“LUCA” – OS PRIMEIROS PASSOS PARA OS TRÊS GRANDES DOMÍNIOS DA BIOLOGIA. Parte II

Estudos de relações filogenéticas profundas e genômica comparativa podem fornecer insights importantes de genes do ultimo ancestral universal comum de todas as formas de vida (LUCA) (Doolittle, 2000 e Moreira & López-Garcia 2006).

Parte2

Eventos evolutivos que podem ter precedido o último ancestral comum e a divergência dos três grandes linhagens celulares dos domínios da biologia moderna. Lazcano et al. 2007

Reconstruções de complementos de genes de ancestrais distantes fornecem aproximações estatísticas do passado biológico, porque sua precisão depende de fatores múltiplos, incluindo os possíveis vieses na construção de bancos de dados genômicos, como os níveis de transferência horizontal de genes (THG), as variações significativas nas taxas de substituição de proteínas diferentes, e o grau de perdas secundárias.

Os resultados de diferentes tentativas para caracterizar a genética, bioquímica e a biologia do LUCA incluem sequências de genes provenientes de processos biológicos básicos representados, ainda, de forma incompleta, tais como; a transcrição, a tradução, o metabolismo da energia, a biossíntese de aminoácidos de nucleotídeos e o dobramento de proteínas, bem como algumas sequências relacionadas á replicação, reparação e transporte celular.

Apesar das diferentes abordagens metodológicas, estes inventários fornecem insights significativos sobre a complexidade biológica do LUCA, sobre a natureza química do genoma do ancestral e claro, da real existência de um RNA-world/Proteína (Lazcano et al, 2007).

Domínios conservados correspondem a proteínas que interagem diretamente com RNA (como proteínas ribossomais do tipo DEAD helicases, sintetases aminoacil RNAt e fatores de alongamento) ou participam da biossíntese de RNA e nucleotídeos, incluindo as RNA polimerase β e as subunidadese β´, dimetil-adenosina transferase, adenil-succinato liases, di-hidro orotateoxidase, ribose-fosfato pirofosfo-quinase, entre muitas outras (Delaye & Lazcano 2000, Delaye et al., 2005).

Em conjunto com a elevada conservação das ATP dependentes de RNA helicases e a presença destas sequências é consistente com a hipótese de que o ancestral foi um resultado da evolução do RNA-World/Proteína.

A ATP dependente de RNA helicases são proteínas altamente conservadas que participam de uma variedade de funções celulares envolvendo o desenrolamento e rearranjo de moléculas de RNA, incluindo a iniciação da tradução, splicing de RNA, montagem do ribossomo e é mediada pelo decaimento da RNAm degradossoma (Schmid & Linder, 1992).

O degradossoma é um complexo multienzimático envolvido no processamento de quebra do RNAm e é formado pela fosforilase de polinucleótido, cinase polifosfato, ATP dependente de DEAD/H-RNA helicase e enolase, uma enzima glicolítica que catalisa a conversão de 2-fosfoglicerato a fosfoenolpiruvato e água. Embora a hidrólise de RNA seja um processo exergônico, o degradossoma desempenha um papel chave como um mecanismo de regulação para a expressão de genes em ambos, procariotas e eucariotas (Blum et al, 1997).

Uma reação exergônica é uma reação química na qual a mudança da energia livre de Gibbs tem valor negativo, indicando espontaneidade dessas reações.

Uma possível explicação para a conservação do tipo DEAD/RNA helicases pode estar no seu papel na biossíntese de proteínas e na degradação do RNAm. Se isso ocorrer de fato, então podemos dizer que a rotatividade do RNAm mediado por degradossomas é um mecanismo de controle antigo no nível do RNA que foi estabelecido antes da divergência dos três domínios primários da biologia.

Juntamente com outras evidências, incluindo a observação de que o mais altamente conservado agrupamento de genes em vários genomas bacterianos são regulados ao nível da RNA (Siefert et al, 1997), essas evidências se tornam totalmente consistentes com a hipótese de que durante o início fases de evolução de células, moléculas de RNA desempenhavam um papel mais visível nos processos celulares, isto é, no RNA-World/proteína mundo.

O fato das células existentes serem dotadas de genomas baseados em DNA torna mais parcimonioso concluir que este polímero genético já estava presente na população ancestral.

Embora seja possível reconhecer o parentesco evolutivo de várias proteínas ortólogas envolvidas com a replicação do DNA e proteínas de reparação (ATP dependente de Proteínas grampeadoras, topoisomerases, girases e Exonucleases 5´-3´) em todo o espectro filogenética (Leipe et al, 1999 e Olsen & Woese 1997), a análise comparativa do proteoma mostrou que polimerases replicativas bacterianas carecem de primases homólogas nos dois outros reinos primários.

A distribuição peculiar da maquinaria de replicação do DNA conduziu a sugestões não apenas de um LUCA dotado de um genoma de RNA, mas também de uma origem polifilética do DNA e de muitas enzimas associadas à sua replicação (Koonin & Martin 2005, Leipe et al. 1999) em que vírus podem ter desempenhado um papel central (Forterre, 2006).

Koonin & Martin (2005) argumentaram que o LUCA poderia ser acelular com um elevado número de moléculas de RNA viral semelhantes que abioticamente originaram-se dentro das cavidades de uma fonte hidrotermal, uma fumaróla. Esta ideia, que tem críticas quanto ao suporte empírico não leva em conta os problemas envolvidos com a síntese abiótica e acumulação de ribonucleotídeos e polirribonucleótidos e também não explica o aparecimento de moléculas de RNA funcionais (Lazcano et al, 2007).

Forterre (2006) também argumentou que a origem dos genomas de DNA celular falha sobre  sistemas virais, o que da uma origem polifilética a biossíntese de desoxirribonucleotídeos.

De acordo com os modelos propostos, transferências de genes mediadas por aquisições virais ocorreram três vezes, dando origem aos genomas de DNA dos três reinos primários. A invasão do ancestral no domínio bacteriana por um vírus DNA, eventualmente, levou a uma substituição de seus genes RNA celular por seqüências de DNA, onde as enzimas DNA de replicação eucariota e archaea resultaram de uma invasão por vírus de DNA estreitamente relacionados.

Existe certa dificuldade de aceitar esses modelos. Há, de fato muitas indicações que os genomas de RNA existiram durante as fases iniciais da evolução celular (Lazcano et al, 1988b), mas, como referido adiante, é provável que os genomas de cadeia dupla, ou seja, de DNA tornaram-se firmemente estabelecidos antes da divergência dos três domínios principais. Os principais argumentos que sustentam essa possibilidade são: a) em contraste com outras reações bioquímicas energeticamente favoráveis (como as hidrólises fosfodiéster ou a transferência de grupos aminas), a remoção direta de oxigênio a partir do anel 2´-C da pentose para formar o equivalente do desoxi que é termodinamicamente menos favorecido na reação, reduz consideravelmente semelhanças de origens independentes de redução ribonucleotídeas biológicas (Lazcano et al, 2007).

b) Demonstração da origem monofilética de reductases ribonucleotídeas é muito complicado devido suas seqüências primárias altamente divergentes com diferentes mecanismos pelos quais elas geram a substrato 3´, espécies radicais necessárias para a remoção do grupo 2´-OH. No entanto, a análise da sequência e caracterização bioquímica de reductases ribonucleotídeas de archaeas têm mostrado semelhanças com os seus homólogos bacterianos e eucariotos, confirmando a sua origem monofilética (Stubbe et al, 2001). c) Sequências semelhantes e compartilhadas, como grandes proteínas antigas encontradas em todos os três domínios, sugerem fidelidade considerável que ela existiu no sistema genético operatório do ancestral comum. Apesar de algumas afirmações contraditórias (Poole & Logan, 2005), é pouco provável encontrar sistemas genéticos baseados no RNA com tal fidelidade (Lazcano et al, 1992) que não se repliquem usando polimerase multiunitária de RNA dependente de DNA.

A evolução de enzimas muitas vezes envolve a aquisição de novas propriedades catalíticas ou de ligação por uma cadeia proteica existente. A homologia estrutural de domínios funcionais de DNA e RNA helicases (Caruthers et al, 2000) sugere que as helicases de DNA evoluíram a partir de uma helicase inespecífica herdada do RNA-world/Proteína.

Ainda sim, este modelo de evolução enzimática não pode dar conta da diversidade de polimerases existentes.

Embora tenha sido argumentado que todas as polimerases têm uma origem monofilética (Lazcano et al, 1988a), as evidências apontam que este não é o caso, como mostra a identificação de várias classes não homólogas de polimerases, como as primases, polimerases de DNA, DNA polimerases dependentes de RNA, replicases, e poli(A) polimerase e tantas outras (Steitz, 1999).

A análise mais detalhada das estruturas tridimensionais de DNA polimerase I, DNA polimerase II, polimerase Y, transcriptase reversa, e várias replicases virais tem mostrado que todos subdomínios são homólogos e que catalisam a formação da ligação fosfodiéster (Steitz, 1999). Subdomínios homólogos também foram identificados nas DNA e RNA polimerases virais T7 (Jeruzalmi & Steitz, 1998), indicando que podem catalisar a polimerização dependendo do molde ou de ribonucleotídeos ou desoxirribonucleoótídeos.

Estas observações são consistentes com a hipótese de que essas subunidades e subdomínios formados por cerca de 150 aminoácidos são conservados e um dos velhos componentes reconhecíveis de uma polimerase celular ancestral que pode ter sido ambos, replicase e uma transcriptase durante a fase RNA-world/proteína (Delaye et al, 2001).

Esta hipótese é suportada pela presença de domínios homólogos e também em adenilato ciclase, a proteína eucariota de reconhecimento de RNA, pseudouridina sintetase, e várias proteínas ribossomais (Aravind et al, 2002).

Se as evidências apontam para o caminho certo, a falta de um modelo absoluto e de especificidade de substrato de polimerases (Lazcano et al, 1988a) sugere que relativamente poucas mutações teriam sido necessárias para a evolução desta replicase de RNA dar origem a uma polimerase de DNA antes da divergência dos três domínios. Se o domínio foi parte da replicase ancestral durante o RNA-world, então a presença da polimerase de DNA III (DNA pol C) de Escherichia coli e seus homólogos poderiam ser explicadas por um deslocamento não ortólogo (Delaye et al, 2001).

Por analogia com as polimerases de RNA mitocondrial de levedura e de animais desempenham um papel duplo na transcrição e proteção da replicação do DNA (Schinkel & Tabak, 1989), então a polimerase de RNA original é dotada com o domínio descrito acima, catalisada por formação do iniciador de RNA necessário para a replicação de DNA.

Esta polimerase ancestral pode também ter atuado como uma transcriptase durante a fase de RNA-world/Proteína, mas a distribuição das sequências altamente conservadas oligoméricas dependentes de RNA-DNA polimerase indicam uma prévia a divergência evolutiva dos três reinos da biologia.

A descoberta de um número de espécies e archaea e bactérias que vivem sob condições ambientais extremas, incluindo valores de pH, altas e baixas temperaturas conduziu a sugestão de que os extremófilos podem ser considerados modelos de organismos primordiais para o ancestral (Di Giulio 2001). Além disso, a descoberta levou à especulação de que seus estilos de vida fornecem insights sobre habitats extraterrestres de onde a vida pode se desenvolver (Cleaves & Chalmers, 2004). Com exceção de procariontes, a distribuição filogenética de outros extremófilos em cladogramas moleculares não fornece pistas de possível antiguidade. Dentro das bactérias, os organismos mais antigos da vida são representados pela Aquificales e Thermotogales, ao passo que entre as archaea, os ramos mais profundos e mais curtos, são os clados de mais lenta evolução correspondendo aos Nanoarchaeota, Pyrodictiacea e Methanopyraceae (Stetter, 2006).

A posição e comprimento dos ramos destes termófilos e hipertermófilos em árvores RNAr  apoiam a ideia de que o LUCA foi um termófilo (Stetter 2006). No entanto, o reconhecimento de que os ramos mais profundos enraizados de filogenias universais de RNAr e que mostram que eles seriam hipertermófilos não fornecem por si só uma evidencia conclusiva de o LUCA fosse termófilo.

Um LUCA não-hipertermofílico é suportado pela análise de temperaturas ótimas de crescimento em procariotas correlacionados com o teor de nucleotídeo G+C de 40 sequências de RNAr. Isto leva-nos a concluir que o ancestral universal foi um mesófilo, ou seja, um organismo mesófilo desenvolve-se melhor em condições de temperatura moderada, nem muito quente nem muito frio, entre os 15 e os 40°C. Embora as opiniões alternativas existam (Di Giulio 2001).

A possibilidade de que o LUCA não foi uma entidade hipertermofílica é apoiada por recentes estudos filogenéticos de sequencias de enzimas. As dissulfeto oxidorredutase (DOP) estão envolvidas em reações de permuta de dissulfureto-ditiol (Pedone et al, 2004), e uma análise computacional de dados genômicos sugerem que elas desempenham um papel importante na formação e estabilização de proteínas intracelulares com ligações de dissulfureto de termófilos em ambientes enriquecidos com dissulfureto (Ladenstein & Ren, 2006). A evidência disponível sugere que duplicações parálogas levou a formação da DOP, que são formados por dois domínios homólogos. A sugestão é que Crenarcheaota e se espalhou para as bactérias por THG via o Euryarchaeota (Becerra et al, 2007), confirmando sugestões anteriores que as DOP bacterianas têm uma origem archaeana (Pedone et al, 2004). Isto é consistente com a hipótese de que um significativo intercâmbio de genes ocorreu entre archaeas e bactérias termófilas (Forterre et al, 2000, Makarova & Koonin, 2003).

O número de genes metabólicos altamente conservados é surpreendentemente pequeno. Um inventário inclui muitas sequencias de açúcar relacionadas com o metabolismo, como enolase, thioredoxin (trxB), fosforibosil-pirofosfatossintase (fps), e UDP-galactose 4-epimerase (galE). Muito provavelmente, a conservação evolutiva da trxB e fpsA é melhor entendida em termos dos principais papéis que desempenham na biossíntese de nucleotídeos. O papel da galE na síntese de hidratos de carbono por meio da interconversão dos grupos de galactosil e glucosilo é bem conhecida.

É possível que a conservação de galE seja devido a uma participação desconhecido em outros processos básicos, como é o caso para a enolase.

A conclusão de que o LUCA foi um procarioto não diz muito sobre o seu modo de aquisição de energia e carbono. A distribuição desigual de genes metabólicos dificulta nossa compreensão das fontes de carbono, nitrogênio e energia e os seus antecessores imediatos (Moreira & López-García 2006) e claro, avaliar o metabolismo ancestral. (Veja FILOGENÔMICA E ORIGEM DAS REDES METABÓLICAS MODERNAS)

No entanto, se várias cópias de cada família gene importante estavam presentes no genoma do LUCA (Glansdorff, 2000), os padrões de distribuição complexos observados em genes de vias bioenergéticas e biossintéticas podem ser explicados como resultado das perdas de genes polifiléticos, como os descendentes do ancestral adaptado a uma ampla variedade de ambientes sob diferentes pressões de seleção (Castresana 2001).

Tem sido argumentado que o LUCA era uma entidade acelular, mas a elevada conservação filogenética e ampla distribuição de proteínas ligadas a membranas e as enzimas, como as subunidades hidrofílicos ATPase, o sinal de reconhecimento de partículas, e os transportadores ABC (Delaye et al, 2005) são consistentes com a ideia de que o ancestral era uma célula delimitada por uma membrana, que pode ter sido dotada de lipídios heteroquirais compostos por uma mistura de glicerol-1-fosfato e glicerol-3-fosfato (Pereto et al, 2004 & Wächstershäuser 2003).

A conservação das subunidades da bomba de prótons e ATPase de membrana sugere que o ancestral produzia um gradiente de proteínas quimicamente conduzido através da sua membrana celular usando uma variedade de moléculas inorgânicas oxidadas como aceitadores moleculares (Castresana & Moreira 1999). A conservação dos transportadores ABC, P-ATPases e permeases acopladoras de íons é uma indicação da elevada conservação de fenômenos de transporte de membrana ao longo da evolução (Clayton et al, 1997).

Saiba mais em “LUCA” – OS PRIMEIROS PASSOS PARA OS TRÊS GRANDES DOMÍNIOS DA BIOLOGIA. Parte I 

Victor Rossetti

Palavras chave: NetNature, Rossetti, LUCA, Monofilético, Homologia, Enzimas, ATpase, RNA, RNA-world, DNA, Bacterias, Archaea, Eucariotos

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Referências

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