Filogenia Molecular

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Filogenia Molecular
Prof. Dr. Tetsu Sakamoto
Doutor em Bioinformática
Sala A224 - IMD - UFRN
tetsu@imd.ufrn.br
Objetivos da aula
● Discutir sobre evolução;
● O que é filogenia?
● Estrutura de uma árvore filogenética;
● Interpretar uma árvore;
● Como é construído uma árvore filogenética?
● Aula prática.
Discutindo um 
pouco sobre 
evolução
O que é evolução?
“Qualquer mudança das características 
hereditárias de uma população ao longo das 
gerações.”
● Características herdadas dos pais;
○ DNA;
● Características únicas;
○ Recombinação gênica;
○ Mutação;
O que é evolução?
“Qualquer mudança das características 
hereditárias de uma população ao longo das 
gerações.”
● Características herdadas dos pais;
○ DNA;
● Características únicas;
○ Recombinação gênica;
○ Mutação;
● Diversidade
O que é evolução?
“Qualquer mudança das características 
hereditárias de uma população ao longo das 
gerações.”
● Características herdadas dos pais;
○ DNA;
● Características únicas;
○ Recombinação gênica;
○ Mutação;
● Diversidade
● Todos os seres vivos estão relacionados;
● Hierárquica;
Corrigindo conceitos
● Homem é o ser mais 
complexo, mais 
adaptado ou último 
estágio;
● Um peixe um dia se 
tornará um homem;
● Homem veio do 
macaco.
Somos realmente melhores que outros?
Somos realmente melhores que outros?
O que é filogenia?
“Campo da biologia que tenta estabelecer a relação (evolutiva) entre os organismos.”
Por que estudar filogenia?
“Nada na Biologia faz sentido exceto à luz da evolução.”
(Theodosius Dobzhansky)
Qualquer material ou dados biológicos que você esteja trabalhando, passou por um 
processo evolutivo.
● Classificação taxonômica;
● Comportamento do gene ao longo da evolução;
● Anotação de genes;
● Filodinâmica;
● etc.
Estrutura de uma árvore filogenética
1. Nós terminais (OTU)
2. Nós internos (ancestral 
hipotético);
3. Ramos;
4. Raíz;
5. Topologia.
Interpretando uma árvore filogenética
1. Nós terminais (OTU)
2. Nós internos (ancestral 
hipotético);
3. Ramos;
4. Raíz;
5. Topologia.
Topologia de uma árvore filogenética
Estas árvores 
são iguais?
Topologia de uma árvore filogenética
Estas árvores 
são iguais?
Como inferir uma árvore filogenética?
Qual a relação entre eles?
Nem todas as características seguem a história 
evolutiva...
Como obter uma 
árvore filogenética?
anfioxo
antílope
peixe
canário
crocodilo
pe
na
s
pê
los
pu
lm
ão
mo
ela
ma
nd
íbu
la
Como obter uma 
árvore filogenética?
anfioxo
antílope
peixe
canário
crocodilo
Sít
io 
1
Sít
io 
2
Sít
io 
3
Sít
io 
4
Sít
io 
5
A T A G A
A G A A C
A A A C C
A G A T C
A G A T C
Vantagens de se utilizar 
dados de sequência:
● Número de caracteres 
analisáveis (genoma de 
humano: 3 x 109 bases);
● Extensão de organismos que 
podem ser analisados ao 
mesmo tempo;
Etapas para a 
construção de 
uma árvore 
filogenética
Etapas para a construção de uma árvore 
filogenética utilizando dados moleculares
1. Pergunta biológica;
2. Obtenção de um conjunto de sequências homólogas;
3. Escolhendo um outgroup;
4. Alinhamento das sequências homólogas;
5. Remoção de regiões mal alinhadas (opcional);
6. Inferência da árvore filogenética;
7. Visualização da árvore filogenética.
Antes de qualquer coisa, defina os seus 
objetivos.
Análises filogenéticas podem ser laboriosas, 
consomem tempo e dependendo da pergunta, 
uma análise pode ser mais apropriada que 
outra;
● Classificar sequência? 
(taxonomicamente ou funcionalmente)
● Inferir árvore de espécie?
● Verificar comportamento do gene?
● ...
1. Pergunta biológica
2. Obtenção de sequências homólogas
Busca de sequências similares: BLAST
3. Escolhendo um (ou mais) outgroup
● Uma amostra externa ao grupo de 
seu interesse.
● Importante para o enraizamento 
da árvore.
Grupo de interesse
3. Escolhendo um (ou mais) outgroup
3. Alinhamento de sequências
3. Alinhamento de sequências
Programas que realizam alinhamento múltiplo e 
global
4. Remoção de sequências mal alinhadas (opcional)
● trimAl (http://trimal.cgenomics.org/)
5. Inferência da árvore filogenética
● Métodos baseados em distância
○ UPGMA
○ Neighbor-Joining
○ Evolução mínima
● Métodos baseados na Máxima Parcimônia;
● Métodos baseados em modelos probabilísticos
○ Máxima Verossimilhança;
○ Inferência bayesiana;
Métodos baseados em Distância
Construção de uma matriz de distância
Métodos baseados em Distância
Métodos baseados em Distância
Métodos baseados em distância
Método da máxima parcimônia
Procura por uma árvore com 
menor número de mudanças 
evolutivas (árvore mais 
parcimoniosa).
Métodos baseados em modelos probabilísticos
Máxima verossimilhança
● Tenta encontrar a árvore que confere a maior probabilidade 
de gerar os dados observados (alinhamento de sequências);
● P(Dados | Árvore)
Inferência bayesiana
● Tenta encontrar a árvore que confere a maior probabilidade 
de encontrar a árvore dado os dados observados;
● P (Árvore | Dados)
6. Visualização da árvore filogenética
Formato padrão de uma 
árvore: Newick
Programas de visualização 
de árvores:
● FigTree;
● TreeView;
● Dendroscope;
● Mesquite;
● iToL;
Aula prática
Ligue o computador e 
acesse o Ubuntu.
Abra o terminal;
Baixe o repositório:
> git clone 
https://github.com/tetsufmbio/aula_filogenia
Entre na pasta do 
repositório baixado:
> cd aula_filogenia_master
Conteúdo do repositório
Conjunto de dados:
● lep_16SrRNA.fas → sequências do 16S rRNA de espécies de Leptospira 
(formato FASTA);
● lep_ORF22.fas → sequências do gene ORF22 de espécies de Leptospira 
(formato FASTA);
Programas:
● muscle → Alinhador de sequências;
● trimal → Remove regiões mal alinhados;
● FastTree → Realiza inferência de árvore baseado em Máxima Verossimilhança;
● figtree.jar → Programa de visualização de árvores filogenéticas.
Estudo de caso:
● Sintomas no rebanho
○ Abortos e natimortos;
○ Redução da produção de leite;
● Leptospirose
○ Nome do isolado (Norma);
○ Indicar um tratamento;
○ Identificar a espécie;
○ 16S rDNA.
Veja o conteúdo dos 
arquivos FASTAs:
less lep_16SrRNA.fas
(tecle “q” para sair)
Alinhe as sequências:
./muscle -in lep_16SrRNA.fas -out 
lep_16SRNA_aligned.fas
Veja o conteúdo do arquivo 
gerado:
less lep_16SrRNA_aligned.fas
Remova as regiões não 
informativas:
./trimal -in lep_16SrRNA_aligned.fas 
-out lep_16SRNA_trimmed.fas
Veja o conteúdo do arquivo 
gerado:
less lep_16SrRNA_trimmed.fas
Faça a inferência da 
árvore:
./FastTree lep_16SrRNA_trimmed.fas 
> lep_16SrRNA.tree
Veja o conteúdo do arquivo 
gerado:
less lep_16SrRNA.tree
Visualize a árvore:
java -jar figtree.jar &
Abra o arquivo da árvore:
● File → open → lep_16SrRNA.tree