Integrando processos evolutivos

Integração de forças evolutivas:
interação entre deriva e
seleção
BIO 208 - Processos Evolutivos - 2016
Diogo Meyer
Ridley: Capítulo 7 menos Quadro 7.1, 7.2 e item 7.4.
Modelo determinístico de seleção
Vantagem do heterozigoto
AA
Aa
aa
0,9
1
0,9
Modelo determinístico de seleção
Mutação vantajosa se fixa
Mutação deletéria é eliminada
90
90
90
90
67.5
67.5
67.5
67.5
45
45
45
45
22.5
22.5
22.5
22.5
0
0
0
AA Aa aa
s=0.1, A recessivo
Allelic Frequency ( p )
AA Aa aa
1.0
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
0
0
AA Aa Autosomal
aa
AA Aa aa
Selection
s=0.1, A dominante
20
40
60
80
100
Generations ( t )
AA
Aa
aa
AA
Aa
aa
1
0.9
0.9
1
1
0.9
120
140
Modelo determinístico de seleção
s=0.1, A recessivo
Allelic Frequency ( p )
Autosomal Selection
1.0
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
0
s=0.1, A dominante
20
40
60
80
100
Generations ( t )
AA
Aa
aa
AA
Aa
aa
1
0.9
0.9
1
1
0.9
120
140
Modelo estocástico: deriva
Mutação irá se fixar (probabilidade é 1/2N)
Mutação irá se perder (probabilidade é é 1 - 51/2N)
Uma questão central da biologia
evolutiva: deriva ou seleção?
Há diferenças entre e dentro de espécies.
Essas diferenças podem resultar de:
- deriva
- seleção
- 60 mil diferenças de
proteínas entre as
duas espécies
Neutralista: a maior
parte das diferenças (e
polimorfismos) por deriva
Selecionista: a maior
parte por seleção
Uma questão central da biologia
evolutiva: deriva ou seleção?
Science, 1968
Evolutionary Rate at the Molecular Level
by
M O T 0 0 KIMURA
National Institute of Genetics,
Japan
Calculating the rate of evolution in terms of nucleotide substitutions
seems t o give a value so high that many of the mutations involved
must be neutral ones.
COMPARATIVEstudies of haemoglobin molecules among
different groups of animals suggest that, during the
evolutionary history of mammals, amino-acid substitution
has taken place roughly at the rate of one amino-acid
for a chain consisting of some
aminochange in
acids. For example, by comparing the and
chains of
manwith those of horse, pig, cattleandrabbit,the
was obtained'.
figure of one amino-acid change in x
Nature, 1968
Uma questão central da biologia
evolutiva:
deriva
ou
seleção?
ção de mutação e deriva
Como responder? Testar previsões:
Para neutralistas:
1. Seleção negativa (remoção de deletérias) é comum
2. Seleção positiva é rara
3. k = µ
Logo, taxas de substituição constantes
4.
H proporcional ao N da população
Seleção negativa é comum
(previsão 1)
Funcionalmente importante -> muda menos
Funcionalmente menos importante -> muda mais
Padrão consistente com ação de seleção negativa
10
Taxas de substituição de aminoácidos
entre humanos e roedores
Evolução proteica (subst/sítio/milhão de anos x109)
Histona
0
Mioglobina
0.57
Apolipo-proteina
3.72
Kimura, 1974
Seleção negativa é comum (predição 1):
mais mudança em genes menos
“restritos” ou “tolerantes”
Evolução proteica (subst/sítio/milhão de anos x109)
Histona
0
Mioglobina
0.57
Apolipo-proteina
3.72
D
N
D
N
D
Kimura, 1974
Seleção negativa é comum (predição 1):
variação em taxas não sinônimas devido
a seleção negativa
dS > dN
Taxas de substituição segundo a
visão neutralista
Taxas de substituição são
constantes? (previsão 3)
• Taxas de substituição na hemoglobina
Isso seria
esperado num
cenário de
seleção
positiva?
Taxas de substituição segunda a
visão neutralista
• Taxas de substituição em muitos outros genes
Relógio
molecular varia
entre espécies
- taxa de mutação
diferente?
- Seleção?
Variação genética é proporcional ao
tamanho populacional (previsão 4)
2µ
Crow e Kimura, 1964
H pode ser estimado a
partir de dados
Podemos testar a
hipótese neutra:
- N previsto faz sentido?
1/2N
Variação genética é proporcional ao
tamanho populacional (previsão 4)?
(baseada na análise de variação genética)
Taxa de heterozigose observada
O paradoxo da variação
N grande
mas H baixo
Taxa de heterozigose esperada
(baseada no tamanho populacional e taxa de
mutação)
-> N prevê variação de modo impreciso
-> variação nas populações grandes é menor do que a
esperada pela teoria neutra
Fatores que moldam Ne: diversidade é
REVIEW
S
melhor explicada
Asexual r
lead to increa
of chromosom
4
heterozygous
This theoret
empirical cor
first reported
quent analyse
1
In several oth
ing effects of
asexual linea
stration of ac
genome-wid
0.2
pairs in the p
significant inc
that was asso
selection, wh
tions70. This
the power of
100,000
20
in characteriz
Ellegren & Galtier, Nat. variation
Rev. Genetics, 2016
patt
Genetic diversity
Propagule size (cm)
100
1
0.01
0.1
100
ecundity (o spring per day
Interação entre seleção e deriva:
modelo
p0=0.01
s=0.1
h=1
N=500
!
p0=0.01
s=0.1
h=1
N=50
!
p0=1/2N
s=0.01
h=1
N=5
!
21
(baseada na análise de variação genética)
Taxa de heterozigose observada
Seleção sobre quase neutras explica
padrão
ex., s=0.01 é
removido
aqui
Taxa de heterozigose esperada
(baseada no tamanho populacional)
Explicação: em populações maiores, mais variação
fracamente deletéria é removida
A teoria quase neutra
“A teoria quase neutra pode ser resumida da
seguinte forma. Tanto a deriva genética como a
seleção influenciam o comportamento de
mutações fracamente selecionadas. A deriva
predomina em populações pequenas, e a
seleção em populações grandes. A maioria das
novas mutações é deletéria, e a maioria das
mutações de efeito pequeno devem ser muito
fracamente deletérias. Há seleção contra essas
mutações em populações grandes, mas se
comportam como neutras e populações
pequenas”
Tomoko Ohta
Teste para seleção de mutações
fracamente selecionadas
Ilha: Anas luzonica
Mais
substituições
não-sinônimas
Continente: Anas zonorhyncha,
Menos
substituições
não-sinônimas
Johnson and Seger, 2001.
Mol Biol Evol.
Mas: “Molecular evolutionary consequences of island colonisation” diz que não.
http://dx.doi.org/10.1101/014811
Teste para seleção de mutações
fracamente selecionadas
Africanos
Europeus
25
Menos
polimorfismos
não sinônimos
Mais
polimorfismos
não sinônimos
Lohmueller et al., 2008. Nature
ate clade (Figure 1F–I). These LRTs were all based on
sed site or branch-site models of codon evolution
] (see Methods). The test for all branches was applied
in the primate clade
the tests for selection
somewhat (nearly thr
Teste para seleção de mutações
fracamente selecionadas
6 mamíferos
16,500 genes
Text
Em rosa: dN/dS
para ramo
Kosiol et al., 2008. Plos Genetics
Como estimar kN e kS
AAA TCT ATG ACC TCC AAA
AAA ACT ATG ACC TCA AAA
Como estimar dN e dS
AAA TCT ATG ACC TCC AAA
AAA ACT ATG ACC TCA AAA
N
Ser −> Thr
S
Ser −> Ser
Como estimar dN e dS
AAA TCT ATG ACC TCC AAA
AAA ACT ATG ACC TCA AAA
total de sítios: 18
sítios não-sinônimos: 12
sítios sinônimos: 6
dN = 1/12
dS = 1/6
dN/dS=0,5
Predições a partir de kN e kS
dN/dS < 1 seleção remove deletérias (seleção negativa)
dN/dS = 1 ausência de seleção (neutralidade completa)
dN/dS > 1 seleção fixa vantajosas (seleção positiva)
Seleção positiva é rara?
(predição 2)
• O caso da lisozima
colobinos
Presbytis entellus
dN/dS=3,5
na linhangem
de colobinos
dN/dS = 0,6 para
as demais
linhangens de
primatas
*
Recently duplicated genes are removed, but orthologs sets are retained if they still contain a hum
doi:10.1371/journal.pgen.1000144.t001
Seleção positiva é rara?
O quão comum é dN/dS > 1?
were to each other (see Methods). Requiring that each human
gene had a high-confidence 1:1 ortholog in at least two other
species reduced the total number of ortholog sets to 16,529. These
sets contain a human gene and either five (42% of cases), four
(28%), three (15%) or two (15%) non-human orthologs.
Likelihood Ratio Tests for Positively Selected Genes
We performed a series of nine different LRTs to identify genes
under positive selection on particular branches or clades of interest
Patterns of Positive Selection
in Six Mammalian
in the six-species phylogeny. In particular, we tested for selection
Genomes
on any branch of the tree (Figure 1A); on the branch leading to,
and on any branch within, the primate clade (Figure 1B,C); on the
Carolin Kosiol1, Tomáš Vinař1, Rute R. da Fonseca2, Melissa J. Hubisz3, Carlos D. Bustamante1, Rasmus
“Of
,16,500
human
genes
withleading
high-confidence
2
1
branch
to, and on any branch within, the rodent clade
, Adam Siepel
*
Nielsen
(Figure
on States
each
of the2 Institute
four ofindividual
branches
within
1 Department of Biological Statistics and Computational Biology, Cornell
University,1D,E);
Ithaca, New and
York, United
of America,
Biology, University
of
orthologs
in
at
least
two
other
species,
400
Copenhagen, Copenhagen, Denmark, 3 Department of Human Genetics, University of Chicago, Chicago, Illinois, United States of America
the primate clade (Figure 1F–I). These LRTs were all based on
genes showed significantwidely
evidence
used site of
or positive
branch-site models of codon evolution
Abstract
[31,26,27] (see Methods). The test for all branches was applied
selection”
Genome-wide scans for positively selected genes (PSGs) in mammals have provided insight into the dynamics of genome
evolution, the genetic basis of differences between species, and the functions of individual genes. However, previous scans
have been limited in power and accuracy owing to small numbers of available genomes. Here we present the most
comprehensive examination of mammalian PSGs to date, using the six high-coverage genome assemblies now available for
eutherian mammals. The increased phylogenetic depth of this dataset results in substantially improved statistical power,
and permits several new lineage- and clade-specific tests to be applied. Of ,16,500 human genes with high-confidence
orthologs in at least two other species, 400 genes showed significant evidence of positive selection (FDR,0.05), according
to a standard likelihood ratio test. An additional 144 genes showed evidence of positive selection on particular lineages or
clades. As in previous studies, the identified PSGs were enriched for roles in defense/immunity, chemosensory perception,
and reproduction, but enrichments were also evident for more specific functions, such as complement-mediated immunity
and taste perception. Several pathways were strongly enriched for PSGs, suggesting possible co-evolution of interacting
genes. A novel Bayesian analysis of the possible ‘‘selection histories’’ of each gene indicated that most PSGs have switched
multiple times between positive selection and nonselection, suggesting that positive selection is often episodic. A detailed
analysis of Affymetrix exon array data indicated that PSGs are expressed at significantly lower levels, and in a more tissuespecific manner, than non-PSGs. Genes that are specifically expressed in the spleen, testes, liver, and breast are significantly
enriched for PSGs, but no evidence was found for an enrichment for PSGs among brain-specific genes. This study provides
additional evidence for widespread positive selection in mammalian evolution and new genome-wide insights into the
functional implications of positive selection.
to all 16,529
ortholog set
group or ou
reduced the
The PSG
seven (the
FDR,0.05
genes identi
small, prima
species dive
mammals d
tests substa
between se
macaque. T
in the prima
the tests for
somewhat (n
Conclusão: Seleção positiva é
detectável mas rara
Citation: Kosiol C, Vinař T, da Fonseca RR, Hubisz MJ, Bustamante CD, et al. (2008) Patterns of Positive Selection in Six Mammalian Genomes. PLoS Genet 4(8):
e1000144. doi:10.1371/journal.pgen.1000144
Editor: Mikkel H. Schierup, University of Aarhus, Denmark
Received January 7, 2008; Accepted June 27, 2008; Published August 1, 2008
Copyright: ! 2008 Kosiol et al. This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License, which permits
unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original author and source are credited.
Funding: Funding was provided by NSF grants DBI-0644111 (CK, TV, AS) and NSF0516310 (CK, CDB), a Packard Fellowship (AS), and a Microsoft Research New
Faculty Fellowship (AS).
Competing Interests: The authors have declared that no competing interests exist.
* E-mail: [email protected]
32
Kosiol et al., 2008
Mensagens da aula
- Seleção contra mutações deletérias é comum e explica padrões de variação
- Muita mudança evolutiva deve-se à deriva (como prevê teoria neutra)
- O relógio molecular representa um teste da teoria neutra. Ainda há
controvérsia.
- Deriva sozinha não explica toda a variação:
- há casos de genes selecionados (dN/dS revela isso)
- Há menos variação (H) em populações com N grande do que seria esperado
- Duas explicações: mutações fracamente deletérias e tamanho efetivo
- Há evidências para o maior acúmulo de variantes fracamente deletérias em
populações menores