Transferência Horizontal de Genes: um Survey de Métodos Computacionais Proposta para Dissertação de Mestrado Instituto de Computação Universidade Estadual de Campinas Karina Zupo de Oliveira ([email protected]) Orientador: Prof. Dr. João Meidanis Outubro de 2006 Agenda Introdução Taxonomia dos Procariontes Transferência Horizontal de Genes (THG) Cenário Atual - Discussões Métodos de Detecção Avaliação de Programas Proposta e Resultados Secundários Cronograma Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais 2 Introdução Evolução das espécies Indivídio Espécie Herança Vertical Mutação Descendente Herança vertical Mutação Seleção natural Descendente Mutado Mutação se fixa Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais Indivíduo Nova Espécie 3 Introdução Filogenia Parentesco entre organismos Representada em árvores Fonte: http://www.sanger.ac.uk/PostGenomics/epicomp/ Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais 4 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 Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais 5 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 de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais 6 Transferência Horizontal (THG) Troca e fixação de material genético entre organismos de unidades taxonômicas diferentes Como THG ocorre? Transformação Conjugação Transdução Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais 7 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 de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais 8 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 Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais 9 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 Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais 10 Transferência Horizontal (THG) Antes 1995: Poucas evidências de THG Após 1995: Sequenciamento em massa Muitas novas evidências de THG Freqüente em procariontes Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais 11 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? Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais 12 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 Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais 13 Cenário Atual - Discussões E... Como detectar THG com razoável grau de sucesso? Quais algoritmos existem? Quais os problemas e limitações? Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais 14 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 Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais 15 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 Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais 16 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 Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais 17 Avaliação de Programas Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais 18 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 Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais 19 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 Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais 20 Cronograma Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais 21 Perguntas Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais 22 Conteúdo de GC Distribuição de guanina e citosina no DNA Organismos de mesma espécie possuem conteúdo de GC similar Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais 23 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! Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais 24 Árvore Filogenéticas Nós Grafo Acíclico Direcionado Arestas siamango gibão orangutango gorila humano chipanzé Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais 25 Árvores Filogenéticas Como construir árvores? Métodos para construção baseados Características discretas Distâncias entre seqüências Métodos diferentes podem gerar árvores diferentes Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais 26 Redes Filogenéticas Possuem nós com grau de entrada 2 Chamados nós redes Mas, por que redes? Pois podem representar eventos tais como transferências horizontais Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais 27 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 Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais 28 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 Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais 29 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 Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais 30 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 Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais 31 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 32