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

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
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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
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Introdução
 Evolução das espécies
Indivídio Espécie
Herança Vertical
Mutação
Descendente
 Herança vertical
 Mutação
 Seleção natural
Descendente
Mutado
Mutação
se fixa
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Indivíduo Nova Espécie
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Introdução
 Filogenia
 Parentesco entre organismos
 Representada em árvores
Fonte: http://www.sanger.ac.uk/PostGenomics/epicomp/
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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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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 (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 (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 (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 (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 (THG)
 Antes 1995:
 Poucas evidências de THG
 Após 1995:
 Sequenciamento em massa
 Muitas novas evidências de THG
 Freqüente em procariontes
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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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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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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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Árvore Filogenéticas
Nós
Grafo Acíclico
Direcionado
Arestas
siamango
gibão
orangutango
gorila
humano
chipanzé
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Árvores Filogenéticas
 Como construir árvores?
 Métodos para construção baseados
 Características discretas
 Distâncias entre seqüências
 Métodos diferentes podem gerar
árvores diferentes
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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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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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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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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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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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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
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