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Comparação entre sequências de DNA
1. Processo evolutivo de divergência e mutação em
sequências de DNA
2. Implicações metodológicas do processo de mutação
3. Princípios metodológicos de comparação de
sequências de DNA
Objetivo: Compreender a natureza dos processos
de divergência e mutação e suas implicações para a
comparação entre sequências de DNA.
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EspaEspaççooTem
po
Tem
po
Descendência com modificação
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Histórica Comparativa Inferencial
A sistemática biológica éuma ciência
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Matriz de caracteres alinhadosEvolução (não-observável)
CGACTTG
CCACATG
DADOS DE SEQUÊNCIAS
GC TAA
Análise filogenética
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População descendente População descendente
Sequências descendentes
AA
CCTT
População ancestral
Sequência ancestral
Comparação de sequências
1. Divergência e mutação
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ACTGAACGTAACGC
ACTAAACGTAATGC
Mutação de ponto
ACTGAATGTAACGC
Comparação de sequências
1. Divergência e mutação
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ACTGAACGTAACGC
ACTAAACGTAATGC
Deleção
A∗TGAATGTAACGC
Comparação de sequências
1. Divergência e mutação
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ACTGAACGTAACGC
ACTAAACGTCAATGC
Inserção
A∗TGAATGTAACGC
Comparação de sequências
1. Divergência e mutação
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ACTGAACGTAACGC
ACTAAACGTCAATGC
Mutação de pontoDeleçãoInserção
A∗TGAATGTAACGC
Comparação de sequências
1. Divergência e mutação
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Comparação entre sequências de DNA
1. Processo evolutivo de divergência e
mutação em sequências de DNA
2. Implicações metodológicas do processo de
mutação
3. Princípios metodológicos de comparação de
sequências de DNA
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ACTGAACGTAACGC
ACTAAACGTAATGC
Mutação de ponto
ACTGAATGTAACGC
Comparação de sequências
2. Implicações metodológicas
• Mutações de ponto não mudam as posições
relativas das bases nas sequências
descendentes em relação à sequência ancestral
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ACTGAACGTAACGC
Inserção
ACTAAACGTCAATGC A∗TGAATGTAACGC
ACTGAACGTAACGC
Deleção
ACTAAACGTAATGC A∗TGAATGTAACGC
Comparação de sequências
2. Implicações metodológicas
• Mutações de deleção e inserção mudam as
posições relativas das bases nas sequências
descendentes em relação à sequência ancestral
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ACTAAACGTCAATGC ATGAATGTAACGC
ACTGAACGTAACGC
Processo evolutivo
Comparação de sequências
2. Implicações metodológicas
• Mutações de deleção e inserção alteram as posições relativas
dos sítios de nucleotídeos entre as sequências descendentes e a
sequência ancestral.
• Mutações de deleção e inserção alteram o comprimento das
sequências descendentes.
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Comparação de sequências
2. Implicações metodológicas
Preservação − destruição
da informação
ACTGAACGTAACGC
ACTAAACGTCAATGC ATGAATGTAACGC
ACTGAACGTAACGC
ACTAAACGTAATGC ACTGAATGTAACGC
Mutação de ponto Deleção/Inserção
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ACTAAACGTCAATGC ATGAATGTAACGC
ACTGAACGTAACGC
Processo evolutivo
Comparação de sequências
2. Implicações metodológicas
Dados experimentaisACTAAACGTCAATGCATGAATGTAACGC
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Comparação de sequências
2. Implicações metodológicas
Dados experimentais
ACTAAACGTCAATGCATGAATGTAACGC
• Comparações de sequências obtidas experimentalmente devem ser feitas entre bases cujas posições (sítios) coincidem no ancestral comum (homólogas).
• Problema consiste em restabelecer (estimar) a homologia ancestral nos sítios, perturbada pelas mutações de ponto, deleções e inserções.
• Solução consiste em introduzir espaçamentos para que as sequências obtidas experimentalmente tenham o mesmo comprimento.
• Esse procedimento é conhecido como ALINHAMENTO.
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Comparação entre sequências de DNA
1. Processo evolutivo de divergência e
mutação em sequências de DNA
2. Implicações metodológicas do processo de
mutação
3. Princípios metodológicos de comparação de
sequências de DNA
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• Número de possíveis alinhamentos entre
duas sequências de comprimento n,
Comparação de sequências
3. Princípios metodológicos
.2)!()!2( 2
2 nnn n
π≅
Durbin et al. 2007. Biological Sequence Analysis. :18.
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• Alinhamento consiste em introduzir
espaçamentos (gaps) para que as sequências
tenham o mesmo comprimento.
• Espaçamentos são hipóteses sobre a
homologia dos sítios.
• Para duas ou mais sequências são possíveis
diversos alinhamentos diferentes, sendo
necessária uma pontuação (score) para cada
um dos alinhamentos.
Comparação de sequências
3. Princípios metodológicos
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Comparação de sequências
3. Princípios metodológicos
• Pontuação é uma função do número de posições
com bases idênticas, bases diferentes e
espaçamentos.
• Espaçamentos são penalizados de uma forma geral
como,
g → penalidade pela abertura de cada espaçamento.
e → penalidade pela extensão do espaçamento.
l → comprimento do espaçamento.
)1( −+ leg
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ACTAAACGTCAATGC ATGAATGTAACGC
ACTGAACGTAACGC
Processo evolutivo
ACTAAACGTCAATGCA−TGAATGT−AACGC
Alinhamento verdadeiro
Exemplo: Cálculo do alinhamento de duas sequências de DNA
Comparação de sequências
3. Princípios metodológicos
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• Cálculo da pontuação do alinhamento
Cada coluna no alinhamento receberá um certo
valor dependendo do conteúdo.
Colunas iguais = 1; colunas diferentes = ‒1;
espaçamentos = ‒2.
A pontuação total do alinhamento será a soma
dos valores dados a cada uma das colunas.
Comparação de sequências
3. Princípios metodológicos
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ACTAAACGTCAATGCA−TGAATGT−AACGC
Alinhamento verdadeiro
• Pontuação do alinhamento verdadeiro
10 × 1 + 3 × (‒1) + 2 × (‒2) = 3.
Comparação de sequências
3. Princípios metodológicos
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ACTAAACGTCAATGCA−TGAATGT−AACGC
Alinhamento verdadeiro
• Pontuação do alinhamento alternativo 1
9 × 1 + 4 × (‒1) + 2 × (‒2) = 1.
Comparação de sequências
3. Princípios metodológicos
ACTAAACGTCAATGCAT−GAATGT−AACGC
Alinhamento alternativo 1
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ACTAAACGTCAATGCA−TGAATGT−AACGC
Alinhamento verdadeiro
• Pontuação do alinhamento alternativo 2
8 × 1 + 5 × (‒1) + 2 × (‒2) = ‒1.
Comparação de sequências
3. Princípios metodológicos
ACTAAACGTCAATGCATGA−ATGTA−ACGC
Alinhamento alternativo 2
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Comparação de sequências
3. Princípios metodológicos
ACTAAACGTCAATGCA−TGAATGT−AACGC
Alinhamento verdadeiro
ACTAAACGTCAATGCATGA−ATGTA−ACGC
Alinhamento alternativo 2
ACTAAACGTCAATGCAT−GAATGT−AACGC
Alinhamento alternativo 1
Pontuação = 3
Pontuação = 1
Pontuação = −1
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Comparação de sequências
3. Princípios metodológicos
ACTAAACGTCAATGCA−TGAATGT−AACGC
Alinhamento verdadeiro Pontuação = 3
Alinhamento ótimo
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• Alinhamento de múltiplas sequências
Método de alinhamento progressivo
1. Alinhar cada par de sequências e usar a pontuação
ótima para calcular distâncias (ou semelhanças) entre
pares de sequências.
2. Construir uma árvore-guia usando as distâncias (ou
semelhanças) entre os pares de sequências.
3. Gerar um alinhamento múltiplo baseado no grau de
semelhança entre as sequências definido pela árvore-
guia.
Comparação de sequências
3. Princípios metodológicos
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• Alinhamento de múltiplas sequências
Método de alinhamento progressivo
1. Alinhamento de sequências par a par. Alinhar
todos os possíveis pares de sequências e usar a
pontuação ótima para cada par para calcular distâncias
(ou semelhanças) entre pares de sequências.
Comparação de sequências
3. Princípios metodológicos
A
B
C
A B C
0,87
0,59 0,69
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2. Geração da árvore-guia. Usar as distâncias
(semelhanças) entre pares de sequências para gerar
uma árvore-guia.
Comparação de sequências
3. Princípios metodológicos
A
B
C
A B C
0,87
0,59 0,69
A
B
C
0,87
0,69Árvore-guia
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3. Alinhamento múltiplo baseado na árvore-guia.
Alinhar as sequências progressivamente baseado na
ordem definida pela árvore-guia.
Comparação de sequências
3. Princípios metodológicos
A
B
CÁrvore-guia
• Alinhar sequências A e B primeiro.
• Alinhar sequência C ao alinhamento
das sequências A e B.
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Comparação de sequências
3. Princípios metodológicos
Pássaro
Lemur
Chimpanzé
Humano
Cão
Gato
Vaca
Porco
Alinhamento de sequências de DNA
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Mutações de deleção e inserção alteram o comprimento das sequências de DNA e perturbam as posições
relativas dos nucleotídeos (homologia)
Problema consiste em restabelecer as posições relativas das sequências de DNA
Solução consiste em introduzir espaçamentos para que as sequências tenham o mesmo comprimento
ALINHAMENTO
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Comparação entre sequências de DNA
1. Processo evolutivo de divergência e
mutação em sequências de DNA
2. Implicações metodológicas do processo de
mutação
3. Princípios metodológicos de comparação de
sequências de DNA