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Transferência Horizontal de Genes: um Survey de Métodos Computacionais
Instituto de ComputaçãoUniversidade Estadual de Campinas
Karina Zupo de Oliveira ([email protected])
Orientador: Prof. Dr. João Meidanis
Proposta para Dissertação de Mestrado
Outubro de 2006
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Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais 2
Agenda Introdução Taxonomia dos Procariontes Transferência Horizontal de Genes (THG) Cenário Atual - Discussões Métodos de Detecção Avaliação de Programas Proposta e Resultados Secundários Cronograma
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Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais 3
Introdução Evolução das espécies
Herança vertical Mutação Seleção natural
Descendente DescendenteMutado
Mutação
Mutação se fixa
Herança Vertical
Indivíduo -Nova Espécie
Indivídio - Espécie
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Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais 4
Introdução Filogenia Parentesco entre organismos Representada em árvores
Fonte: http://www.sanger.ac.uk/PostGenomics/epicomp/
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Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais 5
Introdução Taxonomia dos Seres Vivos Unidades: Domínios, reinos, ... até espécies
Fonte: http://nai.arc.nasa.gov/news_stories/news_detail.cfm?article=old/understanding_life.htm
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Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais 6
Taxonomia dos Procariontes Sistema de classificação baseado em:
Características fenotípicas Hibridização entre DNAs Similaridade por gene 16S rRNA MLST (Multi Locus Sequence Typing)
Debate: o que define uma espécie de procarionte?
Unidades representam uma árvore
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Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais 7
Transferência Horizontal (THG) Troca e fixação de material genético
entre organismos de unidades taxonômicas diferentes
Como THG ocorre? Transformação Conjugação Transdução
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Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais 8
Transferência Horizontal (THG) Transformação
Incorporação de seqüências livres Células mortas ou "cell lysis" liberam DNA no
ambiente Somente ocorre naturalmente em certas células Requer proteínas específicas na membrana celular e
energia
Fonte: http://www.sp.uconn.edu/~terry/229sp03/lectures/genetransfer.html
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Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais 9
Transferência Horizontal (THG) Conjugação
Introdução de plasmídeos devido a contato físico Os plasmídeos são moléculas circulares duplas de
DNA que estão separadas e se reproduzem independentemente do DNA cromossômico
Fonte: http://www.sp.uconn.edu/~terry/229sp03/lectures/genetransfer.html
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Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais 10
Transferência Horizontal (THG) Transdução
Através de bacteriófagos que infectam células Vírus adquire genes da bactéria infectada Vírus ao infectar novas bactérias transmite esses
genes
Fonte: http://www.sp.uconn.edu/~terry/229sp03/lectures/genetransfer.html
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Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais 11
Transferência Horizontal (THG) Antes 1995:
Poucas evidências de THG
Após 1995: Sequenciamento em massa Muitas novas evidências de THG Freqüente em procariontes
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Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais 12
Cenário Atual - Discussões Qual impacto da THG na evolução das
espécies e na taxonomia atual dos procariontes?
Quanto do genoma é atingido por THG?
Quais genes são mais susceptíveis a THG?
Quais transferências fixam-se em descendentes?
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Cenário Atual - Discussões Para Gogarten e colegas - 2002
15% a 25% dos genes de uma espécies podem ter sido adquiridos via THG
Sistema de taxonomia deveria contemplar THG
Para Kurland e colegas - 2003 Impacto é pequeno não afeta o sistema Estudo são pouco cuidadosos
Para Philippe e Douady -2003 Núcleo duro, núcleo macio e casca Sistema tende para formação de redes
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Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais 14
Cenário Atual - Discussões E... Como detectar THG com razoável
grau de sucesso?
Quais algoritmos existem? Quais os problemas e limitações?
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Métodos de Detecção Mirkin e colegas - 2003
Busca padrões de ausência ou presença de espécies em genes ortólogos
Lawence e Ochman - 1997 Baseado em conteúdo de GC Busca os genes com distribuições atípicas
Addario-Berry, Hallett e Lagergren - 2003 Baseado em árvores de espécies e de genes Analisa as incongruências entre árvores
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Métodos de Detecção Bryant e Moulton - 2002
Baseado em redes filogenéticas Implementado no programa SplitsTree
Ragan - 2001 Experimento com 4 métodos Resultados diferem entre si
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Avaliação de Programas SplitsTree 4
Aceita vários tipos de entrada Nexus, ClustalW, Phylip, ...
Permite escolher entre vários modelos para cálculo de distâncias Jukes Cantor, Kimura, ...
Implementa vários métodos para construção de árvores e redes filogenéticas
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Avaliação de Programas
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Proposta Principal Estudar, escrever e classificar métodos
computacionais para detecção de THG Conteúdo de GC Similaridade Árvores Filogenéticas Redes Filogenéticas Estatísticas Outros (Exemplo: Relógio Molecular)
Entender pontos fortes e pontos fracos
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Resultados Secundários Realizar experimento
Passo 1: Avaliação de programas e métodos para uso no experimento
Passo 2: Obter entradas: Através pesquisa de evidências reais de THG Junto com especialistas
Passo 3: Analisar resultados: Comparar resultados entre si Comparar resultados com evidências reais
Reunir conceitos sobre THG Ser referência para futuros estudantes
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Cronograma
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Perguntas
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Conteúdo de GC Distribuição de guanina e citosina no
DNA
Organismos de mesma espécie possuem conteúdo de GC similar
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Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais 24
Similaridade de Seqüências Similaridade: medida de quão similar
duas seqüências são entre si
Distância: mínimo número de operações para transformar uma seqüência em outra
Seqüências precisam ser alinhadas!
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Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais 25
Árvore Filogenéticas
siamango gibão orangutango gorila humano chipanzé
Grafo Acíclico Direcionado
Nós
Arestas
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Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais 26
Árvores Filogenéticas Como construir árvores?
Métodos para construção baseados Características discretas Distâncias entre seqüências
Métodos diferentes podem gerar árvores diferentes
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Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais 27
Redes Filogenéticas Possuem nós com grau de entrada 2
Chamados nós redes
Mas, por que redes? Pois podem representar eventos tais
como transferências horizontais
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Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais 28
Hibridização entre DNAs Baseada na similaridade de
seqüências 70% de similaridade define
organismos dentro do mesmo grupo Processo feito em laboratório Não pode utilizar bases de genomas Caro e demorado
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Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais 29
Similaridade Por Gene 16S rRNA Comparação de seqüências do gene
16S rRNA de organismos Gene 16S rRNA é bem conservado
(i.e., evolui lentamente e sofre poucos eventos evolutivos)
Pode utilizar bases de genomas Seqüências 97% idênticas define
organismos dentro do mesmo grupo
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Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais 30
Espécie Procarionte Certas características fenotípicas 70% de similaridade de sequências
por DDH Gene 16S rRNA é 97% idêntico
E se o organismo não apresentar essas propriedades, como resolver ambigüidades? Use MLST
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Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais 31
MLST(Multi Locus Sequence Typing) Baseia-se na similaridade de um
conjunto de genes bem conservados O mesmo conjunto de genes não
podem ser utilizados por todas as espécies
Sequências desses genes são concatenadas
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Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais 32
Direção THG Difícil identificar, somente hipóteses Por quantidade: ancestral vertical é
aquele que tem mais genes em comum com o organismos estudado, o outro é o ancestral horizontal
Abundância do genes numa linhagem: um gene existe em todos os eucariontes mas somente em algumas bactérias