EQUIPE IDENTIFICA MUTAÇÃO ANTIGA QUE CONTRIBUIU PARA A EVOLUÇÃO DOS ANIMAIS MULTICELULARES

Uma única mutação há cerca de um bilhão de anos atrás formou uma proteína antiga que veio a desenvolver uma nova função essencial para multicelularidade em animais, de acordo com uma nova pesquisa co-liderada por um cientista da Universidade de Chicago. Através da realização de experimentos em proteínas ancestrais “ressuscitados”, os pesquisadores lançam luz sobre a origem de um processo molecular que permite animais formar e manter tecidos organizados.

Conceito do artista. Crédito: © estúdio vit / Fotolia

Conceito do artista. Crédito: © estúdio vit / Fotolia

O estudo, publicado na revista eLife em 2016, é o primeiro a descrever experimentalmente um mecanismo molecular envolvido na evolução da multicelularidade, e estabelece um paradigma para a investigação em biologia celular evolutiva e as origens da vida complexa.

“Nossos experimentos mostram como a complexidade biológica podem evoluir embora sejam caminhos simples, de alta probabilidade genética”, disse o co-autor sênior do estudo Joe Thornton, PhD, professor de genética humana e ecologia e evolução na Universidade de Chicago. “Antes que o último ancestral comum de todos os animais, quando apenas organismos unicelulares existiram na Terra, apenas uma pequena mudança na seqüência de DNA causou uma proteína que mudou seu papel primordial como uma enzima para uma nova função que se tornou essencial para organizar estruturas multicelulares”.

Poucos eventos na história da vida na Terra são tão significativos quanto a evolução dos animais multicelulares a partir de ancestrais unicelulares. Multicelularidade depende de um conjunto de interações celulares e funções moleculares, mas quase nada se sabe sobre como essas funções evoluíram.

Thornton e seus colegas focaram-se em uma orientação do processo chamado fuso mitótico. Para formar e manter tecidos organizados, as células devem orientar a direção na qual eles se dividem em relação aos seus vizinhos. Nos tecidos lisos que revestem órgãos, por exemplo, células dividem-se dentro do plano do tecido; caso contrário, má-formações e câncer podem aparecer. Células alcançam este objetivo através de uma estrutura chamada de fuso mitótico – uma rede de filamentos de proteínas que puxa os cromossomos recém-duplicados para lados opostos da célula antes que se divide em dois.

Em células a partir de uma ampla variedade de espécies animais, o fuso é rodeado em relação a células vizinhas por um andaime proteico conhecido como domínio guanilato-quinase de interação de proteínas (GK-PID). Ele atua como uma espécie de mosquetão molecular por ligações a duas moléculas parceiras diferentes: uma proteína “âncora” no interior da membrana celular que indica a posição de células adjacentes e uma proteína motor que puxa os filamentos do fuso mitótico. Uma vez ligados entre si por GK-PID, os motores puxam os cromossomos pelas âncoras, orientando novas células filhas em linha com as células vizinhas.

Uma Viagem no tempo Molecular

Para estudar como GK-PID evoluiu a sua função como um mosquetão fuso-orientador, Thornton e seus colegas usaram a reconstrução da proteína ancestral – uma técnica de grupo de Thornton foi pioneiro – para refazer experimentalmente a evolução de genes e proteínas, trabalhando para trás através da árvore da vida .

Alunos de graduação Doug Anderson e Victor Hanson-Smith usaram pela primeira vez métodos computacionais para reconstruir as histórias evolutivas de GK-PID e de uma enzima relacionada conhecida como guanilato quinase (GK). As duas proteínas partilham semelhanças na sequência e estrutura, mas têm funções e histórias diferentes – GK-PID é encontrada apenas em animais e seus parentes unicelulares mais próximos, enquanto GK desempenha um papel fundamental no sentido de tornar os componentes do DNA universal para a vida.

A análise revelou que a GK-PID evoluiu quando o gene para a enzima GK foi duplicado e depois ambos começaram a divergir. Este evento ocorreu antes de animais e seus parentes mais próximos unicelulares se separarem de outros organismos unicelulares a cerca de um bilhão de anos atrás. Uma cópia manteve a sua função original, mas a outra acabou desenvolvendo a capacidade de servir como um mosquetão molecular na orientação do eixo.

A equipe reconstruiu as antigas formas de GK e GK-PID para estudar como ocorreu esta transição. Trabalhando para trás de centenas de espécies atuais, eles usaram métodos computacionais sofisticados para inferir seqüências genéticas ancestrais a partir do momento que o GK-PID apareceu pela primeira vez. Com o estudo o co-líder Ken Prehoda da Universidade de Oregon e os pesquisadores sintetizaram quimicamente os genes ancestrais e inseriu-os em células bacterianas e de insetos, que produziu as proteínas como existiam no passado distante.

O mais antigo proteína progenitor, que existia pouco antes da duplicação que produziu GK-PID, funcionava como uma enzima. Mas os pesquisadores descobriram que poderiam recapitular evolução através da introdução de uma única mutação, que trocou a função da proteína, a supressão da sua atividade enzimática e que confere a capacidade de agir como um mosquetão que poderia vincular a proteína âncora.

Notavelmente, quando esta versão ligeiramente alterada de uma proteína de um bilhão de anos de idade foi inserida em células de inseto em cultura – que tiveram sua atual GK-PID proteínas desativada e, portanto, não poderia realizar orientação do fuso – as células se tornaram capazes de corretamente rodar os seus eixos em relação aos seus vizinhos.

“Nossos experimentos mostram que o GK-PID evoluiu sua função mosquetão cedo, antes multicelularidade já apareceu”, disse Thornton. “Essa mutação antiga rendeu uma função molecular completamente nova, o que ajudou a definir o cenário para animais multicelulares para, eventualmente, evoluir.”

O que é velho é novo outra vez

A equipe também investigou a evolução de proteínas de ancoragem que se fixa ao GK-PID. Surpreendentemente, estas proteínas apareceram primeiramente na linhagem levando a animais, o que sugere que a GK-PID adquiriu a sua capacidade para se ligar à âncora muito antes da âncora em si evoluir.

Por que uma proteína evolui a capacidade de se ligar a algo que não iria aparecer por milhões de anos? Uma análise mais profunda da biologia estrutural das proteínas sugeriu que a resposta está em um processo que Thornton chama exploração molecular, em que uma nova molécula (neste caso, a âncora) fortuitamente se liga a uma velha proteína (GK-PID), porque ela só acontece de ser estruturalmente semelhante ao parceiro molecular inicial da proteína.

Os pesquisadores descobriram que o ancestral GK-PID ligado a proteína âncora de uma forma muito semelhante à forma como a enzima GK ancestral vinculada seu substrato. Esta região poderia vincular ambos os parceiros, porque a parte da chave da proteína âncora passou a ter uma forma semelhante e padrão de cargas elétricas como o substrato enzimático antigo fez. A mutação crucial na proteína GK ancestral expôs a superfície de ligação sem alterá-la, dando a proteína âncora acesso mais fácil.

“É apenas uma coincidência que as duas moléculas pareçam tão semelhantes”, disse Thornton. “Mas essa semelhança é sorte e é por isso que um evento genético simples poderia causar a evolução de uma parceria molecular que é agora essencial para a biologia dos animais complexos”.

As conclusões do grupo fornecem a primeira explicação molecular detalhada para a evolução das funções envolvidas na multicelularidade e vida complexa. Thornton ressalta que muitos passos-chave na evolução da orientação do fuso continuam a ser reconstruído, e há ainda mais perguntas que não são respondidas sobre a evolução de outras funções que fizeram multicelularidade possível. O estudo da GK-PID agora mostra a maneira que o campo científico emergente da biologia celular evolutiva e pode responder a essas perguntas.

“Esperamos que a abordagem que usamos – reconstruir em detalhe a história antiga das funções das proteínas – possa ser aplicado para a evolução de outros processos celulares fundamentais, revelando toda a imagem da vida multicelular evoluindo a partir de ancestrais unicelulares”, disse Thornton .

Jornal de Referência:
1. Douglas P Anderson, Dustin S Whitney, Victor Hanson-Smith, Arielle Woznica, William Campodonico-Burnett, Brian F Volkman, Nicole King, Kenneth E Prehoda, Joseph W Thornton. Evolution of an ancient protein function involved in organized multicellularity in animals.eLife, 2016; 5 DOI: 10.7554/eLife.10147

Fonte: Science Daily 

3 thoughts on “EQUIPE IDENTIFICA MUTAÇÃO ANTIGA QUE CONTRIBUIU PARA A EVOLUÇÃO DOS ANIMAIS MULTICELULARES

  1. Excelente, estamos finalmente compreendendo a origem de nosso grupo.
    é impressionante o que poucas mutaçoes genicas fazem. otimo artigo. =)

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