O DRD4 é um dos genes mais variáveis do genoma humano. Seu terceiro éxon contém um polimorfismo do tipo VNTR de 48 pb cujas variantes apresentam uma grande diversidade em populações humanas. Além disso, interno ao VNTR, muitos polimorfismos do tipo SNPs são observados, totalizando 74 diferentes haplótipos descritos em humanos até o momento. O alelo de sete repetições do VNTR é descrito como o mais freqüente em populações nativas da América do Sul e possivelmente esteja sob efeito de seleção positiva. Como o DRD4 tem sido considerado gene candidato em diversos estudos de associação com doenças psiquiátricas e como os nativos da América do Sul constituem um dos três grupos parentais das populações atuais desse continente, é importante que a variabilidade nesse locus seja conhecida nessas populações. Neste estudo foi avaliada a variabilidade genética do terceiro exon do gene DRD4 em 172 indivíduos das populações Kaingang e Guarani do centro-sul do Brasil. Além disso, o seqüenciamento do alelo 7R foi realizado em indivíduos homozigotos para esse alelo. Foram adicionados os dados da literatura relativos a outras populações para o mesmo polimorfismo objetivando re-avaliar a variabilidade genética deste locus na América do Sul. As análises incluíram 18 populações, totalizando 568 indivíduos. A freqüência do alelo 7R observada nas populações Kaingang e Guarani foi intermediária às observadas em populações amazônicas e às populações nativas da Argentina. A análise dos haplótipos obtidos pelo seqüenciamento revelaram que as populações Kaingang e Guarani-Kaiowá apresentam apenas o haplótipo mais comum na populações mundiais, enquanto que na população Guarani-Ñandeva foram identificados três haplótipos, um deles já descrito exclusivamente nos Suruí. A relação genética por distância DA indicou que populações classificadas como caçadoras-coletoras são mais próximas entre si, formando um agrupamento separado das populações classificadas como predominantemente agriculturalistas. Corroborando esses resultados, o Teste Exato de Fisher revelou um excesso de alelos 7R nas populações predominantemente caçadoras-coletoras quando comparadas às agriculturalistas e a freqüência do alelo 7R apresentou correlação positiva com a latitude, evidenciando uma maior freqüência do alelo 7R no norte, onde estão localizadas a maioria das populações caçadoras-coletoras estudadas. Nossos resultados apresentam uma evidência indireta da atuação da seleção natural no gene DRD4. É possível que esse gene tenha influenciado o comportamento das populações nativo-americanas, tendo sido vantajoso naquelas populações em que o comportamento exploratório e a caça e a coleta foram predominantes. Estudos envolvendo um maior número de populações caçadorascoletoras ao sul do continente seriam necessários para melhor entender os padrões observados na América do Sul em relação ao DRD4. / DRD4 is one of the most variable genes in the human genome. Its third exon presents a VNTR polymorphism of 48 bp. Furthermore, SNPs were observed into repeats, composing at least 74 different haplotypes variants until now. The seven repeat (7R) allele is the most frequent in South America Amerindian populations and may be under positive selection. DRD4 is a candidate gene for many association studies between psychiatric disorders and genetics. Then, it is important to study the variability of this locus in Amerindian populations because they represent one of three parental groups of admixed populations in South America. In this study, the genetic variability concerning this locus was studied in 172 subjects from Kaingang and Guarani populations of Brazilian Center-SE. Furthermore, all 7R homozygous individuals were sequenced. The results were integrated with those published, aiming to re-evaluate DRD4 variability into South America. 18 populations and 568 individuals were integrated to the analysis. The observed frequency in Kaingang and Guarani populations were intermediate between those reported in the Amazon region and in Argentina. The sequence data revealed that Kaingang and Guarani-Kaiowá were monomorphic showing only the most frequent worldwide haplotype while the Guarani-Ñandeva population was polymorphic for this locus. The DA genetic distance indicates that the predominantly hunter-gatherer populations were tightly clustered whereas the predominantly agriculturalist populations were more scattered. Fisher Exact Test revealed an excess of the 7R allele in predominantly hunter-gatherer populations when compared with agriculturalists and a correlation between latitude and 7R frequency was observed, that indicates that the high frequencies of 7R are in North, where most of hunter-gatherer populations are located. Our results suggest indirectly that positive selection could be acting on the DRD4 gene. It is possible that the DRD4 gene have influenced life habits of South American native populations. 7R could be adaptative in populations with more explorative behavior and with predominantly hunter and gatherer subsistence. Further studies considering larger numbers of hunter-gatherer populations in the south would provide a better interpretation of the genetic variability of the Amerindian populations and clarify the patterns of DRD4 evolution in South America.

O DRD4 é um dos genes mais variáveis do genoma humano. Seu terceiro éxon contém um polimorfismo do tipo VNTR de 48 pb cujas variantes apresentam uma grande diversidade em populações humanas. Além disso, interno ao VNTR, muitos polimorfismos do tipo SNPs são observados, totalizando 74 diferentes haplótipos descritos em humanos até o momento. O alelo de sete repetições do VNTR é descrito como o mais freqüente em populações nativas da América do Sul e possivelmente esteja sob efeito de seleção positiva. Como o DRD4 tem sido considerado gene candidato em diversos estudos de associação com doenças psiquiátricas e como os nativos da América do Sul constituem um dos três grupos parentais das populações atuais desse continente, é importante que a variabilidade nesse locus seja conhecida nessas populações. Neste estudo foi avaliada a variabilidade genética do terceiro exon do gene DRD4 em 172 indivíduos das populações Kaingang e Guarani do centro-sul do Brasil. Além disso, o seqüenciamento do alelo 7R foi realizado em indivíduos homozigotos para esse alelo. Foram adicionados os dados da literatura relativos a outras populações para o mesmo polimorfismo objetivando re-avaliar a variabilidade genética deste locus na América do Sul. As análises incluíram 18 populações, totalizando 568 indivíduos. A freqüência do alelo 7R observada nas populações Kaingang e Guarani foi intermediária às observadas em populações amazônicas e às populações nativas da Argentina. A análise dos haplótipos obtidos pelo seqüenciamento revelaram que as populações Kaingang e Guarani-Kaiowá apresentam apenas o haplótipo mais comum na populações mundiais, enquanto que na população Guarani-Ñandeva foram identificados três haplótipos, um deles já descrito exclusivamente nos Suruí. A relação genética por distância DA indicou que populações classificadas como caçadoras-coletoras são mais próximas entre si, formando um agrupamento separado das populações classificadas como predominantemente agriculturalistas. Corroborando esses resultados, o Teste Exato de Fisher revelou um excesso de alelos 7R nas populações predominantemente caçadoras-coletoras quando comparadas às agriculturalistas e a freqüência do alelo 7R apresentou correlação positiva com a latitude, evidenciando uma maior freqüência do alelo 7R no norte, onde estão localizadas a maioria das populações caçadoras-coletoras estudadas. Nossos resultados apresentam uma evidência indireta da atuação da seleção natural no gene DRD4. É possível que esse gene tenha influenciado o comportamento das populações nativo-americanas, tendo sido vantajoso naquelas populações em que o comportamento exploratório e a caça e a coleta foram predominantes. Estudos envolvendo um maior número de populações caçadorascoletoras ao sul do continente seriam necessários para melhor entender os padrões observados na América do Sul em relação ao DRD4. / DRD4 is one of the most variable genes in the human genome. Its third exon presents a VNTR polymorphism of 48 bp. Furthermore, SNPs were observed into repeats, composing at least 74 different haplotypes variants until now. The seven repeat (7R) allele is the most frequent in South America Amerindian populations and may be under positive selection. DRD4 is a candidate gene for many association studies between psychiatric disorders and genetics. Then, it is important to study the variability of this locus in Amerindian populations because they represent one of three parental groups of admixed populations in South America. In this study, the genetic variability concerning this locus was studied in 172 subjects from Kaingang and Guarani populations of Brazilian Center-SE. Furthermore, all 7R homozygous individuals were sequenced. The results were integrated with those published, aiming to re-evaluate DRD4 variability into South America. 18 populations and 568 individuals were integrated to the analysis. The observed frequency in Kaingang and Guarani populations were intermediate between those reported in the Amazon region and in Argentina. The sequence data revealed that Kaingang and Guarani-Kaiowá were monomorphic showing only the most frequent worldwide haplotype while the Guarani-Ñandeva population was polymorphic for this locus. The DA genetic distance indicates that the predominantly hunter-gatherer populations were tightly clustered whereas the predominantly agriculturalist populations were more scattered. Fisher Exact Test revealed an excess of the 7R allele in predominantly hunter-gatherer populations when compared with agriculturalists and a correlation between latitude and 7R frequency was observed, that indicates that the high frequencies of 7R are in North, where most of hunter-gatherer populations are located. Our results suggest indirectly that positive selection could be acting on the DRD4 gene. It is possible that the DRD4 gene have influenced life habits of South American native populations. 7R could be adaptative in populations with more explorative behavior and with predominantly hunter and gatherer subsistence. Further studies considering larger numbers of hunter-gatherer populations in the south would provide a better interpretation of the genetic variability of the Amerindian populations and clarify the patterns of DRD4 evolution in South America.

O DRD4 é um dos genes mais variáveis do genoma humano. Seu terceiro éxon contém um polimorfismo do tipo VNTR de 48 pb cujas variantes apresentam uma grande diversidade em populações humanas. Além disso, interno ao VNTR, muitos polimorfismos do tipo SNPs são observados, totalizando 74 diferentes haplótipos descritos em humanos até o momento. O alelo de sete repetições do VNTR é descrito como o mais freqüente em populações nativas da América do Sul e possivelmente esteja sob efeito de seleção positiva. Como o DRD4 tem sido considerado gene candidato em diversos estudos de associação com doenças psiquiátricas e como os nativos da América do Sul constituem um dos três grupos parentais das populações atuais desse continente, é importante que a variabilidade nesse locus seja conhecida nessas populações. Neste estudo foi avaliada a variabilidade genética do terceiro exon do gene DRD4 em 172 indivíduos das populações Kaingang e Guarani do centro-sul do Brasil. Além disso, o seqüenciamento do alelo 7R foi realizado em indivíduos homozigotos para esse alelo. Foram adicionados os dados da literatura relativos a outras populações para o mesmo polimorfismo objetivando re-avaliar a variabilidade genética deste locus na América do Sul. As análises incluíram 18 populações, totalizando 568 indivíduos. A freqüência do alelo 7R observada nas populações Kaingang e Guarani foi intermediária às observadas em populações amazônicas e às populações nativas da Argentina. A análise dos haplótipos obtidos pelo seqüenciamento revelaram que as populações Kaingang e Guarani-Kaiowá apresentam apenas o haplótipo mais comum na populações mundiais, enquanto que na população Guarani-Ñandeva foram identificados três haplótipos, um deles já descrito exclusivamente nos Suruí. A relação genética por distância DA indicou que populações classificadas como caçadoras-coletoras são mais próximas entre si, formando um agrupamento separado das populações classificadas como predominantemente agriculturalistas. Corroborando esses resultados, o Teste Exato de Fisher revelou um excesso de alelos 7R nas populações predominantemente caçadoras-coletoras quando comparadas às agriculturalistas e a freqüência do alelo 7R apresentou correlação positiva com a latitude, evidenciando uma maior freqüência do alelo 7R no norte, onde estão localizadas a maioria das populações caçadoras-coletoras estudadas. Nossos resultados apresentam uma evidência indireta da atuação da seleção natural no gene DRD4. É possível que esse gene tenha influenciado o comportamento das populações nativo-americanas, tendo sido vantajoso naquelas populações em que o comportamento exploratório e a caça e a coleta foram predominantes. Estudos envolvendo um maior número de populações caçadorascoletoras ao sul do continente seriam necessários para melhor entender os padrões observados na América do Sul em relação ao DRD4. / DRD4 is one of the most variable genes in the human genome. Its third exon presents a VNTR polymorphism of 48 bp. Furthermore, SNPs were observed into repeats, composing at least 74 different haplotypes variants until now. The seven repeat (7R) allele is the most frequent in South America Amerindian populations and may be under positive selection. DRD4 is a candidate gene for many association studies between psychiatric disorders and genetics. Then, it is important to study the variability of this locus in Amerindian populations because they represent one of three parental groups of admixed populations in South America. In this study, the genetic variability concerning this locus was studied in 172 subjects from Kaingang and Guarani populations of Brazilian Center-SE. Furthermore, all 7R homozygous individuals were sequenced. The results were integrated with those published, aiming to re-evaluate DRD4 variability into South America. 18 populations and 568 individuals were integrated to the analysis. The observed frequency in Kaingang and Guarani populations were intermediate between those reported in the Amazon region and in Argentina. The sequence data revealed that Kaingang and Guarani-Kaiowá were monomorphic showing only the most frequent worldwide haplotype while the Guarani-Ñandeva population was polymorphic for this locus. The DA genetic distance indicates that the predominantly hunter-gatherer populations were tightly clustered whereas the predominantly agriculturalist populations were more scattered. Fisher Exact Test revealed an excess of the 7R allele in predominantly hunter-gatherer populations when compared with agriculturalists and a correlation between latitude and 7R frequency was observed, that indicates that the high frequencies of 7R are in North, where most of hunter-gatherer populations are located. Our results suggest indirectly that positive selection could be acting on the DRD4 gene. It is possible that the DRD4 gene have influenced life habits of South American native populations. 7R could be adaptative in populations with more explorative behavior and with predominantly hunter and gatherer subsistence. Further studies considering larger numbers of hunter-gatherer populations in the south would provide a better interpretation of the genetic variability of the Amerindian populations and clarify the patterns of DRD4 evolution in South America.

Introdução: O Vírus da Hepatite B (HBV) é um vírus de DNA com tropismo por hepatócitos, que apresenta um genoma circular parcialmente dupla fita. Baseado na divergência de sequência do genoma completo, dez linhagens evolutivas, denominadas “genótipos” de HBV, foram descritas (A-J), sendo F e H considerados como “indígenas” da América. Os genótipos de HBV apresentam uma forte estruturação geográfica, o que pode refletir padrões das migrações humanas. Na América do Sul, áreas de alto endemismo incluem a região amazônica, e as maiores taxas de infecção têm sido observadas em populações Nativas Americanas. Embora a forte estruturação geográfica seja indicativa de uma origem antiga, a maioria das análises visando datar a origem dos genótipos “americanos” F e H resulta em datações extremamente recentes que não condizem com eventos históricos relacionados ao HBV. Objetivo: Os objetivos desse trabalho compreendem avaliar o impacto de diferentes taxas evolutivas e da seleção purificadora sobre as estimativas de datação molecular a fim de inferir quais taxas são mais condizentes com a origem do HBV na América; caracterizar o HBV circulante em uma amostra histórica de Nativos Americanos, e discutir os processos históricos que possam ser relevantes para entender os padrões observados. Material e Métodos: Nós realizamos análise Bayesiana utilizando sequências disponíveis dos genótipos F e H e diferentes taxas evolutivas previamente reportadas, e comparamos a ocorrência de mutações sinônimas e não-sinônimas em ramos da filogenia classificados como “antigos” ou “recentes” a fim de inferir a atuação da seleção purificadora ao longo do tempo. Para caracterização do HBV presente nas populações Nativas Americanas, detecção e amplificação do DNA viral foi obtida através de PCR seguido de sequenciamento e análise filogenética. Análise Bayesiana de Skyline Plot foi realizada para comparar a dinâmica populacional do subgenótipo A1 presente na amostra de Nativos Americanos e em outras cepas isoladas no Brasil. Resultados e conclusão: Nossos resultados mostram que as estimativas de datação molecular são fortemente influenciadas pelas taxas evolutivas utilizadas na análise. Além disso, foi observado excesso de mutações não-sinônimas nos ramos recentes da filogenia, o que é compatível com a ocorrência de seleção purificadora, e pode gerar um viés sobre as estimativas, produzindo datações recentes demais. Na amostra de Nativos Americanos, nós constatamos o predomínio do subgenótipo A1, relacionado com populações africanas. Análise de Skyline Plot mostrou que a expansão populacional nas cepas isoladas de Nativos Americanos é mais recente que aquela inferida para outras cepas brasileiras, sugerindo que os processos históricos que contribuíram para a formação do subgenótipo A1 dos Nativos Americanos são relacionados com ondas migratórias mais recentes em direção à região amazônica. / Introduction: Hepatitis B virus (HBV) is a hepatotropic DNA virus that presents a partially double-stranded circular genome. Based on sequence divergence of the complete genome, ten HBV evolutionary lineages, called “genotypes” have been described (A-J), with F and H being considered as indigenous from the Americas. HBV genotypes present a remarkable geographic structure which may reflect historic patterns of human migrations. In South America, areas of high endemism include the Amazon basin, and high prevalence rates have been observed in Native American populations. Although the strong geographical structure indicates an ancient origin, most analysis trying to date the origin of the “American” genotypes F and H result in extremely recent dates that disagree with historical events related with HBV. Objective: The aims of this study comprise evaluate the impact of different evolutionary rates and of the purifying selection on molecular dating estimates in order to infer which rates are in better agreement with the origin of HBV in the Americas; to characterize the HBV circulating in a historical sample of Native Americans, and discussing the historical processes that might be relevant to understand the observed patterns. Materials and Methods: We performed a Bayesian analysis using the available sequences of F and H genotypes and different evolutionary rates previously reported, and compared the occurrence of synonymous and non-synonymous mutations in branches of phylogeny classified as “old” or “young” in order to infer the effects of purifying selection over time. For the characterization of HBV from Native American populations, detection and amplification of viral DNA were obtained through PCR followed by sequencing and phylogenetic analysis. Bayesian Skyline Plot analysis was performed to compare the population dynamics of the A1 subgenotype present in the sample of Native American and in other strains isolated from Brazil. Results and Conclusion: Our results show that molecular dating estimates are strongly influenced by the evolutionary rate assumed in the analysis. In addition, we observed an excess of non-synonymous mutations in recent branches of phylogeny, which is compatible with the occurrence of purifying selection and may create a bias on the estimates, producing too recent datings. In the sample of Native Americans, we observed a predominance of the A1 subgenotype, related with African populations. Skyline Plot analysis showed that population expansion in strains isolated from Native Americans is more recent than that inferred from other Brazilian strains, suggesting that the historical processes that contributed to the presence of A1 subgenotype A1 Native Americans are related with more recent migratory waves towards the Amazon region.

Para o melhor entendimento da biologia de uma espécie ou população, faz-se necessária a análise detalhada das forças evolutivas que moldaram sua diversidade genética. Mecanismos evolutivos randômicos e direcionais devem ser entendidos separadamente e em sua interação para que uma interpretação mais acurada possa ser realizada. No que concerne a humanos, uma camada adicional de complexidade deve ser considerada: a cultura. No presente trabalho, aspectos da história evolutiva de populações nativas americanas são analisados levando em conta os efeitos da deriva genética, história demográfica e seleção natural sobre sua diversidade genética e estrutura de recombinação (desequilíbrio de ligação, DL). Adicionalmente, é realizada uma comparação direta entre a evolução cultural e a evolução biológica. O corpo principal da tese é composto por quatro artigos que visam de maneira geral ao entendimento desses fatores em populações humanas atuais, mas que, no contexto da presente tese, serão discutidos com foco nos ameríndios. Os resultados desses artigos podem ser resumidos como seguem: 1) Amorim et al. (2011) X-chromosomal genetic diversity and linkage disequilibrium patterns in Amerindians and non-Amerindian populations (Am J Hum Biol 23: 299-304). Os resultados deste trabalho revelam baixa diversidade genética no cromossomo X aliada à alta proporção de loci em DL em populações ameríndias, quando comparadas a grupos com ancestralidade genética distinta. A deriva genética seria o principal candidato a agente causal para o padrão observado. 2) Amorim et al. Detecting Genome-wide Signals of Human Adaptation to Tropical Forests in a Convergent Evolution Framework (manuscrito em preparação). Aqui analizaram-se SNPs distribuídos nos autossomos e no cromossomo X para a detecção de sinais de seleção positiva. Populações amazônicas e africanas vivendo na floresta tropical foram comparadas com outras que viviam em ambiente não-florestal. Os resultados apontam para a existência de seleção positiva especialmente sobre genes aparentemente relacionados à imunidade, fluxo de colesterol e altura corporal, entre outros. 3) Amorim et al., (2013) A Bayesian Approach to Genome/Linguistic Relationships in Native South Americans (PLoS ONE 8: e64099). Neste trabalho avaliou-se o ajuste de modelos demográficos, construídos a partir de classificações linguísticas, à diversidade genômica de populações da América do Sul. As análises revelam uma maior adequação da classificação proposta por Joseph Greenberg em 1987. De acordo com esse cenário, o ancestral comum dos principais grupos linguísticos da América do Sul teria uma idade de cerca de 3,1 mil anos e a separação mais recente entre esses grupos teria ocorrido há 2,8 mil anos, entre os Tupi e os Aruaque. Os resultados sugerem ainda que, neste contexto, línguas e genes apresentam taxa de evolução semelhante. 4) Amorim et al. Differing evolutionary histories of the ACTN3*R577X polymorphism among the major human geographic groups (manuscrito em preparação). Neste artigo a diversidade genética do gene ACTN3 e mais especificamente de sua variante funcional rs1815739 em populações ameríndias foi comparada às de outros continentes, revelando um cenário evolutivo que sugere que este gene foi alvo de seleção positiva no passado, mas atualmente o sinal desse processo foi apagado ou suavizado nas Américas. Esses resultados em conjunto sugerem que fatores biológicos seletivos e neutros foram ambos importantes durante o povoamento do Novo Mundo e destacam a importância de analisá-los em conjunto com características culturais, reconhecendo as peculiaridades de cada um e a interação entre eles. / For a better understanding of the biology of a species or population, it is necessary to analyze the forces that shaped its genetic diversity in detail. Neutral and selective evolutionary mechanisms should be interpreted independently and in their interaction for a better interpretation of facts. Regarding human evolution, an additional level of complexity should be considered: culture. In the present work, some aspects of the evolutionary history of Native American populations is considered in relation to the effects of genetic drift, demography, and natural selection upon their genetic diversity and recombination structure (linkage disequilibrium, LD). Additionally, a direct comparison between cultural and biological evolution is made. The nucleus of this Thesis is composed by four articles that aim at the understanding of the role of these factors in the evolution of extant human populations, but for the purposes of this Thesis they will be discussed with a main focus in Amerindians. The results of these articles can be briefly summarized as follows: 1) Amorim et al. (2011) X-chromosomal Genetic Diversity and Linkage Disequilibrium Patterns in Amerindians and non-Amerindian Populations (Am J Hum Biol 23: 299-304). The results of this work reveal low X-chromosomal genetic diversity and high proportion of loci in linkage disequilibrium when Amerindian populations were compared to other groups with a distinct genetic background. Genetic drift is the best candidate for generating the observed pattern. 2) Amorim et al. Detecting Genome-wide Signals of Human Adaptation to Tropical Forests in a Convergent Evolution Framework (manuscript in preparation). Here a positive selection analysis of autosomal and X-chromosomal SNPs was conducted. Amazonian and African tropical forest populations were compared to those living outside forests. The results suggest the action of positive selection especially upon genes related to immunity, cholesterol cellular flux and body height, among others. 3) Amorim et al., (2013) A Bayesian Approach to Genome/Linguistic Relationships in Native South Americans (PLoS ONE 8: e64099). In this work, we tested the fit of current genomic South Amerindian diversity to demographic models based on linguistic classifications. The analyses revealed a better fit of the classification proposed by Joseph Greenberg in 1987. According to this scenario, the common ancestor of the main South American linguistic groups would have an age of circa 3.1 thousand years before present (BP) and the most recent fission between these groups would be that of the Tupí and Arawakan at 2.8 thousand years BP. The results also suggest that, in this context, language and genes evolve at a similar pace. 4) Amorim et al. Differing evolutionary histories of the ACTN3*R577X polymorphism among the major human geographic groups (manuscript in preparation). The genetic diversity of the ACTN3 gene, and more specifically of its functional variant rs1815739 in Amerindian populations was compared to these of other continents, revealing an evolutionary scenario that suggests that this gene might have been a target of positive selection in the past; currently however, the signal of this process was erased or smoothed in the Americas. These results suggest that selective and neutral biological evolutionary factors were important during the settlement of the New World and highlight the importance of analyzing them together with cultural characteristics, considering their peculiarities and the interaction between them.

Para o melhor entendimento da biologia de uma espécie ou população, faz-se necessária a análise detalhada das forças evolutivas que moldaram sua diversidade genética. Mecanismos evolutivos randômicos e direcionais devem ser entendidos separadamente e em sua interação para que uma interpretação mais acurada possa ser realizada. No que concerne a humanos, uma camada adicional de complexidade deve ser considerada: a cultura. No presente trabalho, aspectos da história evolutiva de populações nativas americanas são analisados levando em conta os efeitos da deriva genética, história demográfica e seleção natural sobre sua diversidade genética e estrutura de recombinação (desequilíbrio de ligação, DL). Adicionalmente, é realizada uma comparação direta entre a evolução cultural e a evolução biológica. O corpo principal da tese é composto por quatro artigos que visam de maneira geral ao entendimento desses fatores em populações humanas atuais, mas que, no contexto da presente tese, serão discutidos com foco nos ameríndios. Os resultados desses artigos podem ser resumidos como seguem: 1) Amorim et al. (2011) X-chromosomal genetic diversity and linkage disequilibrium patterns in Amerindians and non-Amerindian populations (Am J Hum Biol 23: 299-304). Os resultados deste trabalho revelam baixa diversidade genética no cromossomo X aliada à alta proporção de loci em DL em populações ameríndias, quando comparadas a grupos com ancestralidade genética distinta. A deriva genética seria o principal candidato a agente causal para o padrão observado. 2) Amorim et al. Detecting Genome-wide Signals of Human Adaptation to Tropical Forests in a Convergent Evolution Framework (manuscrito em preparação). Aqui analizaram-se SNPs distribuídos nos autossomos e no cromossomo X para a detecção de sinais de seleção positiva. Populações amazônicas e africanas vivendo na floresta tropical foram comparadas com outras que viviam em ambiente não-florestal. Os resultados apontam para a existência de seleção positiva especialmente sobre genes aparentemente relacionados à imunidade, fluxo de colesterol e altura corporal, entre outros. 3) Amorim et al., (2013) A Bayesian Approach to Genome/Linguistic Relationships in Native South Americans (PLoS ONE 8: e64099). Neste trabalho avaliou-se o ajuste de modelos demográficos, construídos a partir de classificações linguísticas, à diversidade genômica de populações da América do Sul. As análises revelam uma maior adequação da classificação proposta por Joseph Greenberg em 1987. De acordo com esse cenário, o ancestral comum dos principais grupos linguísticos da América do Sul teria uma idade de cerca de 3,1 mil anos e a separação mais recente entre esses grupos teria ocorrido há 2,8 mil anos, entre os Tupi e os Aruaque. Os resultados sugerem ainda que, neste contexto, línguas e genes apresentam taxa de evolução semelhante. 4) Amorim et al. Differing evolutionary histories of the ACTN3*R577X polymorphism among the major human geographic groups (manuscrito em preparação). Neste artigo a diversidade genética do gene ACTN3 e mais especificamente de sua variante funcional rs1815739 em populações ameríndias foi comparada às de outros continentes, revelando um cenário evolutivo que sugere que este gene foi alvo de seleção positiva no passado, mas atualmente o sinal desse processo foi apagado ou suavizado nas Américas. Esses resultados em conjunto sugerem que fatores biológicos seletivos e neutros foram ambos importantes durante o povoamento do Novo Mundo e destacam a importância de analisá-los em conjunto com características culturais, reconhecendo as peculiaridades de cada um e a interação entre eles. / For a better understanding of the biology of a species or population, it is necessary to analyze the forces that shaped its genetic diversity in detail. Neutral and selective evolutionary mechanisms should be interpreted independently and in their interaction for a better interpretation of facts. Regarding human evolution, an additional level of complexity should be considered: culture. In the present work, some aspects of the evolutionary history of Native American populations is considered in relation to the effects of genetic drift, demography, and natural selection upon their genetic diversity and recombination structure (linkage disequilibrium, LD). Additionally, a direct comparison between cultural and biological evolution is made. The nucleus of this Thesis is composed by four articles that aim at the understanding of the role of these factors in the evolution of extant human populations, but for the purposes of this Thesis they will be discussed with a main focus in Amerindians. The results of these articles can be briefly summarized as follows: 1) Amorim et al. (2011) X-chromosomal Genetic Diversity and Linkage Disequilibrium Patterns in Amerindians and non-Amerindian Populations (Am J Hum Biol 23: 299-304). The results of this work reveal low X-chromosomal genetic diversity and high proportion of loci in linkage disequilibrium when Amerindian populations were compared to other groups with a distinct genetic background. Genetic drift is the best candidate for generating the observed pattern. 2) Amorim et al. Detecting Genome-wide Signals of Human Adaptation to Tropical Forests in a Convergent Evolution Framework (manuscript in preparation). Here a positive selection analysis of autosomal and X-chromosomal SNPs was conducted. Amazonian and African tropical forest populations were compared to those living outside forests. The results suggest the action of positive selection especially upon genes related to immunity, cholesterol cellular flux and body height, among others. 3) Amorim et al., (2013) A Bayesian Approach to Genome/Linguistic Relationships in Native South Americans (PLoS ONE 8: e64099). In this work, we tested the fit of current genomic South Amerindian diversity to demographic models based on linguistic classifications. The analyses revealed a better fit of the classification proposed by Joseph Greenberg in 1987. According to this scenario, the common ancestor of the main South American linguistic groups would have an age of circa 3.1 thousand years before present (BP) and the most recent fission between these groups would be that of the Tupí and Arawakan at 2.8 thousand years BP. The results also suggest that, in this context, language and genes evolve at a similar pace. 4) Amorim et al. Differing evolutionary histories of the ACTN3*R577X polymorphism among the major human geographic groups (manuscript in preparation). The genetic diversity of the ACTN3 gene, and more specifically of its functional variant rs1815739 in Amerindian populations was compared to these of other continents, revealing an evolutionary scenario that suggests that this gene might have been a target of positive selection in the past; currently however, the signal of this process was erased or smoothed in the Americas. These results suggest that selective and neutral biological evolutionary factors were important during the settlement of the New World and highlight the importance of analyzing them together with cultural characteristics, considering their peculiarities and the interaction between them.

Introdução: O Vírus da Hepatite B (HBV) é um vírus de DNA com tropismo por hepatócitos, que apresenta um genoma circular parcialmente dupla fita. Baseado na divergência de sequência do genoma completo, dez linhagens evolutivas, denominadas “genótipos” de HBV, foram descritas (A-J), sendo F e H considerados como “indígenas” da América. Os genótipos de HBV apresentam uma forte estruturação geográfica, o que pode refletir padrões das migrações humanas. Na América do Sul, áreas de alto endemismo incluem a região amazônica, e as maiores taxas de infecção têm sido observadas em populações Nativas Americanas. Embora a forte estruturação geográfica seja indicativa de uma origem antiga, a maioria das análises visando datar a origem dos genótipos “americanos” F e H resulta em datações extremamente recentes que não condizem com eventos históricos relacionados ao HBV. Objetivo: Os objetivos desse trabalho compreendem avaliar o impacto de diferentes taxas evolutivas e da seleção purificadora sobre as estimativas de datação molecular a fim de inferir quais taxas são mais condizentes com a origem do HBV na América; caracterizar o HBV circulante em uma amostra histórica de Nativos Americanos, e discutir os processos históricos que possam ser relevantes para entender os padrões observados. Material e Métodos: Nós realizamos análise Bayesiana utilizando sequências disponíveis dos genótipos F e H e diferentes taxas evolutivas previamente reportadas, e comparamos a ocorrência de mutações sinônimas e não-sinônimas em ramos da filogenia classificados como “antigos” ou “recentes” a fim de inferir a atuação da seleção purificadora ao longo do tempo. Para caracterização do HBV presente nas populações Nativas Americanas, detecção e amplificação do DNA viral foi obtida através de PCR seguido de sequenciamento e análise filogenética. Análise Bayesiana de Skyline Plot foi realizada para comparar a dinâmica populacional do subgenótipo A1 presente na amostra de Nativos Americanos e em outras cepas isoladas no Brasil. Resultados e conclusão: Nossos resultados mostram que as estimativas de datação molecular são fortemente influenciadas pelas taxas evolutivas utilizadas na análise. Além disso, foi observado excesso de mutações não-sinônimas nos ramos recentes da filogenia, o que é compatível com a ocorrência de seleção purificadora, e pode gerar um viés sobre as estimativas, produzindo datações recentes demais. Na amostra de Nativos Americanos, nós constatamos o predomínio do subgenótipo A1, relacionado com populações africanas. Análise de Skyline Plot mostrou que a expansão populacional nas cepas isoladas de Nativos Americanos é mais recente que aquela inferida para outras cepas brasileiras, sugerindo que os processos históricos que contribuíram para a formação do subgenótipo A1 dos Nativos Americanos são relacionados com ondas migratórias mais recentes em direção à região amazônica. / Introduction: Hepatitis B virus (HBV) is a hepatotropic DNA virus that presents a partially double-stranded circular genome. Based on sequence divergence of the complete genome, ten HBV evolutionary lineages, called “genotypes” have been described (A-J), with F and H being considered as indigenous from the Americas. HBV genotypes present a remarkable geographic structure which may reflect historic patterns of human migrations. In South America, areas of high endemism include the Amazon basin, and high prevalence rates have been observed in Native American populations. Although the strong geographical structure indicates an ancient origin, most analysis trying to date the origin of the “American” genotypes F and H result in extremely recent dates that disagree with historical events related with HBV. Objective: The aims of this study comprise evaluate the impact of different evolutionary rates and of the purifying selection on molecular dating estimates in order to infer which rates are in better agreement with the origin of HBV in the Americas; to characterize the HBV circulating in a historical sample of Native Americans, and discussing the historical processes that might be relevant to understand the observed patterns. Materials and Methods: We performed a Bayesian analysis using the available sequences of F and H genotypes and different evolutionary rates previously reported, and compared the occurrence of synonymous and non-synonymous mutations in branches of phylogeny classified as “old” or “young” in order to infer the effects of purifying selection over time. For the characterization of HBV from Native American populations, detection and amplification of viral DNA were obtained through PCR followed by sequencing and phylogenetic analysis. Bayesian Skyline Plot analysis was performed to compare the population dynamics of the A1 subgenotype present in the sample of Native American and in other strains isolated from Brazil. Results and Conclusion: Our results show that molecular dating estimates are strongly influenced by the evolutionary rate assumed in the analysis. In addition, we observed an excess of non-synonymous mutations in recent branches of phylogeny, which is compatible with the occurrence of purifying selection and may create a bias on the estimates, producing too recent datings. In the sample of Native Americans, we observed a predominance of the A1 subgenotype, related with African populations. Skyline Plot analysis showed that population expansion in strains isolated from Native Americans is more recent than that inferred from other Brazilian strains, suggesting that the historical processes that contributed to the presence of A1 subgenotype A1 Native Americans are related with more recent migratory waves towards the Amazon region.

Introdução: O Vírus da Hepatite B (HBV) é um vírus de DNA com tropismo por hepatócitos, que apresenta um genoma circular parcialmente dupla fita. Baseado na divergência de sequência do genoma completo, dez linhagens evolutivas, denominadas “genótipos” de HBV, foram descritas (A-J), sendo F e H considerados como “indígenas” da América. Os genótipos de HBV apresentam uma forte estruturação geográfica, o que pode refletir padrões das migrações humanas. Na América do Sul, áreas de alto endemismo incluem a região amazônica, e as maiores taxas de infecção têm sido observadas em populações Nativas Americanas. Embora a forte estruturação geográfica seja indicativa de uma origem antiga, a maioria das análises visando datar a origem dos genótipos “americanos” F e H resulta em datações extremamente recentes que não condizem com eventos históricos relacionados ao HBV. Objetivo: Os objetivos desse trabalho compreendem avaliar o impacto de diferentes taxas evolutivas e da seleção purificadora sobre as estimativas de datação molecular a fim de inferir quais taxas são mais condizentes com a origem do HBV na América; caracterizar o HBV circulante em uma amostra histórica de Nativos Americanos, e discutir os processos históricos que possam ser relevantes para entender os padrões observados. Material e Métodos: Nós realizamos análise Bayesiana utilizando sequências disponíveis dos genótipos F e H e diferentes taxas evolutivas previamente reportadas, e comparamos a ocorrência de mutações sinônimas e não-sinônimas em ramos da filogenia classificados como “antigos” ou “recentes” a fim de inferir a atuação da seleção purificadora ao longo do tempo. Para caracterização do HBV presente nas populações Nativas Americanas, detecção e amplificação do DNA viral foi obtida através de PCR seguido de sequenciamento e análise filogenética. Análise Bayesiana de Skyline Plot foi realizada para comparar a dinâmica populacional do subgenótipo A1 presente na amostra de Nativos Americanos e em outras cepas isoladas no Brasil. Resultados e conclusão: Nossos resultados mostram que as estimativas de datação molecular são fortemente influenciadas pelas taxas evolutivas utilizadas na análise. Além disso, foi observado excesso de mutações não-sinônimas nos ramos recentes da filogenia, o que é compatível com a ocorrência de seleção purificadora, e pode gerar um viés sobre as estimativas, produzindo datações recentes demais. Na amostra de Nativos Americanos, nós constatamos o predomínio do subgenótipo A1, relacionado com populações africanas. Análise de Skyline Plot mostrou que a expansão populacional nas cepas isoladas de Nativos Americanos é mais recente que aquela inferida para outras cepas brasileiras, sugerindo que os processos históricos que contribuíram para a formação do subgenótipo A1 dos Nativos Americanos são relacionados com ondas migratórias mais recentes em direção à região amazônica. / Introduction: Hepatitis B virus (HBV) is a hepatotropic DNA virus that presents a partially double-stranded circular genome. Based on sequence divergence of the complete genome, ten HBV evolutionary lineages, called “genotypes” have been described (A-J), with F and H being considered as indigenous from the Americas. HBV genotypes present a remarkable geographic structure which may reflect historic patterns of human migrations. In South America, areas of high endemism include the Amazon basin, and high prevalence rates have been observed in Native American populations. Although the strong geographical structure indicates an ancient origin, most analysis trying to date the origin of the “American” genotypes F and H result in extremely recent dates that disagree with historical events related with HBV. Objective: The aims of this study comprise evaluate the impact of different evolutionary rates and of the purifying selection on molecular dating estimates in order to infer which rates are in better agreement with the origin of HBV in the Americas; to characterize the HBV circulating in a historical sample of Native Americans, and discussing the historical processes that might be relevant to understand the observed patterns. Materials and Methods: We performed a Bayesian analysis using the available sequences of F and H genotypes and different evolutionary rates previously reported, and compared the occurrence of synonymous and non-synonymous mutations in branches of phylogeny classified as “old” or “young” in order to infer the effects of purifying selection over time. For the characterization of HBV from Native American populations, detection and amplification of viral DNA were obtained through PCR followed by sequencing and phylogenetic analysis. Bayesian Skyline Plot analysis was performed to compare the population dynamics of the A1 subgenotype present in the sample of Native American and in other strains isolated from Brazil. Results and Conclusion: Our results show that molecular dating estimates are strongly influenced by the evolutionary rate assumed in the analysis. In addition, we observed an excess of non-synonymous mutations in recent branches of phylogeny, which is compatible with the occurrence of purifying selection and may create a bias on the estimates, producing too recent datings. In the sample of Native Americans, we observed a predominance of the A1 subgenotype, related with African populations. Skyline Plot analysis showed that population expansion in strains isolated from Native Americans is more recent than that inferred from other Brazilian strains, suggesting that the historical processes that contributed to the presence of A1 subgenotype A1 Native Americans are related with more recent migratory waves towards the Amazon region.

Para o melhor entendimento da biologia de uma espécie ou população, faz-se necessária a análise detalhada das forças evolutivas que moldaram sua diversidade genética. Mecanismos evolutivos randômicos e direcionais devem ser entendidos separadamente e em sua interação para que uma interpretação mais acurada possa ser realizada. No que concerne a humanos, uma camada adicional de complexidade deve ser considerada: a cultura. No presente trabalho, aspectos da história evolutiva de populações nativas americanas são analisados levando em conta os efeitos da deriva genética, história demográfica e seleção natural sobre sua diversidade genética e estrutura de recombinação (desequilíbrio de ligação, DL). Adicionalmente, é realizada uma comparação direta entre a evolução cultural e a evolução biológica. O corpo principal da tese é composto por quatro artigos que visam de maneira geral ao entendimento desses fatores em populações humanas atuais, mas que, no contexto da presente tese, serão discutidos com foco nos ameríndios. Os resultados desses artigos podem ser resumidos como seguem: 1) Amorim et al. (2011) X-chromosomal genetic diversity and linkage disequilibrium patterns in Amerindians and non-Amerindian populations (Am J Hum Biol 23: 299-304). Os resultados deste trabalho revelam baixa diversidade genética no cromossomo X aliada à alta proporção de loci em DL em populações ameríndias, quando comparadas a grupos com ancestralidade genética distinta. A deriva genética seria o principal candidato a agente causal para o padrão observado. 2) Amorim et al. Detecting Genome-wide Signals of Human Adaptation to Tropical Forests in a Convergent Evolution Framework (manuscrito em preparação). Aqui analizaram-se SNPs distribuídos nos autossomos e no cromossomo X para a detecção de sinais de seleção positiva. Populações amazônicas e africanas vivendo na floresta tropical foram comparadas com outras que viviam em ambiente não-florestal. Os resultados apontam para a existência de seleção positiva especialmente sobre genes aparentemente relacionados à imunidade, fluxo de colesterol e altura corporal, entre outros. 3) Amorim et al., (2013) A Bayesian Approach to Genome/Linguistic Relationships in Native South Americans (PLoS ONE 8: e64099). Neste trabalho avaliou-se o ajuste de modelos demográficos, construídos a partir de classificações linguísticas, à diversidade genômica de populações da América do Sul. As análises revelam uma maior adequação da classificação proposta por Joseph Greenberg em 1987. De acordo com esse cenário, o ancestral comum dos principais grupos linguísticos da América do Sul teria uma idade de cerca de 3,1 mil anos e a separação mais recente entre esses grupos teria ocorrido há 2,8 mil anos, entre os Tupi e os Aruaque. Os resultados sugerem ainda que, neste contexto, línguas e genes apresentam taxa de evolução semelhante. 4) Amorim et al. Differing evolutionary histories of the ACTN3*R577X polymorphism among the major human geographic groups (manuscrito em preparação). Neste artigo a diversidade genética do gene ACTN3 e mais especificamente de sua variante funcional rs1815739 em populações ameríndias foi comparada às de outros continentes, revelando um cenário evolutivo que sugere que este gene foi alvo de seleção positiva no passado, mas atualmente o sinal desse processo foi apagado ou suavizado nas Américas. Esses resultados em conjunto sugerem que fatores biológicos seletivos e neutros foram ambos importantes durante o povoamento do Novo Mundo e destacam a importância de analisá-los em conjunto com características culturais, reconhecendo as peculiaridades de cada um e a interação entre eles. / For a better understanding of the biology of a species or population, it is necessary to analyze the forces that shaped its genetic diversity in detail. Neutral and selective evolutionary mechanisms should be interpreted independently and in their interaction for a better interpretation of facts. Regarding human evolution, an additional level of complexity should be considered: culture. In the present work, some aspects of the evolutionary history of Native American populations is considered in relation to the effects of genetic drift, demography, and natural selection upon their genetic diversity and recombination structure (linkage disequilibrium, LD). Additionally, a direct comparison between cultural and biological evolution is made. The nucleus of this Thesis is composed by four articles that aim at the understanding of the role of these factors in the evolution of extant human populations, but for the purposes of this Thesis they will be discussed with a main focus in Amerindians. The results of these articles can be briefly summarized as follows: 1) Amorim et al. (2011) X-chromosomal Genetic Diversity and Linkage Disequilibrium Patterns in Amerindians and non-Amerindian Populations (Am J Hum Biol 23: 299-304). The results of this work reveal low X-chromosomal genetic diversity and high proportion of loci in linkage disequilibrium when Amerindian populations were compared to other groups with a distinct genetic background. Genetic drift is the best candidate for generating the observed pattern. 2) Amorim et al. Detecting Genome-wide Signals of Human Adaptation to Tropical Forests in a Convergent Evolution Framework (manuscript in preparation). Here a positive selection analysis of autosomal and X-chromosomal SNPs was conducted. Amazonian and African tropical forest populations were compared to those living outside forests. The results suggest the action of positive selection especially upon genes related to immunity, cholesterol cellular flux and body height, among others. 3) Amorim et al., (2013) A Bayesian Approach to Genome/Linguistic Relationships in Native South Americans (PLoS ONE 8: e64099). In this work, we tested the fit of current genomic South Amerindian diversity to demographic models based on linguistic classifications. The analyses revealed a better fit of the classification proposed by Joseph Greenberg in 1987. According to this scenario, the common ancestor of the main South American linguistic groups would have an age of circa 3.1 thousand years before present (BP) and the most recent fission between these groups would be that of the Tupí and Arawakan at 2.8 thousand years BP. The results also suggest that, in this context, language and genes evolve at a similar pace. 4) Amorim et al. Differing evolutionary histories of the ACTN3*R577X polymorphism among the major human geographic groups (manuscript in preparation). The genetic diversity of the ACTN3 gene, and more specifically of its functional variant rs1815739 in Amerindian populations was compared to these of other continents, revealing an evolutionary scenario that suggests that this gene might have been a target of positive selection in the past; currently however, the signal of this process was erased or smoothed in the Americas. These results suggest that selective and neutral biological evolutionary factors were important during the settlement of the New World and highlight the importance of analyzing them together with cultural characteristics, considering their peculiarities and the interaction between them.

Um estudo envolvendo populações asiáticas e ameríndias foi realizado para avaliar os relacionamentos históricos e genéticos entre eles através de polimorfismos moleculares autossômicos. Um deles é uma seqüência polimórfica localizada na região 16p13.3. Um total de 1558 pares de base foram investigados em 98 indivíduos da Mongólia, Beringia e das Américas. Estes resultados foram comparados com aqueles obtidos em uma prévia investigação por outros autores. Cinqüenta e cinco sítios polimórficos foram classificados em trinta e cinco haplótipos. Uma árvore de haplótipos (median joining network) baseada neles, revelou dois grupos distintos, um mais compacto com haplótipos derivados das cinco categorias etno-geográficas estabelecidas; enquanto o outro, com haplótipos mais divergentes, era composto principalmente por africanos e ameríndios. Quase todos os parâmetro de neutralidade apresentaram valores negativos. Simulações realizadas para interpretar estes resultados foram executadas com dois conjuntos de dados: um composto exclusivamente de ameríndios e outro com populações mundiais. O primeiro, sugerindo crescimento e declínio populacional, rejeitou os cenários com crescimento abaixo de cinco vezes e anteriores a ~18 mil anos atrás; enquanto que o segundo, sugerindo crescimento populacional, não rejeitou cenários nos quais a magnitude de crescimento foi maior que dez vezes e anteriores a ~21 mil anos atrás, provavelmente refletindo um crescimento antigo fora da África. Doze polimorfismos de inserções Alu foram também estudados em 170 indivíduos pertencentes a 7 grupos nativos sul-americanos, 60 a dois siberianos, e 91 a dois mongóis. Estes dados foram integrados com aqueles de 488 indivíduos associados a outros 13 grupos, para determinar as relações entre asiáticos, Beringianos e ameríndios. Nestes três grupos, foi observado um decréscimo da heterozigosidade e da quantidade de fluxo gênico, na mesma ordem indicada acima. A solidez destas subdivisões foi demonstrada nas distâncias genéticas, nas análises de componentes principais, de variância molecular, no teste de Mantel, e numa abordagem Bayesiana de atribuição genética. Entretanto, não pode ser observada uma clara estrutura entre os nativos Sul-americanos, indicando a importância dos fatores dispersivos (deriva genética, efeito fundador) na sua diferenciação. A congruência dos resultados obtidos com os dois marcadores são: (a) não foi confirmada uma história de declínio populacional forte associado com a chegada do homem pré-histórico nas Américas; (b) os ameríndios não apresentaram estruturação clara dentro do continente e não se diferenciaram dos asiáticos do nordeste da Ásia (beringianos); e (c) o povo Aché foi o grupo mais divergente.