apresntação genetica 09
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Introducao
Biologia de Sistemas e Evolucao
Departamento de Fısica e Biofısica
2008
Introducao
Outline
1 Introducao
Introducao
Objetivo
Apresentar a Biologia de Sistemas e discutir sua baseepistemologica. Discutindo em especial a dicotomia Holismo ×Reducionismo.Neste contexto iremos discutir a contribuicao que a Biologia deSistemas pode fornecer para a discussao das grandesquestoes envolvendo a Teoria da Evolucao.
Introducao
Uma pitada de Epistemologia
O objetivo principal dos cientistas eexpandir o campo de aplicacao daciencia.A pesquisa se organiza em torno detemas centrais com metodologiasdefinidas e com seus proprioscriterios de qualidade.A natureza do processo implica queareas diferentes acabem pordisputar o mesmo terreno, sao estasregioes onde surgem os avancos.
Introducao
Avancos Recentes
Determinacao da estrutura de proteınas e de suadinamica.Genomas completos.Redes de Interacao.Informacao detalhada sobre atividade genica para muitosgenes em varios instantes de tempo.Paralelizacao de experimentos envolvendo danos a genes,crescimento em diferentes meios de cultura.Tecnicas estatısticas, computacionais e matematicas cadavez mais sofisticadas.
Introducao
Avancos Recentes
Determinacao da interacao de fatores de transcricao como DNA (Chip-Chip)Determinacao da interacao entre Proteınas utilizandotecnicas espectroscopicas.Desenvolvimento de modelos matematicos comcapacidadde de predicao quantitativa para a descricao doMetabolismo.
Prolegomeno Epistemologico Biologia Sistemica Bioinformatica Grafos Modelos Contınuos Redes Booleanas
Outline
2 Prolegomeno Epistemologico
3 Biologia Sistemica
4 Bioinformatica
5 Grafos
6 Modelos Contınuos
7 Redes Booleanas
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O discurso do metodo - Descartes
Aceitar apenas aquilo que temos confianca que everdadeiroDividir as coisas em quantas parcelas for necessariasA partir dos conceitos mais simples construir os objetosmais complexos”... fazer ... enumeracoes tao completas ...que eu tivesse acerteza de nada omitir”
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Reducionismo - Holismo
A Biologia Molecular vemadotando uma abordagemreducionista, o que lhe per-mitiu inumeraveis avancos.Os problemas interessantesque podem ser tratados comesta abordagem estao se es-gotando. Assim para tra-tar problemas abertos ne-cessitamos de abordagensque consigam integrar dadosbiologicos em modelos naoreducionistas e quantitativos.
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Teoria Geral dos Sistemas
Proposta por Ludwig BertalanffyProcura por leis universais que descrevem sistemascompostos por unidades intergentes.
“...there exist models, principles, and laws that apply togeneralized systems or their subclasses, irrespective of theirparticular kind, the nature of their component elements, and therelationships or ”forces”between them. It seems legitimate toask for a theory, not of systems of a more or less special kind,but of universal principles applying to systems in general.”
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2 Prolegomeno Epistemologico
3 Biologia Sistemica
4 Bioinformatica
5 Grafos
6 Modelos Contınuos
7 Redes Booleanas
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Por que Biologia Sistemica?
As celulas sao sistemasfortemente integrados.A identidade das celulasnao esta relacionada asuas moleculas.As interacoes definemos sistemas e nao seuscomponentes.
Rede Integrada daS. cerevisae
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Biologia Sistemica
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Biologia Sistemica
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Biologia Sistemica
”The reductionist approach has successfully identified most ofthe components and many of the interactions but, unfortunately,offers no convincing concepts or methods to understand howsystem properties emerge...the pluralism of causes and effectsin biological networks is better addressed by observing, throughquantitative measures, multiple components simultaneouslyand by rigorous data integration with mathematical models”Science
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Biologia Sistemica
”Systems biology...is about putting together rather than takingapart, integration rather than reduction. It requires that wedevelop ways of thinking about integration that are as rigorousas our reductionist programmes, but different....It meanschanging our philosophy, in the full sense of the term”Denis Noble
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Biologia Sistemica
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Esquema
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Biologia Sistemica
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Outline
2 Prolegomeno Epistemologico
3 Biologia Sistemica
4 Bioinformatica
5 Grafos
6 Modelos Contınuos
7 Redes Booleanas
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Bioinformatica
A Bioinformatica e uma area depesquisa que integra a Cienciada Computacao, a Matematica,a Estatıstica, a Biologia e aFısica para:
fornecer subsıdios para aexploracao de dadosexperimentais biologicos,
a modelagem e asimulacao de sistemasbiologicos e
para fornecer umarcabouco teorico que nospermita compreender osseres vivos e sua relacaocom o meio ambiente.
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A beleza das coisas simples
De um ponto de vista pragmatico, algumas areas onde aBioinformatica atua:
Deteccao de homologia em sequencias,Montagem de Genomas Completos,Montagem de Bancos de Dados,Especificacao de Ontologias eAnalise de dados de Micro-arranjos.
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Modelagem e Simulacao
Redes biologicas e comparacao com dados experimentais;Dinamica e estrutura de proteınas e suas interacoes;Membranas Celulares e de celulas inteiras;Desenvolvimento de organismos.
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2 Prolegomeno Epistemologico
3 Biologia Sistemica
4 Bioinformatica
5 Grafos
6 Modelos Contınuos
7 Redes Booleanas
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Historia
Erdos e Renyi (1960)Kauffman (1969)Barabasi (2000)Strogatz (2001)Barabasi et al (2002,2003, 2004, . . .)
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Conceitos Basicos
VerticesArestasGrafos DirecionadosGrafos Bipartidos
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Conectividade
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Distribuicao de Conectividade
Em muitos grafos de interesse a distribuicao dasconectividades obedece a uma lei de potencia. Ou seja afrequencia com que esperamos encontrar um nodo comconectividade k e P(k) ∼ k−γ . γ e um numero entre 2 e 3tipicamente.
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2 Prolegomeno Epistemologico
3 Biologia Sistemica
4 Bioinformatica
5 Grafos
6 Modelos Contınuos
7 Redes Booleanas
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Simulacao de Redes Metabolicas
naA + nbB k−→ ncC + ndD (1)
n sao os ındice estequiometricos k taxa com que ocorre areacao.
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Simulacao Contınua
Realizando suposicoes como um numero grande de reagentese reacoes rapidas e possıvel transformar qualquer sistema dereacoes quımicas em um sistema de equacoes diferenciaisordinarias nao lineares, onde as variaveis sao concentracoes.Uma maneira de fazer isto e atraves da cinetica das reacoes,considerando as taxas de transicao entre todos os estadosmicroscopicos.
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Simulacao Discreta
Os compostos sao considerados quantidades discretas.O sistema e estocastico.Sao desconsideradas as posicoes dos reagentes.
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Exemplo
A taxa da reacao depende somente dos reagentes.
A + B k−→ AB
gera as equacoes diferenciais:
d [A]
dt= −k [A] [B]
d [B]
dt= −k [A] [B]
d [AB]
dt= k [A] [B]
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Simulacao Discreta
Os compostos sao considerados quantidades discretas.O sistema e estocastico.Sao desconsideradas as posicoes dos reagentes.
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Algoritmos
Equacao MestraAlgoritmos Estocasticos de GillespieAlgoritmos Estocasticos nao Exatos
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Algoritmos de Gillespie
Objetivo: Gerar uma unicaevolucao temporal do sis-tema de equacoes.
Metodo DiretoMetodo da PrimeiraReacao
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Replicacao Viral
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Replicacao Viral
As reacoes bioquımicas que representam o modelo descrito nafigura ?? sao:
gen k1−→ fita (2)
fita k2−→ deg (3)
fitak3−→ gen (4)
gen + estrutura k4−→ virus (5)
fita k5−→ estrutura (6)
estruturak6−→ sec (7)
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Replicacao Viral
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Infeccao pelo fago Lambda
O ciclo de vida do fago λ. O fago injeta seu DNA na E. colialvo, podendo replicar e destruir a celula hospedeira (lise), ouintegrar seu DNA no DNA da celula hospedeira (lisogenia).
Arkin et al, Genetics, 149, 1633, (1998).
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Kegg
Kyoto Enciclopedia of Genes and Genomes
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Metodologia
SequenciamentoAnotacaoConstrucao das RedesAnaliseSimulacao em larga escala
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Descricao de Redes Metabolicas
GrafosCompostos como quantidades homogeneas e contınuasCompostos como quantidades homogeneas e discretasCompostos como quantidades nao homogeneas ediscretas
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Palsson
Baseado naEstequiometriaConsidera RestricoesPermite Taxa deCrescimento
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Flux Balance Analisys
Nesta analise assumimos os compostos como quantidadescontınuas, mas utilizamos basicamente informacoestopologicas e estequiometricas para descrever o metabolismo.
dSdt
=∑
j
Sijvj (8)
S matriz estequiometrica e vj fluxo do composto j .
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Aproximacoes
Estado EstacionarioS.v = 0 (9)
Maximizacao do Fluxo Metabolico Z
Z =∑
j
cjvj (10)
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Resultados
B. Papp, C. Pal e L. Hurst “Metabolic Networks analisys ofthe causes of enzyme dispensability in yeast”, Nature, 429,661, (2004).J. S. Edwards et al “In in silico predictions of Escherichiacoli metaboliccapabilities are consistent with experimentaldata”, Nature Biotechnology, 19, 125, (2001)J. Forster et al Genome Scale Reconstruction of theSaccharomyces cerevisae Metabolic Network, gr.234503,(2003).
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2 Prolegomeno Epistemologico
3 Biologia Sistemica
4 Bioinformatica
5 Grafos
6 Modelos Contınuos
7 Redes Booleanas
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S. Kauffman
Auto-OrganizacaoRedes de GenesComputacao Emergente“Vida no Limite do Caos”
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Redes Booleanas
N genes cada um com k interacoes.A evolucao dinamica das redes e dada por:
Si(t + 1) = fi(Si1 , . . . ,SiK )
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Funcoes Booleanas Generalizadas
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Funcoes Booleanas Generalizadas
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Conceitos-Chave
Atrator um conjunto de estados que se repete no tempode forma periodica.
Bacia de Atracao Todos os estados que levam a um atrator.
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Funcoes Booleanas Generalizadas
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Segmento de polaridades em Drosophila
Primeiro O sistema esta claramente definido, os padroesde expressao sao conhecidos.
Entrada Genes de polaridade de segmento.Hipoteses a atividade do mRNA e das proteınas e binaria.Validacao Reproduzir os padroes de expressao genica
Insight Topologia e a principal fonte de robustez dosistema. 1 2 3 4
1G. von Dassow et al., Nature 406, 188 (2000)2R. Albert, H. G. Othmer, Journ. Theor. Biol. 223, 1 (2003)3M. Chaves, R. Albert, E. Sontag Journ. Theor. Bio. 235, 431 (2005).4M. Chaves, E. Sontag, R. Albert, IEE Proc. Systems Biology 153, 154
(2006)
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Segmento de polaridades em Drosophila
Diferenciacao das celulas e baseada na expressao genicadiferencial.A polaridade dos genes de segmentacao determinam emantem as fronteiras de parasegmentacao.
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Segmento de polaridades em Drosophila
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Segmento de polaridades em Drosophila
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Rede genica
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Modelo Contınuo
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Modelo Boolenano
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Regras do Modelo
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Ingredientes
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Ingredientes
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Coisas legais que ...
Modelo e consistente com a delecao de genes.E possıvel propor modelos mais realısticos, incluindovariaveis contınuas que sao consiostenetes com estesresultados.
Ortodoxia Darwiniana 5
Mutacoes nao direcionadas e o principal motor parageracao de inovacoes nos organismos.Evolucao acaba por fixar as mutacoes que saoadvantajosas para os organismos.Mudancas sao todas pequenas. Natura non facit saltum.Uniformitarismo, a evolucao segue as mesma leis desde aorigem da vida.A vida pode ser representada como uma grande arvore.Todos os organismos sao originarios de um pequenoconjunto de organismos primitivos,
5E. V. Koonin, “Darwinian evolution in the light of genomics”, NAR,37,1011, 2009.
Da sıntese neo-darwiniana ate a genomicaevolucionaria
Filogenia baseada em rRNA - Descoberta do reino dosarchea.Kimura e a teoria da evolucao neutra.Dawkins e a o gene-egoısta.DNA lixoOhno e o conceito de duplicacao dos genes e de genomascompletos.
Da sıntese neo-darwiniana ate a genomicaevolucionaria
Gould, Lewontin e a exadaptacaoMarguilis e a endosimbiose.Evolucao viral e as primeiras evidencias da importancia datransferencia horizontal.
A importancia da Genomica
Paralogos e ortologos.Comparacao entre genomas de diferes taxa,.Metagenomica.Biologia de Sistemas Evotuiva.
Conservao de Genes
A estrtura dos genes e conservada.Conservacao dos intronsA presenca de genes em um dado organismo varia deforma fluida entre os genomas. Apenas 70 genes estaopresentes em todos os organismos.A organizacao dos genes parece evoluir de forma neutra,apesar de existir evidencia que a localizacao e importante.
Transferencia de Gene Horizontal
Existe uma arvore da vvida?Evidencias de a transferencia de genes e um importantemecanismo evolutivo.Dificuldades tecnicas de comprovar a transferencia.A evolucao deve ser caracterizada por um grafo maiscomplexo.
Metagenomica
Em ambientes marinhos a maior parte do genoma provemde virus especialmente bacteriofagos.Aproximadamente 40 % do genoma de mamıferos econstituıdo por retrotransposons e outros elementomoveis.Existem evidencias de material genomico de fagos eoutros virus em genomas de procariotos. Estes efeitos saobastante relevantes.
Pressao Seletiva sobre DNA lixo
Custo para manter DNA lixo, nao deveria exercer pressaopara sua eliminacao?Papel Regulatorio.Estrutura dos Cromossomos.Material para futuras evolucoes.
Novidade evolutiva e duplicacao de genes e genomas
A mais importante fonte de inovacao. A duplicidadefacilitaria o surgimento de novas funcoes sem a perda deantigas.Evidencias de duplicacao de genomas completos. Fim dogradualismo?A evolucao antes de inovar, faz backup dos dados!
Emergencia e evolucao da complexidade genomica
Definicao de complexidade problema em aberto.Importancia do Splicing Alternativo na complexidade dosorganismos.Splicing Alternativo e uma adaptacao? Aparentementenao.Evidencias que a complexidade evolutiva e levementedeleteria, aumentos da complexidade e decorrencia dederiva genica.Nao existem evidencias de um aumento contınuo nacomplexidade dos genomas, estes eventos parecem serpuntuais e esporadicos.
Expressao Genica e evolucao
Genes mais fortemente expressos evoluem maislentamente que genes fracamente expressos.A selecao de uma proteına pode depender nao apenas desuas caracterısticas estruturais mais tambem de outrosfatores como sua expressao e seu papel nas redes deinteracao genicas.
Discussao
A evolucao e um fen6omeno muito mais complexo que asespectativas neo-darwinianas.A A fixacao de mutantes depende de muitos fatores alemda adaptacao, o papel da deriva genica parace ser maisrelevante para compreender a macro-evolucao.A visao gradualista e bastante inadequada mesmo a nıvelde populacoes de indıviduos. A evolucao parece serdetrminada por eventos puntais e esporadicos.A complexidade genomica aumneta de forma irregular aolonfo da historia evolutiva e parece nao ser adaptativa.Necessidade uma nova sıntese.
Perspectivas
Possibilidade de estudar a evolucao em laboratorio comsequenciamento completo de organismos para vari8osinstantes de tempo.Previsoes teoricas sobre as consequencias de mutacoes.Caracterizacao mais detalhada do fitness de umorganismo e das pressoes evolutivas.A importancia da organizacao espacial dos agentesbiologicos.