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Transferência Horizontal de Genes: um Survey de Métodos Computacionais

Transferência Horizontal de Genes: um Survey de Métodos Computacionais. Instituto de Computação Universidade Estadual de Campinas. Proposta para Dissertação de Mestrado. Karina Zupo de Oliveira (ra028520@ic.unicamp.br). Orientador: Prof. Dr. João Meidanis. Outubro de 2006. Agenda.

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Transferência Horizontal de Genes: um Survey de Métodos Computacionais

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Presentation Transcript

  1. Transferência Horizontal de Genes: um Survey de Métodos Computacionais Instituto de ComputaçãoUniversidade Estadual de Campinas Proposta para Dissertação de Mestrado Karina Zupo de Oliveira (ra028520@ic.unicamp.br) Orientador: Prof. Dr. João Meidanis Outubro de 2006

  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 Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais

  3. Herança Vertical Mutação Mutação se fixa Introdução • Evolução das espécies • Herança vertical • Mutação • Seleção natural Indivídio - Espécie Descendente Descendente Mutado Indivíduo -Nova Espécie Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais

  4. 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

  5. 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

  6. 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

  7. 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

  8. 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

  9. 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

  10. 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

  11. 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

  12. 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

  13. 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

  14. 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

  15. 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

  16. 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

  17. 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

  18. Avaliação de Programas Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais

  19. 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

  20. 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

  21. Cronograma Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais

  22. Perguntas Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais

  23. 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

  24. 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

  25. siamango gibão orangutango gorila humano chipanzé Árvore Filogenéticas Nós Grafo Acíclico Direcionado Arestas Transferência Horizontal de Genes: Um Survey de Métodos Computacionais

  26. 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

  27. 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

  28. 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

  29. 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

  30. 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

  31. 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

  32. 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

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