A BIOQUÍMICA DO MELANISMO EM Papilio glaucus E O SEU MIMETISMO COM Battus philenor (PAPILIONIDAE).

O caso da borboleta melânica Papilio glaucus da América do Norte é um dos mais notáveis exemplos de evolução ocorrendo no nível bioquímico. Nesta espécie, as fêmeas podem ser amarelas (tipo selvagem) ou pretas (tipo melânica). A forma melânica é um mímico batesiano da borboleta Battus philenor, que também é de cor preta em geral.

(a) do tipo selvagem feminino com teste padrão amarelo e preto normal. (b) do sexo feminino Melanic em que a maioria do fundo amarelo é substituído com preto.

Papilio glaucus (a) tipo selvagem feminino com teste padrão amarelo e preto normal. (b) do sexo feminino Melanico em que a maioria do fundo amarelo é substituído com preto.

O melanismo em P. glaucus é controlado por um único de gene chamado black (fêmea). Fêmeas melânicas, sempre têm filhas melânicas. A melanina substitui o fundo amarelo somente em fêmeas. Experimentos recentes têm demonstrado que a enzima chave envolvida neste processo é a N-β-alanil-dopamina-sintase (BAS), o qual desvia a dopamina da via da melanina e produz o pigmento amarelo nos papiliocromos, bem como também proporciona produtos para esclerotização cuticular (Scriber et al, 1996).

(c) de tipo selvagem via bioquímica para a formação de melanina papiliochrome amarelo e preto. Note como a dopamina é um precursor para ambos os pigmentos de cor, mas que o BAS seletivamente canais de dopamina em síntese papiliochrome. (d) Melânico via em que a actividade BAS é suprimida de uma forma específica do tecido (tal como indicado pelas setas tracejadas), que conduz a uma falha na produção de papiliochrome nas áreas centrais da asa. A área correspondente é posterior melanizados preto.

(c) Via bioquimica de BAS no tipo selvagem para a formação de melanina no papiliocromo (amarelo e preto). Note como a dopamina é um precursor para ambos os pigmentos, mas há seletividade dos canais de dopamina na síntese de papiliocromos. Em melânicos (d) a via a atividade de BAS é suprimida de uma forma específica no tecido (tal como indicado pelas setas tracejadas), que conduz a uma falha na produção do papiliocromo nas áreas centrais da asa. A área correspondente é posteriormente melanizada.

Nas fêmeas melânicas, esta enzima é suprimida, levando a melanização anormal de uma área anteriormente amarela, e a uma maturação das escamas das asas atrasada. Isto levanta a possibilidade de que a atividade reduzida da enzima BAS previne a esclerotização (maturação) da fêmea, ou ainda, atrasa a maturação e opõe-se a expressão da BAS na fase correta.  Uma questão de causa e efeito.

Entretanto, no geral, os dados mostram como as alterações na expressão do produto de um único gene podem resultar em múltiplos fenótipos na cor asa.

As cores amarela e laranja são formadas por papiliocromos (Umebachi, 1985), um grupo de pigmentos exclusivos da família das borboletas Papilionidae (na qual pertencem as duas espécies aqui apresentadas), e preto, que  é formado por melanina. Durante o desenvolvimento da asa na pupa, as cores amarelo e laranja são depositadas em primeiro lugar e, em seguida, as áreas circundantes são melanizadas de preto. A melanina e os papiliocromos surgem a partir de um caminho bioquímico comum. Assim, a enzima dopa-descarboxilase (DDC) catalisa a conversão de dopa em dopamina, que é um precursor para a síntese de melanina e do papiliocromo. Como a dopamina é necessária primeiramente para a formação do papiliocromo e, em seguida, a melanina, o gene da DDC é expresso no início das áreas amarelas e depois apenas em áreas pretas presuntivas (Koch et al, 1998). Esta inversão da expressão de DDC explica como um dado tecido torna-se amarelo ou preto, durante o curso de desenvolvimento do tipo selvagem, quando as vias de síntese para ambos os pigmentos coloridos partem do mesmo precursor.

Em Drosophilas mutantes o gene ebony mostra fenótipos pretos em todo o corpo (Hovemann et al, 1998) por causa do fracasso da enzima BAS em catalisar a conversão de dopamina. A falta da enzima BAS, que é necessária para a produção da cutícula normalmente de cor castanho dourado conduz a um excesso de dopamina, o que resulta em melanização anormal da cutícula.

Em Papilio, a enzima BAS também desempenha um papel-chave na dopamina para fora da via de síntese de melanina na parte específica do papiliocromo. Portanto, a falta de atividade da enzima BAS na asa poderia ser a chave entre o tipo selvagem e padrões melânicas. Foi desenvolvido um ensaio para a atividade de BAS de asa do tipo selvagem e nas asas dianteiras melânicas medindo a incorporação de 14C-β-alanina.

Em asas do tipo selvagem, a atividade BAS mostrou um pico no estágio de desenvolvimento IV que corresponde ao pico de síntese de papiliocromos, enquanto que, nas asas melânicas, houve quase uma completa ausência de atividade BAS. Nessas asas melânicas, o baixo nível de atividade BAS é provavelmente associado à linha remanescente de manchas amarelas distais ainda presentes no padrão mutante (Koch et al, 2000).

Atividades BAS no tipo selvagem contra forewings melânicas em momentos de desenvolvimento diferentes (estádios de asa pigmentação). Note-se que, em (e) as asas do tipo selvagem, atividade BAS culminado em estágio de desenvolvimento IV, ao passo que, (f) em asas melânicas, atividade BAS era quase ausente. A actividade residual em (f) é derivada apenas de formação dos restantes pontos marginais amarelo (seta).

Atividades BAS no tipo selvagem e em melânicas em momentos de desenvolvimento diferentes (estádios de pigmentação da asa ). Nota-se que (esquerda) nas asas do tipo selvagem, a atividade de BAS acaba culminado em estágio de desenvolvimento IV, ao passo que, (direita) em asas melânicas, a atividade de BAS era quase ausente. A atividade residual é derivada apenas de formação dos restantes pontos marginais em amarelo (indicado pela seta).

A observação de que a supressão de uma única enzima está envolvida em todo este processo nos ajuda a compreender a forma como este fenótipo pode estar sob o controle de um único gene. Nota-se que as mudanças envolvidas no melanismo não são apenas sexo-específicas, mas também padrão-específicas, já que nem toda a borboleta torna-se preta.

Formas melânicas de P. glaucus, portanto, não podem ser simplesmente mutantes na enzima BAS como é o caso de algumas cepas de Drosophila para o gene ebony. Ao que parece, segundo os estudos e evidências, em Papilio o próprio gene melânico (o gene black) deve ser capaz de suprimir a atividade de BAS em ambos, células e sexo específico, talvez em resposta à dosagem de algum fator. Esta hipótese de supressão específica de células foi apoiada por analises de espécimes que são “ginandromorfas”, ou seja, que mostram um mosaico de tecidos masculinos e femininos nas asas.

GinardOrnithoptera goliath procus (Papilionidae)

Ginandromorfismo em Ornithoptera goliath procus (Papilionidae). Espécie bastante comum na Nova Guiné.

Quando os tecidos do sexo feminino foram melânicos, um mosaico de melânicos (marrom escuro, feminino) e tecidos do tipo selvagem (amarelo e preto, do sexo masculino) foram vistos no mesmo espécime. Isto sustenta a proposta de que o controle do gene melânico é feito tanto por sexo-específico quanto por célula autônoma. As investigações sobre as mudanças nas taxas de maturação no mutante melânico mostraram que a síntese de pigmentos nas asas das borboletas era realizada de forma fixa, com pigmentos coloridos (pelos papiliocromos).

Estas observações levantam duas alternativas interessantes para o papel do BAS no melanismo. Em primeiro lugar, a supressão da atividade da enzima BAS nas áreas centrais da asa pode levar diretamente ao atraso na maturação, e produtos da atividade da BAS também são necessários para a escala esclerotização (Sugumaran, 1998). Alternativamente, pode ser que o atraso de maturação exclua a atividade de BAS durante a fase adequada da síntese do pigmento, o que leva à falha na síntese papiliocromos. Em conexão com a última possibilidade, podemos constatar que o momento da síntese do pigmento é definido com a queda de hormônios ecdiesteróides encontrados na pupa antes eclosão (Koch, 1995), podendo implicar em receptores hormonais ecdiesteróide nucleares como as principais causas da maturação. Portanto, o gene Black pode modular a concentração da hormonal de escamas amarelas, os quais são, em seguida, atipicamente melanizadas numa fase posterior no processo de amadurecimento.

Modelo de temporização mostrando como o pigmento de cor de síntese pode ser ligado à concentração da hormona ecdisteróide caindo no pupa antes da eclosão. Neste modelo, papiliochrome síntese é desencadeada mais cedo, quando a concentração da hormona é elevado; mais tarde, quando a concentração de hormônio é baixa, ocorre melanization. Especula-se que o gene preto interfere com este processo através da modulação da resposta de escamas amarelas presumíveis para o título hormona cair. Um mecanismo pelo qual uma tal mudança pode ocorrer é através de exibição diferencial de receptores hormonais

Modelo de temporização mostrando como a síntese de um pigmento pode ser ligado à concentração de hormônio ecdisteróide na pupa antes da eclosão. Neste modelo, a síntese de papiliocromo é desencadeada mais cedo, quando a concentração da hormônio é elevada; mais tarde, quando a concentração de hormônio baixa, ocorre melanização. Acredita-se que o gene black interfere neste processo através da modulação da resposta de escamas amarelas. Um mecanismo pelo qual uma tal mudança pode ocorrer é através de exibição diferencial de receptores hormonais

Até o momento, os estudos de formação do padrão de coloração das asas das borboletas têm centrado no desenvolvimento de ocelos (Veja UMA ÚNICA ORIGEM PARA AS MANCHAS OCELARES DAS BORBOLETAS DA FAMÍLIA NYMPHALIDAE) ou a formação da asa anterior (Weatherbee et al, 1999). Em Drosophila, os estudos genéticos recentes têm demonstrado que o gene ebony, codifica a BAS, e é importante para a regulação de padrões melânicas das veias das asas (True et al, 1999). Embora tenhamos mostrado que BAS é uma das enzimas chave suprimidas no fenótipo melânico na borboleta de rabo de andorinha, isto não prova que o gene que codifica BAS é o próprio gene black. Não podemos também inferir diretamente que Drosophila ebony e Papilio black sejam homólogos um do outro (apesar de sua aparente semelhança em função da enzima BAS). Por exemplo, a atividade da enzima BAS em Papilio poderia ser regulamentada após a tradução, ou o próprio gene BAS-codificado que pode ter o controle ligado ao sexo sendo feito por uma via diferente. Entender a regulação da atividade BAS em Papilio e como ela é alterada em mutantes melânicas pode, portanto, beneficiar uma maior análise genética de genes tais como o ebony em Drosophila (Koch et al, 2000).

No entanto, os dados demonstram um potencial mecanismo bioquímico pelo qual uma ampla mudança de padrão de cor é relacionada com a regulação de uma única atividade enzimática chave.

Battus philenor

Battus philenor (Papilionidae)

Os resultados também têm implicações para outros dois aspectos do mimetismo em lepidópteros. Em primeiro lugar, o mimetismo em outras espécies, muitas vezes envolve alternância de pigmentos coloridos e melanina. Por exemplo, as borboletas do gênero Heliconius (Nijhout, 1991) mostram mudanças de pigmentos coloridos (vermelho, laranja, branco ou amarelo) para aqueles que contêm melanina (preto). Semelhanças na cor ocorrem via alternância de genes, envolvidos em alterações do padrão de coloração em outras espécies de borboletas e mariposas, embora a natureza bioquímica dos pigmentos coloridos podem diferir entre as espécies. A elucidação desses genes interruptores podem nos ajudar a estudar a evolução molecular do mimetismo. Em segundo lugar, as nossas observações de que um único fator genético podem afetar vários fenótipos no padrão da asa (ou seja, tanto as taxas de maturação e o próprio padrão de cor) também podem ajudar a explicar por que tais fenômenos em outras espécies de borboletas Papilionidae foram rotuladas como estando sob o controle de “super-genes” (Veja ‘SUPERGENE’ PERMITE DISFARCE ENTRE BORBOLETAS). Super-genes foram definidos como grupo de dois ou mais genes que estão intimamente ligados que afetam vários componentes diferentes do padrão (Nijhout, 1991).

A demonstração de que a atividade de BAS poderia regular a maturação e, por sua vez, determinar a cor final mostra um mecanismo potencial pela qual múltiplos fenótipos de cor podem ser efetuados por controle de um único gene. Assim, diferentes atrasos na maturação podem produzir diferentes matrizes de cor em diferentes espécies. Isso pode ajudar a explicar como a multiplicidade de cor e fenótipos poderia ser regulada por um único fator genético, em vez de, como se pensava anteriormente, vários genes ligados (ou um super-gene) que regulam uma série de fenótipos intimamente relacionados.

Outra questão é descobrir quais fatores desencadeiam essas mudanças fenotípicas. Quais fatores ambientais, moleculares e/ou epigenéticos podem eventualmente ser protagonistas dessas variações. Na borboleta Bicyclus anynana (Veja aqui) existe variação no padrão de coloração das asas e ocelos de acordo com a estação do ano. Na primavera e verão, época em que as chuvas são mais frequentes e é período de acasalamento, a umidade e temperatura interferem na genética de desenvolvimento e levam a produção de ocelos vistosos nos machos. No outono e inverno os machos tem ocelos reduzidos com baixa coloração e as asas se tornam mais cinzas e amarronzadas favorecendo a camuflagem. O estudo desta espécie constatou que a temperatura e umidade influenciam na atuam de genes como o Distal-Less.

Talvez fosse um bom projeto de pesquisa para os interessados, identificar quais fatores ambientais (se é que são os fatores ambientais) que influenciam na atuação da bioquímica de BAS e na mudança de fenótipo melânico selvagem.

Victor Rossetti

Palavras chave: NetNature, Rossetti, Borboleta, Papilionidade, Papilio glaucus, Battus philenor, Mimetismo, Bioquímica.

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Referências

Scriber JM, Hagen RH, Lederhouse RC: Genetics of mimicry in the tiger swallowtail butterflies, Papilio glaucus and P. canadensis (Lepidoptera: Papilionidae) Evolution 1996, 50:222-236.
Umebachi Y: Papiliochrome, a new pigment group of butterfly. Zool Sci 1985, 2:163-174.
Koch PB, Keys DN, Rocheleau T, Aronstein K, Blackburn M, Carroll SB, ffrench-Constant RH: Regulation of dopa decarboxylase expression during colour pattern formation in wild-type and melanic Tiger swallowtail butterflies. Development 1998, 125:2303-2313.
Hovemann BT, Ryseck R-P, Walldorf U, Stortkuhl KF, Dietzel ID, Dessen E: The Drosophila ebony gene is closely related to microbial peptide synthetases and shows specific cuticle and nervous system expression. Gene 1998, 221:1-9.
Sugumaran M: Unified mechanism for sclerotization of insect cuticle. Adv Insect Physiol 1998, 27:227-334.
Koch PB: Colour pattern specific melanin synthesis is controlled by ecdysteroids via dopa decarboxylase in wings of Precis coenia (Lepidoptera: Nymphalidae). Eur J Entomol 1995, 92:161-167.
Weatherbee SD, Nijhout HF, Grunert LW, Halder G, Galant R, Selegue J, et al.: Ultrabithorax function in butterfly wings and the evolution of insect wing patterns. Curr Biol 1999, 9:109-115.
True JR, Edwards KA, Yamamoto D, Carroll SB: Drosophila wing melanin patterns form by vein-dependent elaboration of enzymatic prepatterns. Curr Biol 1999, 9:1382-1391.
Nijhout HF: The development and evolution of butterfly wing patterns. In Smithsonian Series in Comparative Evolutionary Biology. Edited by Funk VA and Cannell PF. Washington and London: Smithsonian Institution Press; 1991:297.
Bernhardt Koch*, Bettina Behnecke* and Richard H. ffrench-Constant. The molecular basis of melanism and mimicry in a swallowtail butterfly. Current Biology Vol 10 No 10. 2000

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