Ensaio
Theme: A Teoria Neutra da Evolução Molecular é o paradigma evolutivo contemporâneo?
Title: Genetic polymorphism and drift
Genetic polymorphisms are variations in the sequence of bases of DNA (molecule of storage and transmission of genetic information) between individuals in the same population (Futuyma & Kirkpatrick 2017). The DNA of eukaryotic organisms contains high levels of polymorphisms (Kimura 1968). However, polymorphisms are unevenly distributed along the DNA sequence (e.g., Johri et al. 2017; Lynch et al. 2017). For example, observations of eukaryotic genomes demonstrate that polymorphisms are more frequent in DNA regions that do not code amino acids (introns) or result in chemically and functionally similar amino acids (e.g. Kreitman 1983) (Figure 1). This feature is so pervasive in organisms that it can be explained by a general mechanism of evolution (Futuyma & Kirkpatrick 2017).
The high level of polymorphisms in DNA is due to the action of genetic drift on selectively neutral mutations (Kimura 1968). Neutral mutations are changes in the DNA bases that do not alter the amino acid sequence produced by the modified gene (synonymous mutations) or changes in introns (Futuyma & Kirkpatrick 2017) (Figure 1). Therefore, neutral mutations do not impact the survival and reproduction capacity (fitness) of organisms (Futuyma & Kirkpatrick 2017). These mutations are selectively neutral because they are undetectable by natural selection (Kimura 1968). Natural selection is an evolutionary force, i.e., it changes the allelic frequency of a population over generations, capable of acting only on mutations that affect fitness (Darwin 1959). Therefore, neutral mutations are free from the action of natural selection and their fate in the population depends on another evolutionary mechanism, nominated genetic drift (Kimura 1968; King e Jukes 1969).
Genetic drift is an evolutionary mechanism that randomly changes the allelic frequencies of a finite-sized population over generations (Masel 2011). The action of genetic drift is independent of the adaptive value conferred by a mutation (Futuyma & Kirkpatrick 2017). Thus, selectively neutral mutations are free from natural selection and can spread through the population due to the action of genetic drift, contributing to high levels of genetic polymorphisms (Kimura 1968; King & Jukes 1969).
Observations of the high incidence of polymorphisms contributed to the development of the neutral theory of molecular evolution (Kimura 1968). Natural selection alone can not explain the high levels of polymorphism, contrary to what was supposed before the wide acceptance of the neutral theory (e.g., Ford 1985). The neutral theory demonstrated that most polymorphisms within species are due to the action of gene drift acting on selectively neutral mutations (Kimura 1979). This deduction recognized the random action of genetic drift on evolutionary change and and today it is one of the foundations of the modern synthesis of evolution (Futuyma & Kirkpatrick 2017).
Figure 1. Base changes in the DNA sequence. (a) Four coding regions (exons) highlighted in green are separated by three non-coding regions (introns) highlighted in blue. Vertical lines show the positions of 43 DNA polymorphisms. Of these, 26 occur in non-coding regions. Of the 17 polymorphisms that are in coding regions, only 1 of them (shown by the red triangle) causes an amino acid change. (b) Example of synonymous and nonsynonymous mutations in a DNA sequence. Synonymous changes do not change the amino acids in a protein, but nonsynonymous changes do. At the top, a DNA sequence from the beta-hemoglobin gene. Symbolized below is the amino acid that the gene encodes. Change from GAG to GAA does not alter the amino acid (synonymous mutation). Change from GAG to GTG changes the gene-encoded amino acid (non-synonymous mutation), which results in sickle cell disease (harmful mutation). Adapted from Futuyma & Kirkpatrick (2017).
References
DARWIN, Charles. On the origin of species by means of natural selection, or the preservation of favoured races in the struggle for life. London, 6th edition, (1859).
Ford, E. B. (1975). Ecological genetics Chapman and Hall. London.
Futuyma, D., & Kirkpatrick, M. (2017). Evolution. Sinauer. Sunderland, MA.
Johri, P., Krenek, S., Marinov, G. K., Doak, T. G., Berendonk, T. U., & Lynch, M. (2017). Population genomics of Paramecium species. Molecular biology and evolution, 34(5), 1194-1216.
Kimura, M. (1968). Evolutionary rate at the molecular level. Nature, 217(5129), 624-626.
Kimura, M. (1968). Genetic variability maintained in a finite population due to mutational production of neutral and nearly neutral isoalleles. Genetics research, 11(3), 247-270.
King, J. L., & Jukes, T. H. (1969). Non-Darwinian evolution. University of California, Berkeley, 94720, 735.
Kreitman, M. (1983). Nucleotide polymorphism at the alcohol dehydrogenase locus of Drosophila melanogaster. Nature, 304(5925), 412-417.
Lynch, M., Gutenkunst, R., Ackerman, M., Spitze, K., Ye, Z., Maruki, T., & Jia, Z. (2017). Population genomics of Daphnia pulex. Genetics, 206(1), 315-332.
Masel, J. (2011). Genetic drift. Current Biology, 21(20), R837-R838.
Desenvolvimento
Dia 1
Opção 1: Outline geral
1. Evolução darwiniana x evolução não darwiniana
2. Importância da elucidação da SN para a teoria evolutiva
3. Definir SN
4. Não é a única força evolutiva
5. Teoria neutra da evolução molecular (Kimura)
6. Flores e seleção mediada pelos polinizadores (e.g. cores)
7. Mecanismos não adaptativos envolvidos na variação da cor das flores
8. Fechamento
Opção 2: Outline geral
Título: The null hyphothesis of molecular evolution: Neutral theory as underlying basis of natural selection tests
1. A teoria neutra da evolução fornece uma estrutura teórica para o desenvolvimento de métodos que detectam a ação da seleção natural (Kimura 1968, 1991; King & Jukes 1969).
2. Esta teoria afirma que a maioria das mudanças evolutivas são causadas pela fixação aleatória de mutações neutras ou quase neutras e não apenas pela seleção natural atuando em mutações adaptativas.
3. Mutações adaptativas e SN
4. SN, como demonstrado pela teoria neutra, não é o único fator que gera alterações na frequência alélica ao longo das gerações.
5. Dados apresentados por Kimura 1968
6. Não nega a ação da seleção natural, mas apenas uma pequena fração das mudanças moleculares (em termos de DNA e proteínas) são adaptativas e selecionadas pela SN.
7. Fornece um arcabouço teórico e testável para identificar se o padrão evolutivo difere da expectativa neutra.
8. Parágrafo 2 (desenvolvimento)
9. Parágrafo 3 e 4 exemplos empíricos do uso da teoria neutra (como H0) detectando ou não a seleção natural.
10. Finalização - contribuição da teoria neutra para o desenvolvimento do pensamento evolutivo (Duret 2008)
Dia 2
Novo tema: Genetic Polymorphisms and Drift
1. Definição de polimorfismos
2. Distribuição desigual de polimorfismos ao longo do genoma (Figura 1)
3. Deriva genética sobre mutações seletivamente neutras
4. Outline detalhado do último parágrafo:
- As observações de polimorfismos de proteínas levaram ao desenvolvimento da Teoria Neutra da Evolução Molecular
- O alto nível de polimorfismos genéticos não poderia ser explicado apenas pela ação da seleção natural
- A teoria propõe que a maioria dos polimorfismos dentro das espécies se deve a ação da deriva gênica atuando em mutações seletivamente neutras
- Isso reconheceu a ação aleatória da deriva genética nas mudanças evolutivas e hoje compõe uma das bases da teoria evolutiva
Dia 3
Título: Polimorfismo genético e deriva
Parágrafo 1: O que é um polimorfismo genético? Quais são suas principais características em relação à ocorrência nos organismos e distribuição ao longo do genoma?
Polimorfismos genéticos são variações na sequência de DNA entre os indivíduos de uma mesma população (Futuyma & Kirkpatrick 2017). O DNA de organismos eucariontes contém grande quantidade de polimorfismos (Kimura 1968a). No entanto, polimorfismos são distribuídos de maneira desigual ao longo da sequência de DNA (e.g. Johri et al. 2017; Lynch et al. 2017). Por exemplo, observações de genomas eucarióticos mostram que polimorfismos são mais frequentes em regiões do DNA que não codificam aminoácidos ou resultam em aminoácidos química e funcionalmente semelhantes (e.g. Kreitman 1983) (Figura 1). Essa característica é tão comum entre indivíduos de uma população que pode ser explicada por um mecanismo geral de evolução (Futuyma & Kirkpatrick 2017).
Parágrafo 2: O que são mutações neutras? Por que estão sujeitas aos efeitos da deriva?
O alto nível de polimorfismos no DNA se deve a ação da deriva genética sobre mutações seletivamente neutras (Kimura 1968b). Mutações seletivamente neutras são mudanças de base nitrogenada no DNA que não alteram a sequência de aminoácidos produzida pelo gene modificado (mutações sinônimas) ou mudanças em regiões do DNA que não codificam aminoácidos (i.e., introns) (Futuyma & Kirkpatrick 2017). Portanto, mutações seletivamente neutras não alteram a capacidade de sobrevivência e reprodução (i.e., fitness) dos organismos (Futuyma & Kirkpatrick 2017). A seleção natural atua apenas em mutações que afetam o fitness do seu portador. Como resultado, mutações seletivamente neutras não são percebidas pela seleção natural e estão sujeitas à ação de outra força evolutiva, a deriva genica (Kimura 1968b, King 1969).
Parágrafo 3: Como a deriva genética atua sobre mutações neutras e porque é a força responsável pela manutenção de polimorfismos?
Deriva gênica é um mecanismo evolutivo que altera as frequências alélicas (i.e., ) de uma população de tamanho finito ao longo das gerações devido ao efeito do acaso (). Uma vez que a ação da deriva genética é independe do valor adaptativo conferido por uma mutação, mutações seletivamente neutras são livres para se espalhar pela população e contribuem para os altos níveis de polimorfismos genéticos observados entre indivíduos de uma população ().
Parágrafo final: Polimorfismos, deriva genica e a teoria neutra para a evolução.
A alta incidência de polimorfismos no nível proteína foi uma das observações que levou ao desenvolvimento da Teoria Neutra da Evolução Molecular (Kimura 1968). A alta variabilidade genética intrapopulacional não poderia ser explicada apenas pela seleção natural, como anteriormente era suposto (e.g. Ford). A teoria demonstrou que a maioria dos polimorfismos dentro das espécies se deve a ação da deriva gênica atuando em mutações seletivamente neutras. Essa dedução reconheceu a ação aleatória da deriva genética nas mudanças evolutivas e hoje compõe uma das bases da teoria moderna da evolução (Futuyma & Kirkpatrick 2017).
Autoavaliação
A disciplina cumpriu minhas expectativas. Especificamente, eu esperava ter contato com os conceitos canônicos que permeiam a reconstrução histórica e finalizei a disciplina com o referencial teórico que acredito ser a base necessária para me aprofundar nos assuntos do meu interesse. Adicionalmente, desenvolvi habilidades de escrita e durante as atividades troquei bastante conhecimento com os colegas de classe, o que extrapolou minhas expectativas. No entanto, apresentei dificuldades para conciliar as tarefas de escrita e leitura da bibliografia recomendada, apesar da dedicação de tempo considerável fora do horário de aula para essas atividades. Essa dificuldade poderia ter sido superada com preparo prévio ainda maior fora dos períodos recomendados pelo professor. Assim, poderia ter participado mais ativa e profundamente das discussões durante as aulas. Fundamentada nesses pontos, como autoavaliação sugiro 0.9.