas entre 
organismos diferentes e sobre a história evolutiva
Evolução Molecular
ENFOQUE BASEADO NO FATO
sequências de DNA em ácidos nucléicos e aminoácidos nas 
proteínas mudam com o tempo
MUTAÇÕES
Evolução Molecular
MUTAÇÕES
quanto menos diferenças entre uma seqüência de um gene 
ou proteína em duas espécies, o mais proximamente 
relacionadas as duas espécies devem ser
DIVERGIRAM MAIS RECENTEMENTE DE UM ANCESTRAL COMUM
(altamente improvável que duas espécies não relacionadas tenham evoluído 
exatamente a mesma seqüência de DNA ou aminoácidos simplesmente por acaso)
Genética evolutiva
Filogenias Moleculares
- As relações evolutivas entre organismos são resumidas em
diagramas chamados de árvores filogenéticas ou filogenias
- Árvores evolutivas ou cladograma: desvreve o padrão e a
cronologia dos eventos de diversificação, bem como as relações
de proximidade ou distância entre os organismos
- Cada bifurcação em uma árvore representa um ancestral comum
Genética evolutiva
Filogenias Moleculares
Diferenças entre árvores filogenéticas sem raiz (só mostra as relações) e com raiz (mostra sua derivação)
- Cada bifurcação em uma árvore representa um ancestral comum
Genética evolutiva
Filogenias Moleculares
Anagênese – processo de 
transformação de uma espécie em 
outra, devido a mudanças 
constantes nas freq. alélicas; nunca 
há mais de uma espécie presente
Cladogênese – processo onde uma 
espécie se divide, dando origem a 
duas espécies diferentes e 
independentes
Clado – o conjunto de espécies descendentes de um ancestral comum
Borges-Osório, MR. Genética Humana. 3ª ed. Artmed, 2013
Genética evolutiva
Filogenias Moleculares
- Descendentes de uma sequência ancestral de DNA ou proteína são
ditos homólogos, mesmo que tenham divergido significativamente do
ancestral e sejam diferentes (função); desenvolvimento embrionário
semelhante; alelos similares
- Duas sequências que se assemelham muito embora sejam derivadas
de sequências ancestrais totalmente diferentes são ditas análogas;
alelos e desenvolvimento embrionário distintos
- Árvores filogenéticas (cladogramas) – baseadas em homologias
Filogenias
Moleculares
(a) Diferenças entre as sequências de um gene de
quatro populações (1, 2, 3 e 4). (b) árvore filogenética
mostrando as relações evolutivas. (c) As 15 possíveis
árvores mostrando como as 4 seq. estão relacionadas.
Construção de filogenias, 4 características:
1. Alinhamento das sequências para 
comparação entre elas
2. Avaliação da quantidade de semelhança
(ou diferença)
3. Agrupamento das sequências com base 
na similaridade
4. Colocação das sequências nas pontas da 
árvore
Qual das árvores é a melhor?
Filogenias Moleculares
Princípio da parcimônia
Análise de parcimônia – uma árvore de parcimônia apresenta todos os dados com o 
menor número de mutações (mutações são eventos raros) para explicar a evolução 
de todas as sequências de árvores a partir de um ancestral comum.
- uma única inserção de TE
- uma única deleção de par de bases
- e sete substituições independentes de pb
total de nove mutações
Se as seq.1 e 3 forem mudadas de 
posições, necessárias 10 mutações
Filogenias Moleculares
Árvores filogenéticas de hominídeos construídas
pela análise de uma seq. de 896 pb de DNA
mitocondrial (semelhanças e diferenças)
Diferenças encontradas em 283 das 896 posições
Princípio da parcimônia: três árvores filogenéticas
Análise mais sofisticada, técnicas estatísticas, (e
outras sequências de DNA), favorece a árvore B
145 eventos 
mutacionais
147 eventos 
mutacionais
148 eventos 
mutacionais
Genética evolutiva
Relógios Moleculares e Taxas de 
Evolução Molecular
 Um relógio mede a passagem de tempo em um intervalo 
específico e constante de tempo (ponteiros, hora)
 Uma molécula polimérica pode ser usada como um 
RELÓGIO MOLECULAR: se seus blocos estruturais 
forem submetidos a uma taxa conhecida e constante
os relógios moleculares aplicam taxas de mutação a escalas de 
tempo para estimar quando dois indivíduos ou tipos de 
organismos mais recentemente compartilharam ancestrais
Relógios Moleculares e Taxas 
de Evolução Molecular
Filogenia de vertebrados representativos 
construída a partir de registro fóssil.
α-globina: 141 aminoácidos
16/141 = 0,11 68/141 = 0,48
Cálculo da Taxa em que a α-globina evoluiu:
número médio de mudanças por sítio de aa (0,11;
0,12)/tempo evolutivo total (2x80 = 160 milhões de
anos) = 0,74 x 10-9 mudança de aa por sítio/ano
Relógios Moleculares e Taxas 
de Evolução Molecular
Filogenia de vertebrados representativos 
construída a partir de registro fóssil.
α-globina: 141 aminoácidos
16/141 = 0,11 68/141 = 0,48
Correção de Poisson: α-globina evoluiu a uma
taxa constante (igual) em todas as linhagens
evolutivas analisadas, quase uma mudança de
aa por sítio a cada bilhão de anos (0,74 x 10-9)
Tempo em que os 
organismos divergiram 
de um ancestral comum
Taxa de substituições de bases por mutações
Genes nucleares estudados em 
humanos e chimpanzés: diferem em 
5% de suas bases
Taxa de substituições: 
1% por 1 milhão de anos
divergência
5 milhões de anos
Relógios Moleculares e Taxas 
de Evolução Molecular
Variação em Taxas 
Evolutivas
A evolução molecular pode ocorrer, sobre longos 
períodos de tempo, numa taxa aparentemente constante
medidas de distância (genética ou imunológica) irão se 
correlacionar com o tempo desde a divergência apenas se a 
taxa de divergência for aproximadamente constante
As substituições de nucleotídeos 
ocorrem ou não numa taxa constante
QUESTÃO
?????
GENES E PROTEÍNAS DIFERENTES 
EVOLUEM COM TAXAS DIFERENTES
hipótese do relógio molecular: as mudanças nas seqüências 
de genes particulares ocorrem em uma taxa constante
OCORRE MAIS RÁPIDO
seqüências que não sofrem seleção 
purificadora: regiões intergênicas, 
íntrons, pseudogenes
OCORRE MAIS LENTAMENTE
seqüências que sofrem fortes restrições 
funcionais: seqüência de aa das 
proteínas, codificantes e regulatórias, nt 
de 1a e 2a posições de códons
Variação em Taxas 
Evolutivas
Seleção purificadora: elimina indivíduos portadores de mutações que 
interferem com funções genéticas importantes
genes altamente conservadosOCORRE MAIS LENTAMENTE
os únicos que devem ser examinados quando 
deseja-se traçar as relações familiares entre os 
organismos relacionados mais distantemente
•Fibrinopeptídeo (coagulação) – 8 substituições de aa por sítio / bilhão de anos
•Histonas – 0,01 substituição de aa por sítio / bilhão de anos
Variação em Taxas 
Evolutivas
Genética evolutiva
 Variação em Taxas Evolutivas
Variação em taxas evolutivas entre partes diferentes de genes.
• Nucleotídeo: taxa de mutação 10-9/base/ divisão celular
• gene: taxa mutação oscila entre 10-4 a 10-7/locus/divisão celular (tamanho do gene e seq.)
Genética evolutiva
Taxas de mutações:
- Genes grandes, em razão do
seu tamanho, mais propensos
a mutações
- pontos quentes de mutação –
ilhas CpG metiladas (elevadas
taxas de mutação)
- distúrbios de gene único –
aumento grande no risco de
mutação com avanço da idade
paterna
- distúrbios cromossômicos –
risco aumentado de alteração
cromossômica com avanço da
idade materna
 Variação em Taxas Evolutivas
Síndromes
cromossômicas
Distúrbios
monogênicos
Primatas
Ordem de mamíferos que inclui os lêmures, társios, macacos e o homem
Relações filogenéticas
 Registro dos fósseis
atribuição de idades aproximadas a fósseis:
• observando em que camadas de rochas estão situados; 
• proporção de substâncias radioativas
 Evidência molecular
comparações de organização de genomas:
• padrões cromossômicos, seqüências de genomas, genes,
DNA e proteínas
• pode preencher muitas lacunas em nosso conhecimento
do passado
Relações filogenéticas
 Classificação tradicional dos primatas
• homem como único membro vivente da família Hominidae
• grandes macacos africanos (gorilas, chimpanzés e os
chimpanzés pigmeus, os “bonobos”) agrupados com os
grandes macacos asiáticos (orangotangos) na subfamília
Ponginae da família Pongidae
Hominóides: uma linhagem ancestral aos macacos e humanos
Hominídeos: animais ancestrais apenas aos humanos, como os australopitecíneos
Relações filogenéticas
Classificação dos primatas atuais 
Dados moleculares sobre seqüências de nucleotídeos + dados morfológicos
grandes macacos africanos têm um ancestral 
comum com o homem, que é mais recente do 
que seu ancestral comum com os orangotangos
homem e chimpanzé: 5,5 milhões de anos atrás
homem e gorila: 6,7 milhões de anos atrás
homem e orangotango: 8,2 milhões de anos atrás
Divergência de 
linhagens
Classificação dos primatas 
atuais
Borges-Osório, MR. Genética Humana. 3ª ed. Artmed, 2013
Filogenia dos primatas 
atuais
Filogenia dos humanos e dos 
hominoides com base em análises 
moleculares
Borges-Osório, MR. Genética Humana. 3ª ed. Artmed, 2013
Evolução genética em 
primatas
Comparando Genomas
Humanos, chimpanzés e bonobos (chimpanzés pigmeus)
compartilham 99,5%
genes que codificam proteínas
Diferenças entre os humanos e chimpanzés
0,5% ????
Comparando Genomas
Características exclusivamente humanas: fala, raciocínio abstrato, polegares 
opositores, lobos frontais maiores no cérebro, exclusivamente bípedes
Podem refletir as ações de tão poucos genes?
HIRSUTISMO presença de pelos longos, duros e espessos
chimpanzés e gorilas expressam um gene de queratina
humanos
Silenciado na condição de um pseudogene por uma mutação sem sentido
Comparando Genomas
FAMÍLIA GÊNICA DAS HEMOGLOBINAS
Primatas mais primitivos: não têm, ou têm pouca, hemoglobina fetal
(22)
Primatas mais desenvolvidos
presença de hemoglobina fetal aumentou o período fetal, maximizando o 
crescimento cerebral, possibilitando novas capacidades
Genes únicos também podem contribuir com uma infância e adolescência 
mais longas em humanos, em comparação aos chimpanzés
Comparando Genomas
Borges-Osório, MR. Genética Humana. 3ª ed. Artmed, 2013
Comparando Cromossomos
Evolução do cariótipo em primatas
• Cromossomos corados por meio da técnica de banda G na prófase tardia:
possível identificar um cromossomo específico por seu padrão de bandamento
• Técnica de FISH
Chimpanzé: 99%
Gorila: 99%
Orangotango: 99%
Macaco verde da áfrica: 95%
Camundongo: 7%
Porcentagem de bandas 
cromossômicas comuns 
entre humanos e
Comparando Cromossomos
• As principais diferenças entre os cariótipos estavam em locais de heterocromatina
• Alterações mais comuns encontradas: inversões pericêntricas
Homem e chimpanzé: diferem apenas por nove inversões 
pericêntricas envolvendo os cromossomos 4, 5, 9, 12, 15 e 16
Cromossomo 7 do chimpanzé e gorila diferem por uma inversão paracêntricaHomem e gorila: inversões peri e paracêntricas no cromossomo 16 
Homem e orangotango: inversões peri e paracêntricas nos cromossomos 3 e 17
Comparando Cromossomos
Espécies Número de cromossomos 
relativamente idênticos
Homem X Chimpanzé
Homem X Gorila
Homem X Orangotango
(13)
3, 6, 7, 8, 11, 13, 14, 19, 20, 21, 22 e XY
(10)
3, 6, 11, 13, 19, 20, 21, 22 e XY
(8)
5, 6, 12, 13, 14, 19, 21 e 22
Os padrões de bandamento humanos são mais próximos dos 
chimpanzés, depois dos gorilas, e então dos orangotangos
Comparando Cromossomos
Evolução do cromossomo 2 humano
(2n = 46)
Evoluiu por fusão de dois cromossomos de 
primatas (ponto de fusão 2q13)
(2n = 48)
2
Comparando Cromossomos
Cromossomo 1 em humanos, chimpanzés, gorilas 
e orangotangos corresponde ao de dois 
cromossomos pequenos no macaco verde africano
Macaco verde africano é ancestral dos outros primatas
Comparando Cromossomos
5 6
• Semelhança entre o cromossomo 6 
humano e seus ortólogos
• Ortólogos do cromossomo 5 
 diferenças:
-inversão pericêntrica no 
chimpanzé, com pontos de 
quebras correspondentes ao 5p13 
e 5q13 humanos
- ortólogo do gorila, sofreu uma 
translocação recíproca com um 
chr correspondente ao 17 humano
Comparando Cromossomos
FISH feita em cromossomo de 
gibão usando sondas preparadas a 
partir de clones específicos de 
cromossomos humanos 5 (laranja), 
16 (verde), 17 (rosa) e 22 (amarelo)
Setas: cromossomo 8 de gibão, sinal 
das 4 sondas dos 4 chr humanos
Cromossomos coloridos do macaco 
verde africano com sondas 
fluorescentes do cromossomo 4 
humano (laranja) e um clone 
específico 4q1 (verde)
experimentos de Zoo-FISH
Comparando Sequências de 
Proteínas
Todas as espécies usam o mesmo código genético para sintetizar proteínas
Ancestral comum para toda a vida no planeta
Tipos diferentes de organismos usam as mesmas proteínas, apenas 
com pequenas variações na sequência de aminoácidos
Semelhança nas sequências de aminoácidos nas proteínas 
humanas e de chimpanzés 
Semelhante em 99% dos aminoácidos
Várias são idênticas
Comparando Sequências de 
Proteínas
• Duas proteínas altamente conservadas
- Citocromo C
20 dos 104 aa ocupam posições idênticas no citocromo C de todos
os eucariotos
- Proteínas Homeobox
fator de transcrição que controla a ordem na qual o embrião ativa os
genes → partes anatômicas se desenvolvam nos locais apropriados
humanos: 39 genes HOX
Semelhanças de seqüências de aminoácidos de proteínas 
homólogas são uma medida da semelhança evolutiva
Comparando Sequências de 
Proteínas
Semelhanças de sequências de aminoácidos 
para a proteína respiratória citocromo c em 
humanos e outras espécies traçam um paralelo 
do grau de correlação entre elas
A proteína citocromo c humana é 
idêntica à do citocromo c do chimpanzé
Comparando Sequências de 
Proteínas
Comparando Sequências de 
Proteínas
Hemoglobinas 
 Sequências de aminoácidos das cadeias  e 
do homem e chimpanzés são idênticas
 Gorila: difere em apenas um aminoácido em  e 
Comparando Sequências de 
DNA
Avaliar semelhanças nas seqüências de DNA entre duas espécies
um único gene
trecho de DNA
genoma total
Técnica de comparação hibridação de DNA
Comparando Sequências de 
DNA
Pareamento complementar de bases Estabilidade térmica
estimar o quanto são semelhantes os genomas de duas espécies
Desnaturação da dupla hélice de DNA de duas espécies 
e mistura para posterior hibridação heteroduplex
A taxa de formação de heteroduplex é uma medida 
indireta da semelhança em seqüências
Comparando Sequências de 
DNA
Quanto mais rápido ocorrer a 
formação do heteroduplex
Mais compartilham seqüências e 
mais próximas elas são
Heteroduplex de DNA humano e de 
chimpanzé indica que somente 1,1% dos 
pares de bases diferem nos seus genomas
- em 2,3% do DNA de gorila
- em 3,7% do DNA de orangotango