transferência horizontal de genes: um survey de métodos computacionais instituto de computação...

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

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


Introdução Evolução das espécies

Herança vertical Mutação Seleção natural

Descendente DescendenteMutado

Mutação

Mutação se fixa

Herança Vertical

Indivíduo -Nova Espécie

Indivídio - Espécie


Introdução Filogenia Parentesco entre organismos Representada em árvores

Fonte: http://www.sanger.ac.uk/PostGenomics/epicomp/


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


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


Transferência Horizontal (THG) Troca e fixação de material genético

entre organismos de unidades taxonômicas diferentes

Como THG ocorre? Transformação Conjugação Transdução


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


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



Transferência Horizontal (THG) Transdução

Através de bacteriófagos que infectam células Vírus adquire genes da bactéria infectada Vírus ao infectar novas bactérias transmite esses

genes



Transferência Horizontal (THG) Antes 1995:

Poucas evidências de THG

Após 1995: Sequenciamento em massa Muitas novas evidências de THG Freqüente em procariontes


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?


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


Cenário Atual - Discussões E... Como detectar THG com razoável

grau de sucesso?

Quais algoritmos existem? Quais os problemas e limitações?


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


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


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


Avaliação de Programas


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


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


Cronograma


Perguntas


Conteúdo de GC Distribuição de guanina e citosina no

DNA

Organismos de mesma espécie possuem conteúdo de GC similar


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!


Árvore Filogenéticas

siamango gibão orangutango gorila humano chipanzé

Grafo Acíclico Direcionado

Nós

Arestas


Árvores Filogenéticas Como construir árvores?

Métodos para construção baseados Características discretas Distâncias entre seqüências

Métodos diferentes podem gerar árvores diferentes


Redes Filogenéticas Possuem nós com grau de entrada 2

Chamados nós redes

Mas, por que redes? Pois podem representar eventos tais

como transferências horizontais


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


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


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


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


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

transferência horizontal de genes: um survey de métodos computacionais instituto de computação...

Documents