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Seleção Natural
• Seleção Natural: Sobrevivência e reproduçãodiferencial de indivíduos na população
• Valor Adaptativo: progênie gerada que sobrevivee reproduz na próxima geração
• Seleção natural requer variação herdável paravalor adaptativo (não basta sorte!)
• Define valor adaptativo esperado de um genótipoem um ambiente específico
DNA codifica informações que em conjuntocom ambiente influenciam fenótipo
Entre características que podem ser influenciadas porrespostas geneticamente determinadas aoambiente estão:
• A Viabilidade no ambiente• Uma vez vivo, o sucesso reprodutivo no ambiente• Uma vez vivo e tendo reproduzido, a fertilidade
ou fecundidade no ambiente.
Estes são os componentes do valor adaptativo
Seleção NaturalO ambiente influencia a probabilidade de vários
genótipos replicarem o seu DNA.
Seleção favorece um caráter que aumente o valor adaptativo.
Indivíduos com maior valor adaptativo tendem a passarmais genes para a próxima geração.
Enquanto valor adaptativo for herdável, as diferenças nacontribuição à próxima geração induzidas pelaseleção natural irão alterar o pool gênico.
Seleção Natural
Enquanto valor adaptativo for herdável, as diferenças nacontribuição à próxima geração induzidas pelaseleção natural irão alterar o pool gênico.
Seleção natural tende a aumentar o valor adaptativomédio da população.
Este aumento do valor adaptativo médio é a adaptaçãoao meio ambiente.
Valor Adaptativo (“Fitness”)• Embora seja individual, definimos em relação a grupos
de indivíduos:– De mesmo genótipo– De mesmo fenótipo
• Contribuição genética coletiva à próxima geração.• Evitem usar “a sobrevivência do mais apto”.• Porquê?
– Vários argumentam que é tautológico.• Quem são os mais aptos?• Os que sobrevivem!!!
– A maioria das pessoas não compreende os termos“sobrevivência” e “apto”.
Seleção Natural em um locus único em um deme se reproduzindo ao acaso
aaZaa
AaZAa
AAZAA
Freqüências zigóticas
mAA mAa maa
aamaa Zaalaa /
lm
AamAa ZAalAa /lm
AAmAAZAAlAA
/ lm
Prob. acasalamento
Freqüências em adultos queacasalaram
Meio Ambiente
∝
1*bAA1/2bAa
1/2bAa
aq’= (baamaaZaalaa +
1/2bAamAaZAalAa) / w
Ap’= (bAAmAAZAAlAA +1/2bAamAaZAalAa) / w
1*bAaMeiose
Pool Gênico
Meio AmbientelAA lAa laaViabilidades
aaZaalaa /l
AaZAalAa /l
AAZAAlAA /lFreqüências no adulto ∝
2
aaZaa
AaZAa
AAZAA
WAA WAa Waa
aaZaaWaa
AaZAaWAa
AAZAA WAA
aaZaaWaa / W
AaZAaWAa / W
AAZAAWAA / W
1 1/21/2
aq’= ZaaWaa/W + ½ZAaWAa/W
Ap’= ZAAWAA/W +
½ZAAWAa/W
1Meiose
Pool Gênico
Freqüência de adultosque se acasalaram
Converter para Freq ao dividir porµ = W = p2WAA+2pqWAa+q2Waa
Façamos wAA = bAAmAAlAA; wAa = bAamAalAa; waa = baamaalaa
Freqüências zigóticas
Valor AdaptativoMeio Ambiente
Freqüências em adultos queacasalaram pelo # prole ∝
aaq2
Aa2pq
AAp2
1 1/21/2
aq’= q2 Waa/W + pqWAa/W
Ap’= p2 WAA/W + pqWAa/W
1Meiose
Pool Gênico
aaq2Waa/W
Aa2pqWAa/W
AAp2 WAA/W
Freqüência de adultosque se acasalaram
Converter para Freq ao dividir porµ = W = p2WAA+2pqWAa+q2Waa
Façamos WAA = VAACAAbAA; WAa = VAaCAabAa; Waa = VaaCaabaa
Freqüências zigóticas
WAA WAa Waa
aaq2 Waa
Aa2pqWAa
AAp2 WAA
Valor AdaptativoMeio Ambiente
Freqüências em adultos queacasalaram pelo # prole ∝
aq’= q2 Waa/W + pqWAa/W
Ap’= p2 WAA/W + pqWAa/W
Pool Gênico
p’= p2 WAA/W + pqWAa/W
=( p2 WAA+ pqWAa)/W
= p(pWAA+ qWAa)/W
aq’= q2 Waa/W + pqWAa/W
Ap’= p2 WAA/W + pqWAa/W
p’= p2 WAA/W + pqWAa/W
=( p2 WAA+ pqWAa)/W
p’ = p(pWAA+ qWAa)/W
Pool Gênico
Quando ocorrerá evolução?∆p = p’ - p
= p(pWAA+ qWAa)/W - p
= p[pWAA+ qWAa)/W - 1]
∆p = p[pWAA+ qWAa- W]/W
∆p = p[pWAA+ qWAa- W]/W
= p[pWAA+ qWAa- pW - qW]/W
=p[p(WAA-W)+ q(WAa-W)]/W
Quando ocorrerá evolução?Observe que W = W(p+q)=pW+qW
3
∆p = p[pWAA+ qWAa- W]/W
= p[pWAA+ qWAa- pW - qW]/W
=p[p(WAA-W)+ q(WAa-W)]/W
Quando ocorrerá evolução?Observe que W = W(p+q)=pW+qW
Desde que p e W serão sempre > 0, esta é a única parte daequação que pode mudar de sinal e portanto determinar
a direção da evolução sob seleção natural.
∆p = [ZAA(WAA- W) + ½ZAa(WAa -W)]/W
= p[ZAA(WAA- W) + ½ZAa(WAa -W)]/pW
= p/W[ZAA(WAA- W) + ½ZAa(WAa -W)/p]
Pool Gênico
aq’= ZaaWaa/W + ½ZAaWAa/W
Ap’= ZAAWAA/W +
½ZAAWAa/W
O que é:
p(WAA-W)+ q(WAa-W)?
Quando ocorrerá evolução?
Fenótipo médio do valoradaptativo
O que é:
p(WAA-W)+ q(WAa-W)?
Quando ocorrerá evolução?
Desvios genotípicos para o fenótipomédio do valor adaptativo
O que é:
p(WAA-W)+ q(WAa-W)?
Quando ocorrerá evolução?O que é:
p(WAA-W)+ q(WAa-W)?
Quando ocorrerá evolução?
Freqüência com que os desvios no valoradaptativo serão encontrados na população
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Este é o excesso médio (Average Excess) do alelo Apara o fenótipo do valor adaptativo
O que é:
p(WAA-W)+ q(WAa-W)?
Quando ocorrerá evolução?
∆p = paA/W
Quando ocorrerá evolução?
Seleção Natural será uma força evolutivaquando:
p ≠ 0 ou p ≠ 1 (ou seja, quando existirvariação genética), e
aA ≠ 0 (ou seja, quando existir variaçãoherdável para o valor adaptativo
∆p = paA/W
Quando ocorrerá evolução?
Esta é a equação fundamental da SeleçãoNatural para genótipos mensurados.
Apenas o componente herdável do valoradaptativo pode promover mudançasevolutivas por seleção natural.
Para se entender seleção natural
PENSE COMO UM GAMETA!
Anemia Falciforme na África
Um exemplo de seleção natural
A mutação
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Infecção de uma hemácia peloparasita da malária
• Células falciformes são filtradaspreferencialmente no baço
• células infectadas com malária sãofreqüentemente filtradas pois o processo de“virar falciforme” ocorre antes do parasitacompletar o ciclo de vida
• O alelo S é portanto, um alelo autossômico,dominante para resistência à malária.
O fenótipo da anemia falciforme
A maioria de mortes devido a anemia falciformee malária ocorrem antes da fase adulta.
Lembrem-se que viabilidade é o fenótipo deviver até a fase adulta!
• Em um ambiente sem malária, o alelo S é um alelorecessivo para viabilidade uma vez que apenas oshomozigotos desenvolvem a anemia falciforme.
• Em um ambiente com malária, o alelo S é umalelo sobredominante para viabilidade uma vezque apenas os heterozigotos são resistentes àmalária e não desenvolvem anemia falciforme.
Distribuição de anemia falciforme e malária na África e no mundo
Duas complicações para esta simplesestória na África:
• Malária epidêmica é recente na maioria daÁfrica tropical úmida, e o processo deadaptação à malária na África ainda nãoestá em equilíbrio.
Malária epidêmica na África
MADAGASCAR
ICELAND
6
MADAGASCAR
ICELAND
Há cerca de 2000 anosatrás, uma colôniaMalásia-Indonésiaestabeleceu-se em
Madagascar
Malária epidêmica na África
Esta colôniaintroduziu a
complexaagricultura Malásia
nesta região
Malária epidêmica na África
Esta agricultura foiassimilada por povosque falavam Bantu,
e se seguiu umagrande expansão dosBantu na África hácerca de 1500 anos
atrás.
Malária epidêmica na África A agricultura Malásia na África
• É associada a uma agricultura de corte equeima: Fornece habitat e sítios de criaçãopara Anopheles gambiae, o principalmosquito vetor da malária.
• Resulta em alta densidade local depopulações humanas que são necessáriaspara estabelecer e manter malária comouma doença comum.
Malária epidêmica na ÁfricaDuas complicações para esta simples
estória na África:
• Malária epidêmica é recente na maioria daÁfrica tropical úmida, e o processo deadaptação à malária na África ainda nãoestá em equilíbrio.
• Existe um terceiro alelo, Hemoglobina C,também envolvido na adaptação à maláriana África.
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A Mutação Hemoglobina C
GAGÁcido Glutâmico
Hb-A GTGValina
Hb-S
AAGLisina
Hb-C
6o Códon
Hb-A, S e C
10.710.211Viabilidadesem Malária
SimSimNãoSimSimNãoResistência àMalária
NÃOSim
(Leve)Não
Sim(Severa)
NãoNãoAnemia
CCCSACSSASAAGenótipos
Estes valores podem ser usados como valores adaptativosrelativos
Hb-A, S e C
Os alelos A e S definem uma doença genética autossômicarecessiva: A seleção irá garantir que continue rara, mas será difícil
de eliminá-la em uma população acasalando-se ao acaso.
10.710.211Viabilidadesem Malária
SimSimNãoSimSimNãoResistência àMalária
NÃOSim
(Leve)Não
Sim(Severa)
NãoNãoAnemia
CCCSACSSASAAGenótipos
Hb-A, S e C
10.710.211Viabilidadesem Malária
SimSimNãoSimSimNãoResistência àMalária
NÃOSim
(Leve)Não
Sim(Severa)
NãoNãoAnemia
CCCSACSSASAAGenótipos
Os alelos A e C definem um conjunto de alelos neutros em umambiente sem malária: Suas freqüências são determinadas pela
deriva genética, migração e mutação.
Hb-A, S e C
1.30.70.90.210.9Viabilidadecom Malária
10.710.211Viabilidadesem Malária
SimSimNãoSimSimNãoResistência àMalária
NÃOSim
(Leve)Não
Sim(Severa)
NãoNãoAnemia
CCCSACSSASAAGenótipos
Viabilidades relativas observadas na África Tropical
Hb-A, S e C• CC é o melhor genótipo, de longe!• Se seleção natural é a “sobrevivência do
mais apto”, então a freqüência do alelo C edo genótipo CC devem aumentar.
• Ao contrário do que se diz, a seleção naturalnão é a “sobrevivência do mais apto.”
• Seleção natural é variação herdável novalor adaptativo, portanto, pense comoum gameta: Qual gameta terá o maiorexcesso médio (ou seja, terá filhos queserão em média os melhores)?
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Pool gênico inicial pré-Malária
ApA = 0.99
pS=.005 pC=.005
Valor adaptativo médio inicial apóstransição para a agricultura Malásia
ApA = 0.99
pS=.005 pC=.005
Com acasalamento ao acaso,fenótipo médio = W = 0.901
1.30.70.90.210.9Viabilidade c/Malária
CCCSACSSASAAGenótipos
.399-.201-.001-.701.099-.001Desvios genotípicos(W = 0.901)
ApA = 0.99
pS=.005 pC=.005
Fenótipos iniciais após transição para aagricultura Malásia
1.30.70.90.210.9Viabilidade comMalária
CCCSACSSASAAGenótipos
.399-.201-.001-.701.099-.001Desvios Genotípicos(W = 0.901)
aA = -0.0005aS = 0.0935aC = 0.0000
Fenótipos iniciais após transição para aagricultura Malásia
∆px = pxax/W
A resposta adaptativainicial a um ambiente commalária é:diminuir A,aumentar S,deixar C do mesmo jeito
aA = -0.0005aS = 0.0935aC = 0.0000
Fenótipos iniciais após transição para aagricultura Malásia
Pool Gênico após várias gerações deseleção em um ambiente com malária
SApA = 0.95
pC = 0.005
W = 0.907pS = 0.045
9
pC=.005
S.045
ApA = 0.95
1.30.70.90.210.9Viabilidade comMalaria
CCCSACSSASAAGenótipos
.393-.207-.007-.707.093-.007Desvios genotípicos(W = 0.907)
Pool Gênico após várias gerações deseleção em um ambiente com malária
Após a resposta adaptativainicial a malária, seleçãonatural continua adiminuir Aaumentar S, ediminuir C
aA = -0.003aS = 0.055aC = -0.014
Pool Gênico após várias gerações deseleção em um ambiente com malária
À medida que pS aumenta, W aumenta e os desviosgenotípicos ficam cada vez mais negativos. Portanto, a
seleção natural elimina o alelo C.
SpS
ApA ≈1-pS
pC ≈ 0
1.30.70.90.210.9Viabilidade c/ Malária
CCCSACSSASAAGenótipos
Pool Gênico após várias gerações deseleção em um ambiente com malária Um equilíbrio por seleção natural irá
ocorrer apenas quando ∆p = 0 para todosos alelos.
0.210.9Viabilidade c/ Malária
SSASAAGenótipos
aA = (1-pS)(0.9-W) + pS(1-W) = 0 = aS = (1-pS)(1-W) + pS(0.2-W)
SpS
ApA = 1-pS
SpS
ApA = 1-pS
aA = (1-pS)(0.9-W)+pS(1-W) = aS = (1-pS)(1-W)+pS(0.2-W)
Um equilíbrio por seleção natural iráocorrer apenas quando ∆p = 0 para todos
os alelos.
Coeficientes de Seleção (s) – mede o valor do valoradaptativo do genótipo em relação a alguma referência
SpS
ApA = 1-pS
aA = (1-pS)(0.9-W)+pS(1-W) = aS = (1-pS)(1-W)+pS(0.2-W) (1-pS)(0.9)+pS(1) = (1-pS)(1)+pS(0.2)
0.9+0.1pS = 1-0.8pS0.9pS = 0.1
pS = 0.1/0.9 = 0.11Portanto, em equilíbrio, pS = 0.11 e pA=0.89
Um equilíbrio por seleção natural iráocorrer apenas quando ∆p = 0 para todos
os alelos.
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As freqüências alélicas no equilíbrio sãomantidas por seleção natural em um
polimorfismo balanceado
SpS=0.11
ApA = 0.89
As freqüências alélicas no equilíbrio sãomantidas por seleção natural em um
polimorfismo balanceado
SpS=0.11
ApA = 0.89
Este balanço ocorre porque quando pS < 0.11, aS > 0(resistência à malária domina o excesso médio), e
quando pS > 0.11, aS < 0 (a anemia domina o excessomédio)
O equilíbrioS
pS=0.11A
pA = 0.89
No equilíbrio, existe variação genotípica novalor adaptativo, mas não existe variaçãogenética aditiva (Excessos médios = 0).
WSS=0.2WAS = 1WAA = 0.9
SS0.01
AS0.20
AA0.79
aA = p(wAA-w) + (1-p)(wAa-w) = (1-p)(waa-w) + p(wAa- w) = aa pwAA + (1-p)wAa = pwAa + (1-p)waa
(1-p) (wAa - wAA) = p(wAa -waa)
Um equilíbrio por seleção natural iráocorrer quando ∆p = 0 para todos os alelos.
Se considerarmos WAa = 1, temos que
(1-peq) t = peqs
peq = t / (s+ t)
peq = t / (s+ t)
• Seleção tem dois efeitos:– Promover mudança adaptativa– Impedir alteração ao impedir alteração do status
quo
Duas respostas possíveis à Malária
ApA ≈1
pS ≈ 0 pC ≈ 0
SpS=.11
ApA = 0.89
CpC = 1
11
ApA ≈1
pS ≈ 0 pC ≈ 0
SpS=.11
ApA = 0.89
CpC = 1
3. 20% dos indivíduos tem viabilidaderelativa de 1 e 80% ou tem anemia oususceptibilidade à malaria.
3. 100% dos indivíduos tem viabilidaderelativa de 1.3 e nenhum tem anemia oususceptibilidade à malaria.
1. O genótipo mais apto é eliminado 1. O genótipo mais apto é fixado
Duas respostas possíveis à Malária
2. Valor adaptat. médio vai de .9 a .91. 2. Valor adaptat. médio vai de .9 a 1.3.
ApA ≈1
pS ≈ 0 pC ≈ 0
SpS=.11
ApA = 0.89
CpC = 1
Duas respostas possíveis a Malária
Com uma exceção
3. 20% dos indivíduos tem viabilidaderelativa de 1 e 80% ou tem anemia oususceptibilidade à malaria.
3. 100% dos indivíduos tem viabilidaderelativa de 1.3 e nenhum tem anemia oususceptibilidade à malaria.
1. O genótipo mais apto é eliminado 1. O genótipo mais apto é fixado
2. Valor adaptat. médio vai de .9 a .91. 2. Valor adaptat. médio vai de .9 a 1.3.
Hb-A, S e C
10.710.211Viabilidadesem Malaria
CCCSACSSASAAGenótipos
S é um alelo recessivo,deletério em relação aA, portanto, seleçãonatural irá mantê-lo
raro em um ambientepré-Malária.
Hb-A, S e C
10.710.211Viabilidadesem Malária
CCCSACSSASAAGenótipos
C é um alelo neutro emrelação a A, logo,
algumas vezes o aleloC terá sua freqüência
aumentada por deriva.
Imagine que existisse um deme com estepool gênico antes da agricultura começar
C.045
ApA = 0.95
pS=.005
1.30.70.90.210.9Viabilidade com Malaria
CCCSACSSASAAGenótipos
.398-.202-.002-.702.098-.002Desvios genotípicos(W = 0.902)
Fenótipos iniciais após transição para aagricultura Malásia
aA = -0.001aS = 0.081aC = 0.015
A resposta adaptativa inicial aum ambiente com malária é oaumento da freqüência de S ede C.
12
C0.17
S.05
ApA = 0.78
1.30.70.90.210.9Viabilidade com Malária
CCCSACSSASAAGenótipos
.39-.21-.01-.71.09-.01Desvios Genotípicos(W = 0.914)
Pool Gênico após várias gerações deseleção em um ambiente com malária
Após a resposta adaptativainicial à malária, a seleçãonatural continua a reduzirA, aumentar C, e agoratambém irá reduzir S.
aA = -0.009aS = -0.005aC = 0.044
Pool Gênico após várias gerações deseleção em um ambiente com malária
o.o
o.o5
o.15
0.20
0.25
0.10
o.o o.o5 0.10 o.15
S Allele Frequency in 72 West African Populations
C Allele
Frequency
Existe uma correlação negativa entre as freqüênciasde S e C em regiões com malária na África
Excesso médio de C em ambiente commalária
Excesso médio de C em ambiente commalária
13
Adaptação por seleção natural
Adaptação por seleção natural depende da história:
Quais mutações estão presentes e quais suas freqüências.
Destas condições iniciais, a seleção natural modifica opool gênico a partir da perspectiva do gameta até que nãohaja mais herdabilidade para o valor adaptativo (ou seja,não exista mais variação genética aditiva).
Adaptação por seleção naturalAdaptação por seleção natural depende também dopresente:
Quais mutações estão presentes, quais suas freqüências ecomo eles se encontram (sistema de acasalamento).
Como vocês esperam que este sistema se adapte à maláriacaso não haja acasalamento ao acaso, e sim uma pequenaendogamia?
Como vocês esperam que este sistema seadapte caso não haja acasalamento ao acaso,
e sim uma pequena endogamia?
1.30.70.90.210.9Viabilidadecom Malária
10.710.211Viabilidadesem Malária
SimSimNãoSimSimNãoResistência àMalária
NÃOSim
(Leve)Não
Sim(Severa)
NãoNãoAnemia
CCCSACSSASAAGenótipos
Como vocês esperam que este sistema seadapte caso não haja acasalamento ao acaso,
e sim uma pequena endogamia?
• Como vimos, a existência de endogamia aumenta afreqüência de homozigotos e diminui a deheterozigotos na população.
• A vantagem do alelo S se expressa em heterozigose e adesvantagem em homozigotos SS, logo, um aumentoda endogamia aumentará a seleção contra S
• Por outro lado, a vantagem do alelo C se expressa emhomozigose e a desvantagem em heterozigotos, logo,um aumento da endogamia aumentará a seleçãofavorável a C
Adaptação como um processo poligênico
• Variação na região de Hbβ foi uma forma daspopulações se adaptarem à malária, mas não foi aúnica.
• Mais de 300 mutações independentes foramidentificadas para G6PD, que está envolvida emestresse oxidativo celular. Tais deficiências limitamcapacidade de Plasmodium de sobreviver nas células.
• Mutações associadas à talassemia também foramassociadas à resistência a malária. Mais de 80mutações induzem à α- talassemia e mais de 200 a β- talassemia.
Adaptação por Seleção Natural
• O curso da adaptação é sempre restrito peladisponibilidade de variação genética.
• Mesmo pressões de seleção uniformes podem criarrespostas adaptativas diferentes.
• Adaptação em geral envolvem vários loci, comfunções bioquímicas, celular e/ou nodesenvolvimento distintas.
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