UM GENE PARA A NOVA ESPÉCIE É DESCOBERTO. (Comentado)

Um estudo da Universidade de Utah identificou um “gene de inviabilidade de híbridos” há muito tempo procurado por ser o responsável por descendentes mortos ou inférteis quando duas espécies de moscas da frutas acasalam uma com a outra. A descoberta traz luz sobre o processo genético e molecular, levando à formação de novas espécies, e pode fornecer pistas sobre como o câncer se desenvolve.

Ao desativar um gene que mata ou esteriliza a descendência híbrida de duas espécies de moscas, pesquisadores da Universidade de Utah levaram-"resgatado" uma mosca de fruta híbrida do sexo masculino que normalmente teria morrido em sua fase larval. Os pontos pretos nesta imagem de suas células mostram cérebro estão dividindo normalmente. Crédito: Aida de la Cruz, Fred Hutchinson Cancer Research Center

Ao desativar um gene que mata ou esteriliza a descendência híbrida de duas espécies de moscas, pesquisadores da Universidade de Utah “resgataram” uma mosca de fruta híbrida do sexo masculino que normalmente teria morrido em sua fase larval. Os pontos pretos nesta imagem são de suas células do cérebro e mostram que estão se dividindo normalmente. Crédito: Aida de la Cruz, Fred Hutchinson Cancer Research Center

“Nós sabíamos há décadas que algo como este gene deveria existir, e, finalmente, a nossa abordagem nos permitiu identificá-lo”, diz o biólogo Nitin Phadnis, principal autor do estudo publicado na revista Science.

A definição de uma espécie é que ele não pode se reproduzir com sucesso com outras espécies, de modo que “para entender a especiação é entender como essas barreiras reprodutivas evoluiram”, diz ele. “Você chama de novas espécies quando existem barreiras que os impedem de reprodução com o outro. A identificação desses genes é descobrir a base molecular da esterilidade dos híbridos ou a morte e é a chave para a compreensão de como novas espécies evoluem e continuam a ser uma das grandes e antigas questões na biologia desde Darwin”.

A grande surpresa é que o gene que faz com que os híbridos da mosca de fruta seja inviável – é chamado gfzf – é um “gene da regulação do ciclo celular ” ou “ciclo do gene checkpoint da célula” normalmente envolvido em parar a divisão celular e da replicação se forem detectados defeitos. Mas quando mutado e desabilitado no novo estudo, o gene permitiu a sobrevivência dos híbridos machos das duas espécies da mosca de fruta.

O gene gfzf evolui rapidamente, no qual os biólogos esperam genes de inviabilidade híbridos. Mas também foi uma surpresa porque os genes de checkpoint do ciclo celular geralmente evoluem lentamente porque eles são genes essenciais “conservados” para a maioria dos organismos.

Isso é a descoberta de que gfzf causa a morte ou infertilidade em moscas de fruta híbridas “é realmente importante na biologia do câncer”, diz Phadnis. “Os biólogos do câncer estão interessado em postos de controle do ciclo celular, porque você pode ter câncer quando eles vão mal [e células proliferam sem controle]. Os biólogos querem entender o maquinário. Este trabalho mostra que alguns desses componentes na maquinaria do ciclo celular podem ser rapidamente mudados”.

Phadnis e seus colegas tiveram que superar vários obstáculos técnicos da identidade do gfzf como o gene de especiação, e ele especula que o uso de técnicas similares poderiam mostrar “que este tipo de processo pode vir a ser importante em muitas outras espécies.”

Um conto de duas moscas de fruta

O novo estudo envolveu duas espécies estreitamente relacionadas de moscas das frutas encontradas em todo o mundo: Drosophila melanogaster e Drosophila simulans. Phadnis diz ambas moscas de fruta espécies estçao separadas a cerca de 2 milhões de anos. Phadnis diz no novo estudo que “resolve com sucesso um dos casos mais célebres da genética de especiação”, ou seja, que a descendência híbrida das duas espécies não são viáveis.

Os geneticistas têm procurado genes de inviabilidade da mosca de fruta desde 1910, quando eles notaram que os primeiro híbridos entre as duas espécies eram mortos, diz Phadnis.

Durante a última década, outros cientistas identificaram dois outros genes que desempenham um papel em causar descendentes mortos ou inférteis quando as duas espécies de moscas reproduziam: em D. simulans era o gene chamado Lhr (resgate híbrido letal) e um gene chamado HMR (salvamento macho híbrido) em D. melanogaster. Se qualquer gene está ausente, os machos híbridos sobrevivem. Mas as evidências indicam que um terceiro gene, desconhecido, também foi obrigado a fazer híbridos morrem ou serem esterilizados.

Phadnis diz que as novas espécies evoluem quando duas populações de uma espécie tornam-se separadas – geralmente geograficamente – e então “algo muda em seu genoma de tal forma que quando usado anteriormente para ser compatível, agora os seus híbridos são disfuncionais”.

Ele diz que é extremamente difícil identificar genes de inviabilidade de híbridos. A genetica geralmente envolve a criação de animais para identificar genes responsáveis ​​por uma função ou mau funcionamento particular. Mas se os híbridos são mortos ou infértil, não funciona.

Além disso, ferramentas de pesquisa genética foram projetados para D. melanogaster – as moscas de fruta utilizadas em experimentos de genética – não por D. simulans, que pesquisas anteriores indicaram carregar o gene recém-identificado. Finalmente, não há nenhum mutante de ocorrência natural do gene híbrido com inviabilidade recentemente identificada para isolar e identificar em populações de moscas naturais.

Assim, “nós descobrimos uma maneira de contornar as barreiras tradicionais”, invertendo incompatibilidades híbridas entre as duas espécies de moscas e utilizando sequenciamento de última geração de seus modelos genéticos, diz Phadnis.

Reprodução de mutantes masculinos em moscas de frutas híbridas que vivem

Phadnis e colegas alimentaram 55 mil moscas de frutas D. simulans do sexo masculino com um produto químico que causa mutação, e reproduziram os machos mutantes de D. simulans com as fêmeas normais e D. melanogaster, em seguida determinou quais genes mutados permitiram alguns híbridos do sexo masculino viver. Todos os machos híbridos normalmente morrem durante a transição de larva a pupa, estes nunca se tornam moscas adultas.

A prole resultante incluiu 300 mil fêmeas híbridas – que eram estéreis, mas vivas – e apenas 32 que gerou híbridos do sexo masculino, também estéreis. Apenas seis dos híbridos vivos do sexo masculino estavam vivos devido a uma mutação que desativou o gene inviabilidade híbrida ainda não identificado, os outros 26 não foram analisados.

Os pesquisadores então sequenciaram os genomas ou modelos genéticos desses seis machos híbridos de moscas de frutas, e de ambas as estirpes de moscas de fruta paternas. Em seguida, comparam D. simulans com parte dos genomas com seis híbridos machos vivos nos genomas da estirpe não-mutante de D. simulans da linhagem materna. Isso permitiu Phadnis e colegas identificar todos os 600 a 1.200 novas mutações em cada um dos seis machos híbridos vivos.

O que Phadnis chama de “um resultado surpreendentemente limpo”, os investigadores encontraram apenas um único gene de mosca da fruta D. simulans que era mutante em todos os seis machos híbridos vivos: um gene no terceiro cromossomo chamado gfzf. Assim, o gene gfzf de D. simulans é o gene de inviabilidade híbrida que normalmente ajuda a matar os machos híbridos, mas permite-lhes viver quando silenciados por uma mutação.

Os pesquisadores ainda não sabem o papel normal do gene gfzf em um nível molecular, mas Phadnis planeja estuda-lo em seguida. Ele também pretende investigar se há mais genes envolvidos na inviabilidade da prole quando as duas espécies de moscas acasalam.

Por que um gene que torna inviável os híbridos? A seleção natural não deve eliminá-lo ao longo do tempo? Phadnis diz que esses genes são selecionados para alguma outra característica – os pesquisadores ainda não sabem por que – e “a morte do híbrido é uma consequência acidental do que a evolução.”

Phadnis especula que gfzf pode ser favorecida pela seleção natural porque ajuda a controlar os chamados genes saltadores, o que pode atrapalhar genes essenciais para criar mutações causadoras de doenças.

Por que é importante aprender como uma espécie pode tornar-se duas novas espécies?

“Mesmo quando somos crianças pequenas, uma das primeiras coisas que descobrimos sobre o mundo é o número e diversidade de espécies na Terra”, diz Phadnis. “Especiação é o motor produzindo essa diversidade. Então, a compreensão da especiação tem sido um problema de longa data, mesmo antes dos dias de Darwin. Agora, nós finalmente somos capazes de usar a tecnologia de forma criativa para resolver esses velhos problemas de longa data”.

Journal Reference:
1. Nitin Phadnis, EmilyClare P. Baker, Jacob C. Cooper, Kimberly A. Frizzell, Emily Hsieh, Aida Flor A. de la Cruz, Jay Shendure, Jacob O. Kitzman, and Harmit S. Malik.An essential cell cycle regulation gene causes hybrid inviability in DrosophilaScience, 18 December 2015 DOI:1126/science.aac7504

Fonte: Science Daily

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Comentários internos

Este texto é bastante oportuno porque vai de encontro com uma questão fundamental da biologia, o conceito de espécie. Quando observamos animais na natureza, usamos semelhanças físicas para dizer que dois indivíduos são da mesma espécie. Entretanto, a semelhança física entre os organismos não é um critério confiável para dizer que indivíduos são da mesma espécie. Algumas espécies são muito parecidas fisicamente com outras e, em alguns casos, indivíduos são tão diferentes que nem acreditamos quando constatamos se tratar da mesma espécie. A título de exemplos, podemos usar borboletas que exemplificam muito bem estes dois casos.

Acima Heliconius besckei e abaixo uma Heliconius erato phyllis. Fonte: Biodiversidade Teresopolis e Marcus Vinicius Lameiras

Acima Heliconius besckei e abaixo uma Heliconius erato phyllis. Fonte: Biodiversidade Teresopolis e Marcus Vinicius Lameiras.

Notamos então que alguns organismos podem parecer muito uns com os outros e serem de espécies diferentes. Sendo assim, á aparência não define uma espécie. Para definir uma espécie, usamos um conceito proposto em 1942 pelo biólogo Ernst Mayr na qual estabeleceu que uma espécie é caracterizada pela sua capacidade de reproduzir e gerar descendentes férteis. Obviamente, por serem espécies de borboletas do mesmo gênero são semelhantes, mas são distintas o suficiente para geneticamente não se reproduzirem mais, graças ao processo evolutivo chamado de especiação (Veja mais em CARIÓTIPO DE BORBOLETAS APRESENTA EVIDÊNCIAS DE ESPECIAÇÃO). Além disto, Heliconius besckei é muito mais sensível a variações de umidade do ar, diferente das Heliconius erato que são amplamente distribuídas, inclusive em jardins de centros urbanos onde a umidade é bastante prejudicada pela poluição.

O contrário também ocorre. Muitas vezes animais com características fenotípicas distintas levam as pessoas a acreditarem se tratar de duas espécies disintas, mas são da mesma espécie. Em aracnologia era muito comum isto ocorrer no passado devido ao dimorfismo sexual, onde machos e fêmeas são de tamanhos e até de cores distintas. Muitas espécies eram classificadas em duas porque os naturalistas coletavam fêmeas e machos em locais distintos e se guiavam pelas semelhanças em certas características. Com o avanço dos estudos sobre anatomia, morfologia e genética, notou-se que os órgãos reprodutores de aranhas eram do tipo chave-fechadura e isto era um bom indicativo para identificar espécies por estudos anatômicos (e também são mecanismos de especiação). Claro, os avanços na genética uniu casais que haviam sido classificados em espécies distintas.

Isto ocorre também com borboletas e talvez o caso mais comum no Brasil seja com a espécie Catonephele numilia penthea onde há um profundo dicromatismo (referente á cor) e dimorfismo sexual (referente a forma em relação ao sexo).

Acima a fêmea de Catonephele numilia penthea (Nymphalidae) e abaixo o macho

Acima a fêmea de Catonephele numilia penthea (Nymphalidae) e abaixo o macho.

Poderíamos olhar para uma formiga operária e uma formiga soldado isoladamente e concluir que são de especies distintas quando na verdade pertencem a mesma espécie e descobrimos que são do mesmo formigueiro. Portanto, é necessário cerca cautela ao definir espécies.

No caso dos paleontólogos, não é possível observer a reprodução, afinal, seus objetos de estudos são animais mortos e fossilizados a milhões de anos. Neste caso, as espécies são definidas segundo diferenças morfológicas uma vez que são características facilmente observáveis.

Um problema no conceito de espécie proposto por Mayr diz respeito à formação de híbridos. Jumentos e éguas, por exemplo, são diferentes entre si, porém podem reproduzir-se dando origem à mula, que é um animal estéril. Algumas espécies de carvalho também hibridizam com facilidade, assim como algumas espécies de corvo ou mesmo de borboletas e orquídeas. O que mostra que há certas exceções a regra. Em borboletas á casos de hibridismo fertile, especialmente na Amazônio (Veja mais em BIOLOGIA, ECOLOGIA, EVOLUÇÃO E GENÉTICA DE POPULAÇÕES DE BORBOLETAS HELICONIUS DO BRASIL).

Vários pesquisadores têm tentado criar uma definição de espécie que solucione todos estes problemas. Nestas tentativas, cerca de 26 conceitos diferentes de espécie foram criados, mas nenhum consegue definitivamente definir o que é uma espécie, deixando o de Mayr como o mais aceito.

Um destes conceitos envolve “espécies-em-anel na qual define espécie como distribuição geográfica que forma um anel com sobreposições nas extremidades. As muitas subespécies de salamandras Ensatina na Califórnia exibem este tipo de classificação, com ligeiras diferenças morfológicas e genéticas em toda a sua diversidade do anel. Todas elas cruzam com seus vizinhos com uma exceção: as extremidades do anel não se reproduzem. Em termos práticos, as espécies de salamandras do sul da Califórnia onde coincidem ás espécies E.klauberi e E. eschscholtzii não há reprodução pois são geneticamente distintas o suficiente para determinam espécies diferentes.

Este não é o único caso, há casos com aves em geral, gaivotas, skuas e tantos outros. Neste caso, a definição de espécie esbarra no conceito Filogenético de espécies onde uma espécie é uma “ponta” em uma filogenia, ou seja, no menor conjunto de organismos que compartilham um ancestral e podem ser distinguidos de outros grupos de organismos. Por esta definição, uma espécie em anel é uma única espécie que engloba uma grande variação fenotípica. A escolha de um pesquisador sobre qual conceito de espécie ele vai usar muitas vezes reflete o foco de sua pesquisa. Tomar essa decisão exige que o cientista se comprometa com o conceito escolhido. Para a maioria dos propósitos e para a comunicação com o público em geral, o conceito biológico de Mayr é usado (Ib.USP).

Há também o conceito de reconhecimento de espécie, onde uma espécie é um conjunto de organismos que podem reconhecer uns aos outros como potênciais parceiros ainda que estes dois parceiros tenham sido impedidos de acasalar por algum tipo de isolamento. O simples fato de poderem se reconhecer como parceiros em potencial os tornam da mesma espécie.

Outro conceito que pode ser usado é o fenotípico de espécies na qual uma espécie é definida por um grupo de organismos que são fenotipicamente similares e que parecem diferentes de outros grupos de organismos. Por este conceito, a similaridade fenotípica é tudo o que importa no reconhecimento de espécies distintas. Assim, mesmo que os indivíduos tenham a mesma aparência e que sejam impedidos de se acasalar eles serão considerados a mesma espécie (Ib.USP).

Sem título

Devemos considerar a trilobite A como uma espécie separada da trilobite D. Se consideramos isto; onde devemos dividir a linhagem em distintas espécies? Fonte: Ib Usp

Pensando novamente no caso dos paleontólogos, um dos conceitos cogitados é o de cronoespécie, na qual se refere a diferentes estágios da mesma linhagem evolutiva que existiram em diferentes pontos no tempo. Eles apresentam um problema para o conceito biológico de espécies porque não é possível descobrir se, por exemplo, um trilobita que viveu a 300 milhões de anos realmente se reproduziu com um antepassado que viveu a 310 milhões de anos (Ib.USP).

Por último, há ainda a definição de espécie para os microbiólogos difere completamente da definição de espécie feita por os taxonomistas que estudam organismos superiores. O que é evidente, pois se para os zoólogos a reprodução é critério para determinação de espécie, mas em espécies microbiológicas não há reprodução sexuada e o critério de definição deve ser outro. Para a microbiologia uma espécie bacteriana define-se como um grupo de estirpes que partilham diversas propriedades estáveis e que diferem significativamente de outros grupos de estirpes. Uma estirpe bacteriana corresponde á uma população de organismos que descende de um único organismo ou de uma colônia de cultura pura. Dentro de uma mesma espécie, as estirpes podem apresentar pequenas variações: propriedades bioquímicas ou fisiológicas ou propriedades antigênicas.

Assim, o conceito de espécie em microrganismos é baseado em diferenças morfológicas e bioquímica e geralmente é feito com o uso comparativo de RNA ribossomal. Isso ocorre porque as bactérias desfrutam também de uma característica bastante incomum chamada de transferência horizontal de genes.

Victor Rossetti

Palavras chave: NetNature, Rossetti, Espécies, Conceito, Definição, Ernst Mayr, Especiação, Hídridos, Borboletas, Salamandras, Fósseis, Trilobitas.

One thought on “UM GENE PARA A NOVA ESPÉCIE É DESCOBERTO. (Comentado)

  1. Muito Foda! Eu sempre achei que existisse um gene do tipo.
    Finalmente estamos compreendendo mais e mais como ocorre este incrivel fenomeno a especiaçao.
    quanto a palentologia vai ficar meio dificil definir as especies agora, especialmente quando temos um dimorfismo sexual avantajado, mas nada que nos nao consigamos entendender melhor depois.

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