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Evoluzione Molecolare
Studia le velocità e il tipo di sostituzioni che
avvengono nel materiale genetico e nei suoi
prodotti.
2
EVOLUZIONE MOLECOLARE
DIMENSIONE TEMPO
pura descrizione
meccanismi evolutivi
DINAMICA
CINEMATICA
OBIETTIVI

• individuazione delle costrizioni funzionali
• comprensione dei processi evolutivi
• studi filogenetici, relazioni tassonomiche

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EVOLUZIONE MOLECOLARE

• Geni
• Genomi
• Organismi

4
EVOLUZIONE MOLECOLARE
inter taxa inter phyla inter specie intra
specie
Livelli di analisi
5
EVOLUZIONE MOLECOLARE
geni ortologhi geni paraloghi altre regioni
(non codificanti, regolatorie) genomi completi
Scelta delle sequenze
6
b
a
duplicazione genica
speciazione
speciazione
ortologia e paralogia
gene ß 1
gene ß 2
gene a 1
gene a 2
specie 1
specie 2
7
Evoluzione della famiglia genica della
beta-globina umana
Embrionale Fetale Pseudogene
Adulta
e g1 g2 yh
d b
3
5
0
100
200
duplicazione genica
Mya
8
Mutazioni
- transizioni - transversioni

• sostituzioni nucleotidiche
• delezioni
• inserzioni
• inversioni

A
C
T
G
9
IPOTESI DELL OROLOGIO MOLECOLARE
Zuckerkandl and Pauling (1962)
10
OROLOGIO MOLECOLARE
sostituzioni/sito
tempo
11

• Alcuni geni (o gruppi di geni) possono evolvere
  sotto distinte pressioni evolutive dettate da
  costrizioni funzionali peculiari di un
  particolare lineage
• Geni provenienti da compartimenti distinti (es.
  mitocondrio, nucleo) possono evolvere secondo
  differenti pressioni evolutive
• I geni possono mostrare un bias composizionale
  in alcuni lineage

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A
C
T
G
A
Sequenza ancestrale
A
C
G
T
tempo
A
A
C
G
C
sostituzione singola
T
sostituzione multipla
T
A
sostituzioni coincidenti
G
G
sostituzione convergente
T
A
Sequenze discendenti
A a T G g A C G T A a C G C
Confronto delle
sequenze attuali
t C T G g A C G T A A C G C
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Tipi di sostituzioni nucleotidiche
sostituzione singola 1 cambio, 1 differenza
sostituzione multipla 2 cambi, 1 differenza
sostituzione coincidente 2 cambi, 1 differenza
A
C
T
A
G
C
C
T
A
C
A
C
A
G
A
C
A
A
A
sostituzione parallela 2 cambi, 0 differenze
sostituzione convergente 3 cambi, 0 differenze
retro-sostituzione 2 cambi, 0 differenze
C
C
T
T
A
A
C
T
C
A
A
C
A
C
A
T
A
C
A
C
A
A
A
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EVOLUZIONE MOLECOLARE
deterministici basati sulla osservazione dei
caratteri
Modelli
stocastici (probabilistici dipendenti dal
tempo) basati sulla misura delle diversità
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p53a.msf MSF 422 Type P September 20, 1995
1141 Check 5970 ..
Name mouse Len 422 Check 3385
Weight 1.00
Name rat Len 422 Check 877
Weight 1.00
Name hamster Len 422 Check 2423
Weight 1.00
Name
g_monkey Len 422 Check 6876 Weight
1.00
Name
r_monkey Len 422 Check 7388 Weight
1.00
Name human Len 422 Check 6515
Weight 1.00
Name cow Len 422 Check 4340
Weight 1.00
Name sheep Len 422 Check 9625
Weight 1.00
Name cat Len 422 Check 496
Weight 1.00
Name chicken Len 422 Check 6526
Weight 1.00
Name
xenopus Len 422 Check 9659 Weight
1.00
Name trout Len 422 Check 7860
Weight 1.00
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Modelli Stocastici

• Jukes Cantor
• Kimura

• Markov

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Jukes Cantor
t
t 1
B
1-
l
q
t
C
1-
l
t
t 1
B
l / 3
1-
l
1-q
t
C
1-
l
l / 3
3
4
æ
ö
ˆ
d

-
ln
1
-
p
è
ø
4
3
18
Kimura
1


(
)
-
-
-
Q
Q
P
2
1
2
1
ln
2
dove P e Q rappresentano rispettivamente la
frequenza osservata delle transizioni e delle
transversioni
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Modello Stazionario di Markov
Nessuna assunzione a priori sulla matrice delle
distanze ma semplice verifica della condizione di
stazionarietà

• Proprietà

Misura accurata delle fluttuazioni
statistiche (Simulazione con il metodo del
Bootstrap)
C. Saccone, C. Lanave, G. Pesole and G.
Preparata Methods in Enzymology (1990). Vol. 183,
pp. 570 - 583
20
Modello Stazionario di Markov
test di stazionarietà

i,j A, C, G, T
21
Modello Stazionario di Markov

• Algoritmo

Modello stocastico basato su una catena di Markov
che attraverso lequazione differenziale di
Kolmogorov
4
d
Pik(T) ?
Pir (T)
Rrk
dT
r i
C
A
calcola la matrice delle velocità 4x4 R,
indipendente dal tempo, che descrive il processo
di sostituzione nucleotidica
G
T
C. Saccone, C. Lanave, G. Pesole and G.
Preparata Methods in Enzymology (1990). Vol. 183,
pp. 570 - 583
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Alberi filogenetici

• Albero ltgt Grafo
• Topologia nodi rami
• Un albero descrive le relazioni fra ancestore e
  discendenti
• I nodi sono le unità tassonomiche
• Nodo ancestrale e Nodi Intermedi (UT o TU)
• Nodi Terminali (UTO o OTU) specie, geni,
  popolazioni o individui

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Alberi filogenetici

• Alberi con radice o rooted
• ? ancestore gt percorso univoco da ancestore a
  OTU
• Alberi senza radice o unrooted
• La radice è localizzata all interno di un
  ramo che congiunge le specie in esame con
  loutgroup

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Esempio di albero Rooted (con radice)
UOMO
MUCCA
TOPO
25
Alberi filogenetici

• Alberi con radice o rooted Alberi quantitativi
• ? La lunghezza dei rami è direttamente
  proporzionale ai tempi di divergenza fra le UT
• Orologio Molecolare

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Esempio di albero Unrooted (senza radice)
A
D
1
3
E
2
B
C
1-3 Nodi dellalbero A-E OTU
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Alberi filogenetici

• Alberi senza radice o unrooted Alberi
  qualitativi
• ? Descrivono semplicemente le relazioni evolutive
  fra le UT

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Alberi filogenetici

• Alberi basati sullo stato dei caratteri
• - Massima Parsimonia

- Massima Verosimiglianza

• Alberi basati sulla misura delle distanze
• - UPGMA

- Neighbor - Joining
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Alberi filogenetici

• Metodi basati sulla Misura delle distanze
• - UPGMA (albero con radice applicabile solo se
  rispettato lorologio molecolare)
• Lunghezza dei rami proporzionale ai tempi di
  divergenza
• - Neighbor Joining (albero senza radice quando
  non è rispettato lorologio molecolare)
• Differente velocità nei diversi rami

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Tempo di divergenza fra due specie tempo
impiegato nel processo di speciazione, ovvero
tempo dellisolamento riproduttivo
T1
KAC KBC
T1

4r
T2
KAB
T2

A
B
C
2r
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Metodi Deterministici

• Massima Parsimonia

Sito 2
Sito
Sito 3
Sequenza 1 2 3 4
Sito 5
Sito7
Sito 9
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Alberi filogenetici

• Alberi fenetici (fenogrammi) descrivono le
  relazioni fra le specie sulla base delle
  diversità o somiglianze morfologiche, molecolari
  e anatomiche
• Alberi cladistici (cladogrammi) descrivono le
  relazioni di discendenza tra un gruppo di specie
• Se lorologio molecolare è rispettato
• Alberi cladisticiltgt Alberi fenetici

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Alberi filogenetici

• Alberi con radice o rooted
• NR (2n-3)!/2 (n-2) (n-2)!
• Alberi senza radice o unrooted
• NV (2n-5)!/2 (n-3) (n-3)!

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Alberi filogenetici

• I dati per la costruzione degli alberi
  filogenetici un solo gene puo essere
  sufficiente?
• Quasi mai
• Soluzione
• Analizzare piu di un gene
• Effettuare una stima della significatività
  statistica degli alberi ottenuti

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Alberi filogenetici

• Perche ?
• Per ricostruire la storia evolutiva delle
  specie o delle popolazioni in esame
• Tempo di divergenza fra 2 specie tempo
  impiegato nel processo di speciazione ovvero
  dellisolamento riproduttivo

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Alberi filogenetici
I dati per la costruzione degli alberi
filogenetici un solo gene può essere
sufficiente? Quasi mai Perche?
Paralogia e ortologia dei geni Evoluzione
concertata (famiglie geniche) Pressione
mutazionale direzionata Trasferimento
orizzontale di un gene (dai batteri alle
piante) Polimorfismo Fluttuazioni
statistiche
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EVOLUZIONE MOLECOLARE
38
EVOLUZIONE MOLECOLARE
approcci molecolari
Congruenza metodologica
approcci molecolari/non molecolari
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EVOLUZIONE MOLECOLARE
nucleari
molecolari
mitocondriali
Congruenza sul tipo di dati
morfologici
resti fossili
40
EVOLUZIONE MOLECOLARE
Genomi completi
Congruenza
Regioni regolatorie/codificanti
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EVOLUZIONE MOLECOLARE
sequenziamento
Limiti
analisi
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Sequenziamento limiti

• Studi incentrati su specie ampiamente studiate

• Assenza (o scarsa presenza) di sequenze relative
  a specie rilevanti per gli studi filogenetici

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Analisi limiti

• Omoplasia rumori di fondo causati da
  sostituzioni multiple, processi di sostituzione
  condizionati (perdita della condizione di
  stazionarietà), processi selettivi, ecc.
• Geni diversi possono seguire differenti storie
  evolutive nello stesso gruppo di specie
• Mancanza di riconoscimento di geni paraloghi nel
  campione in esame

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A gene tree can be accepted or rejected only in
its entirety as an estimate of the species tree,
and it is not legitimate to dissect out pieces or
a cladogram as support for a favored hypothesis
while rejecting the phylogenetic implication of
the rest of the tree.
Ruvolo and Koh, Mol. Phyl. Evol 5 439-440 (1996)
45
bootstrap
46
(No Transcript)