Objetivos da Unidade Curricular

Os resultados expectáveis da aprendizagem dos alunos nesta cadeira, a este nível de formação, estão relacionadas com a aquisição de conhecimentos específicos e operacionais de Filogenética, concretamente com a capacidade de autonomamente analisar, por vários métodos, e interpretar resultados de sequências de DNA. Pretende-se ainda estimular a curiosidade dos alunos em relação à actividade científica e promover a sua capacidade de formulação de questões. 

Pretende-se também fornecer bases teóricas e práticas que permitam vir a exercer uma actividade no âmbito da investigação na área da Filogenética. Procura-se ainda dar competências abrangentes relacionadas com a capacidade de crítica, análise e discussão de ideias, cultivando o espírito científico com consequente desenvolvimento da capacidade de identificar problemas pertinentes. Por último pretende-se que os alunos desenvolvam competências no âmbito das técnicas de apresentação e divulgação da actividade científica. 

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Pré-requisitos

Sem pré-requisitos

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Conteúdos

Breve perspectiva histórica sobre as origens da filogenética e do estudo da evolução molecular. Revisão de conceitos básicos sobre a organização do genoma, estrutura e função dos genes, códigos genéticos e tipos de mutações. Princípios básicos da análise filogenética: tipos de evolução de caracteres, homologias e homoplasias, tipos de árvores, tipos de dados passíveis de análise entre outros. Métodos de inferência filogenética. Métodos de parcimónia, de distancias, de máxima verosimilhança e bayesianos. Modelos de evolução molecular. Taxas e padrões de substituição. Métodos de selecção de modelos. Análises simultâneas com modelos distintos. A análise conjunta de dados moleculares e morfológicos. Algoritmos de busca e optimização de soluções. Buscas exaustivas e heurísticas. Análise da robustez das árvores filogenéticas e das suas componentes. Testes de hipótese de relação filogenética.

 

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Descrição detalhada dos conteúdos programáticos

Componente Teórica

O curso teorico divide-se em cinco grandes componentes de duração variavel, que abordam de forma compreensiva
Na primeira parte são referidos os seguintes conceitos:

i) Breve história e Introdução á Filogenetica.
ii) Parsimonia e distancias.
iii) Modelos de evolução e Inferencia de Maxima Verosimelhança
IV) Inferencia Bayesiana
V) Miescelania

Em seguida são descritos detalhadamente cada um dos cinco tópicos:

i)    Breve história e Introdução á Filogenética

O que é e para que serve a Filogenetica. Com que dados se faz análise filogenetica. Sequencias de DNA como o matreial de eleição para fazer análise filogenética.  . Os nucleotidos sua composição e variações nas bases.  O processo de sequenciação manual, o método de Sanger. A sequenciação automática em gel e em capilar. A Next generation of sequencing technology.  
O DNA mitocondrial – caracteristicas e limitações. Porque foi o marcador dominante na análise filogenética. Os genes mais utilizados de DNA mitocondrial, suas propriedades e critérios de selecção para estudos filogenéticos. Comperação DNA mitocondrial em animais e plantas e o cpDNA. Compração com genes nucleares. As bases de dados de sequencias de DNA.  

Henning,  Cavalli-Sforza e Edwards e a origem da filogenética nos anos 50 e 60.Noções básicas de filogenetica: Tipos de árvores, ramos, otus, politomias, raizes, outgroups. Terminologia cladistica: grupos monofiléticos, parafiléticos e polifiléticos. Homologia e homoplasia, plesiomorfias ,apomorfias, simplesiomorfias, autopomorfias. Evolução convegente e paralela.
Árvores de genes e árvores de espécies.
Alinhamentos: rational e algoritmos e aplicações práticas. Needleman-Wunsch, Smith-Waterman. BLAST e Clustal como as aplicações mais usadas. O novo software de alinhamento. Exemplos numéricos. Penalidades de abertura e extensão de gaps.
 
ii) Parsimonia e distancias.

Inferencia filogenética . Parsimonia : racional e exemplos. Àrvores de consenso: diferentes métodos e respectivos problemas. O método por  majority rule. Os problemas com a parsimonia, o long branch atraction. Decay e Ensemble indices.
O médodo das distancias, rational e aplicações. Os algoritmos de UPGMA e Neigbour-Joining. Similaidades versus relações evolutivas.


iii) Modelos de evolução e Inferencia de Maxima Verosimelhança


Substituição de nucleotidos, modelos de substituição e selecção de modelos.

Substituição de nucleotidos,  multiple hits, back substitutions. Saturação.
Tipos de substiuições e velociades diferentes de saturação. Matriz de probabilidade de substituição. Substituições assumidas como um processo em cadeias de Markov. Vectores de composição das bases em equilibrio. Modelo de Jukes-Cantor, Kimura 2-parameters, Felsenstein 1981, HKY 1985 e GTR. Pressupostos dos modelos. A distribuição gamma de susbtituição de nucleotidos.
A selecção de modelos.  O software Modeltest. Métodos de selecção de modelos: Likelihood ratio test, Akaike information Criterio, Bayesian Information Criterio.

Inferencia por Maxima Verosimelhança

A explicação mais provavel para os dados observados. A probabilidade de obtenção das sequencias dada uma certa hipótese filogenética. Condições para a realização de inferencia filogenetica: o modelo de evolução, as sequencias e as árvores. Pressuposto da evolução independente entre sites e entre linhagens.
O cáculo do likelihood, exemplo.


 
IV) Inferencia Bayesiana

Principios básicos de estatistica bayesiana. Aplicação da estatistica bayesiana a inferencia filogenética. Os priors os likelihoods e as posterior probabilities. The acceptance ratio. A cadeias de Markov Monte Carlo. Importance sampling. Burn-in e a fase estacionária. Metropolis coupled. O MCMMC ou MC3. Cadeias quentes e frias.
Discussão entre a Inferencia de maximo verosimelhança e a inferencia bayesiana.


V) Miescelania


Bootstrap e bootstrap parametrico. Aplicações do teste de Likelihood ratio. O teste ILD, o teste Kishino-Hasegawa e Shimodaira-Hasegawa.
Métodos de busca das árvores optimas. Busca exaustiva, busca heuristica, e branch-and-bound.
Métodos de busca heuristica: adição sequencial, decomposição em estrela, e troca de ramos.
Métodos de troca de ramos: NNI, TBR e SPR.
Métoso dos quartetos.

 

Componente Teórica-Prática

Introdução às bases de dados de armazenamento de sequencias de DNA e aminoácidos. Pesquisa e downloads dos itens pretendidas. Formação de matrizes de análise. Análise de dados de acordo com os métodos e tópicos abordados nas aulas teóricas.
A utilização do software Bioedit, Clustal, Mega, Concatenator. Os formatos Fasta, Nexus, phylip, mega.
Iniciação ao software PAUP e MrBayes.  Uso do software the escolha de modelos Jmodeltest, Modletest e MrModeltest.

 

Componente Prática

não se aplica

 

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Bibliografia

Recomendada

Felsenstein J (2004). Inferring Phylogenies. Sinauer Associates, Inc., Sunderland.
Lemey P, Salemi M, Vandamme AM. (2009).The Phylogenetic Handbook: A Practical Approach to Phylogenetic Analysis and Hypothesis Testing. Cambridge University Press.

 

Outros elementos de estudo

Ficheiros pdf disponibilizados na página da cadeira, com síntese da matéria das aulas

 

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Métodos de Ensino

As aulas teóricas são essencialmente informativas, com recurso a datashow. São aulas essencialmente informativas, abrangendo vários assuntos da área da Filogenética. Nas aulas teórico-praticas é administrado um ensino em salas dotadas de computadores, em que os alunos aprendem a resolver exercícios, analisar e interpretar dados de sequencias de acordo com os métodos aprendidos nas aulas teóricas. É ainda feita a discussão de artigos científicos por toda a turma teórico-prática

 

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Métodos de Avaliação

A avaliação é realizada em estreita relação com as várias componentes de ensino ministradas. Um exame sobre a matéria teórica avalia sobretudo a capacidade de retenção e interpretação da informação ministradas nas aulas teóricas e constitui 50% da nota final do aluno. O exame prático avalia a componente teórico-prática da cadeira e consiste num exame individual realizado em computador e semelhante aos exercícios das aulas teórico-práticas, constituindo 50% da nota final.

 

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Língua de ensino

A lingua de ensino é o Portugues, contudo muitos dos slides apresentados nas aulas reproduzem artigos ou figuras cujas legendas estão em ingles