DNA MITOCONDRIAL – O QUE ELE INFORMA SOBRE NÓS MESMOS?

Antigamente, o DNA nuclear e o DNA mitocondrial (DNAmit) eram vistos como tendo origens evolutivas separadas. Essa concepção mudou. Isso porque o DNAmit, derivado do genoma circular das α-proteobacterias que foram engolfadas pelos ancestrais das células eucarióticas. Esta é a teoria endossimbiótica.

Hoje, as mitocôndrias nos servem não só como maquinário molecular/metabólico, mas como uma referência organelar para sabermos sobre a origem de grupos biológicos. Aqui, vamos falar sobre as particularidades da mitocôndria, seu genoma e como o uso de tal organela como ferramenta de pesquisa revelou muito sobre nossa própria história, como espécie.

Eletromicrografia de uma célula (de cor azul), revelando parte da estrutura mitocondrial (laranja) dentro.

Eletromicrografia de uma célula (de cor azul), revelando parte da estrutura mitocondrial (laranja) dentro.

A grande maioria das proteínas presentes na mitocôndria (cerca de 1.500, em diferentes mamíferos) são codificadas por DNA nuclear, mas o genes que sintetizam elas são de origem bacteriana, e desde então, são transferidos para o núcleo da célula eucariótica durante a evolução (Veja A ORIGEM DAS MITOCÔNDRIAS – ENDOSSIMBIOSE E UMA ABORDAGEM COMPARATIVA).

As mitocôndrias convertem energia química dos alimentos em uma forma que as células podem utilizar para realizar suas funções metabólicas mais básicas. A molécula energética vigente é o Trifosfato de Adenosina (ATP). Nos seres humanos, o DNAmit tem um pequeno cromossomo que contém 37 genes e cerca de 16.600 pares de bases. Ele foi á primeira parte significativa do genoma humano a ser sequenciada. Na maioria das espécies, incluindo os seres humanos, o DNAmit é herdado exclusivamente da mãe (Bradshaw Foundation, 2012).

A sequência de DNAmit foi determinada a partir de um grande número de organismos e indivíduos (incluindo alguns extintos), e a comparação de sequências de DNA representa uma importante ferramenta para a construção de filogenias, na medida em que permite que os biólogos elucidem as relações evolutivas entre espécies.

Na maioria dos organismos multicelulares, o DNAmit é de herança materna. Os mecanismos de herança do DNAmit incluem um ovo que contém, em média, 200 mil moléculas de DNAmit, enquanto que um espematozóide humano saudável tem em média, cinco moléculas. A degradação do DNAmit ocorre nos espermatozóides ainda no trato genital masculino; nos óvulos fertilizados e em alguns organismos ela ocorre quando há falha de entrada do DNAmit no esperma no ovo. Qualquer que seja o mecanismo, este padrão uniparental de herança é encontrado na maioria dos animais, plantas e nos fungos (Gabriel et al, 2012).

Na reprodução sexuada, onde a herança é maternal; a mitocôndria em espermatozóides de mamíferos são normalmente destruídas pelos gametas após fertilização. Além disso, a maioria delas esta presente na base da cauda do espermatozóide, que é utilizada para a produção e fornecimento da moeda energética ATP no motor molecular que a movimenta. Em 1999, foi relatado que as mitocôndrias do espermatozóide são marcadas com ubiquitina. Estes marcadores moleculares indicam quais são as proteínas indesejadas (mal-dobradas) para que sejam degradadas por organelas chamadas proteassomas (Schatten et al, 1999)

Como o DNAmit é herdado da mãe, ele é uma excelente ferramenta aos pesquisadores para criar mapas genealógicos e  traçar a linhagem materna ao longo no tempo. Nos machos, somente o DNA do cromossomo Y pode ser usado de uma maneira análoga para determinar a história patrilinear do grupo estudado.

DNA mitocondrial humano

DNA mitocondrial humano. Clique para ampliar

No uso do DNAmit como referência para criar árvores genealógicas e evolutivas uma sequencia de regiões hipervariáveis de controle de DNA são selecionadas para a comparação (regiões HVR1 ou HVR2). Na HVR1 há cerca de 440 pares de bases, e elas são então comparadas com as mesmas regiões de outros indivíduos (sejam pessoas específicas ou bancos de dados) para determinar linhagem materna. Vilà et ai  (1997) foi quem destacou a descendência matrilinear entre os cães domésticos e os lobos.

O conceito da Eva mitocondrial também baseia-se neste mesmo tipo de análise, porém, na tentativa de descobrir a origem da humanidade, acompanhando a linhagem de volta no tempo, como veremos mais profundamente adiante.

O DNAmit é altamente conservado, e as suas taxas de mutação são relativamente lentas quando comparadas com outras regiões de DNA, tais como micro-satélites. Isso torna o DNAmit útil para o estudo das relações filogenéticas entre organismos, como fez Vilà com os cães.

Devido ás lentas taxas de mutação, muitas vezes é difícil distinguir entre espécies estreitamente relacionadas, de modo que devem ser utilizados outros métodos de análise. Neste caso, o DNAmit pode ser uma ferramenta complementar a construção de filogenias.

Existem alguns casos excepcionais, como em moluscos (bivalves) onde há dupla herança uniparental de DNAmit. Nestas espécies, as fêmeas têm somente um tipo de DNAmit (determinado pela letra F). Os machos têm o tipo “F” de DNAmit nas suas células somáticas, mas também o tipo “M” (que pode ser 30% divergente do F) em células da linha germinativa (Passamonti et al, 2009). Este tipo de herança mitocondrial paternal foi também identificado em alguns insetos (Drosophila ssp) (Kondo et al, 1992), abelhas, (Meusel et al, 1993) e eventualmente em cigarras (Fontaine et al, 2007).

Somente em raros casos aparecem evidências de herança mitocondrial masculina em mamíferos. Especificamente, as mais comuns ocorrem em ratos (Gyllensten et al, 1991 & Shitara et al, 1998), ovelhas (Zhao et al, 2004), animais clonados. No homem, há somente um caso documentado (Schwartz et al, 2002).  Embora muitos desses casos envolvam embriões clonados e posterior rejeição das mitocôndrias paternais, o processo reprodutivo artificial conhecido como “Fertilização de Três Pais” resulta em prole contendo DNAmit a partir de uma fêmea doadora, e DNA nuclear de outra fêmea e um macho. No processo, o núcleo de uma célula ovo (espermatozoide) é inserido no citoplasma de uma célula ovo, a partir de uma doadora que teve removido o seu núcleo, mas ainda contém DNAmit. O ovo é então fertilizado com o esperma do macho. Isso geralmente ocorre quando uma mulher com mitocôndrias geneticamente defeituosas pretende ter filhos (Frith, 2003).

Notamos então que o estudo das mitocôndrias é amplo, pegando desde ramos da biologia ligados a evolução, até medicina.

Na maioria dos organismos multicelulares, o DNAmit está organizado em uma cadeia dupla, de modo circular. Em muitos unicelulares (como o ciliado Tetrahymena ou a alga verde Chlamydomonas reinhardtii) e, em outros raros casos envolvendo organismos multicelulares (em algumas espécies de Cnidária) o DNAmit é encontrado de modo linear. A maioria destes tipos lineares de DNA os telômeros são independentes das enzimas telomerases. Possuindo assim diferentes modos de replicação, e desenvolveu um grande interesse em pesquisa já que como muitos desses organismos unicelulares com DNAmit linear são agentes patológicos (Nosek et al, 1998).

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Em humanos (e em metazoários em geral), entre 100 e 10 mil cópias separadas de DNAmit geralmente estão presentes em cada célula (exceto óvulos e espermatozóides). Nos mamíferos, cada molécula de cadeia dupla circular do DNAmit consiste em 15 a 17 mil pares de bases (Balaresque et al, 2010).

As duas cadeias de DNAmit são diferenciadas pelos nucleotídeos que fazem parte da cadeia. Uma cadeia rica em guanina é chamada de cadeia pesada ou cadeia-H, e as cadeias ricas em citosina são denominadas como cadeia leve, cadeia-L. A cadeia pesada codifica cerca de 28 genes, e a cadeia leve codifica 9 (totalizando de 37 genes). Deste total, 13 codificam proteínas e 22 formam RNA transportador (RNAt). Dois desses genes são usados na constituição de subunidades pequenas e grandes de RNA ribossomal (RNAr). Este padrão é também visto entre na maioria dos metazoários, embora em alguns casos, um ou outro gene está ausente e o tamanho do DNAmit é maior. Mesmo uma maior variação no conteúdo de genes do DNAmit, a variação de tamanho existe entre fungos e plantas, apesar de parecer ser um subconjunto de genes de núcleo que estão presentes em todos os eucariotas. Isso ocorre com exceção a poucos eucariotas que não têm mitocôndrias, por exemplos, os Archaezoa (Veja ARCHEZOA – SIMBIOSES, NÚCLEO CELULAR E EUCARIOGÊNESE).

Algumas espécies de plantas têm enormes DNAmit, alguns chegando a 2,5 milhões de pares de bases por molécula de DNA. Mesmo os grandes DNAs contém o mesmo número e tipos de genes de plantas em comum com DNAmit muito menores (Ward et al, 1981).

O DNAmit é replicado pelo complexo da DNA polimerase que é composto por um complexo catalítico de 140 kDa, codificado pelo gene POLG e duas unidades acessórias de 55 kDa codificada pelo gene POLG2 (Yakubovskaya et al, 2005). As máquinas replissomas são formadas pela enzima DNA polimerase, TMINKLE e as proteínas mitocondriais SSB. A enzima TWINKLE é um tipo de helicase, que se desenrola trechos curtos de DNA codificante na direção 5´→3´ (Jemt et al, 2011)

Taxa de mutação e diversificação

Para entender como as mutações ocorrem no genoma da mitocôndria precisamos entender o que é a taxa de mutação e diversificação. A melhor forma de entender como a evolução ocorre nos genes é observando o que acontece no DNA. As melhores evidências que temos sobre as taxas de diversificação esta nos estudos feitos com DNA nuclear, e claro, elas também ocorrem nas mitocôndrias, embora as taxas sejam distintas, mas mensuráveis. A taxa deve obedecer á realidade biológica de cada grupo animal já que cada espécie tem suas taxas de variação em DNA nuclear e mitocondrial. Posteriormente, podemos entender como ela se dá na espécie humana e como é possível data a origem de nossa espécie.

Na genética, a taxa de mutação é uma medida da velocidade a que os vários tipos de alterações nos nucleotídeos do DNA ocorrem ao longo do tempo. Taxas de mutação são estabelecidas para classes específicas de mutação, geralmente em mutações pontuais, inserções pequenas, de grande escala ou supressões. As taxas de substituições podem ser subdivididas em um espectro que descreve a influência de tais alterações no contexto genético. Existem várias unidades de tempo para cada uma destas taxas de mutação, com as taxas sendo caracterizadas quer como mutações por par de bases/por divisão celular, por gene/por geração ou ainda por genoma/por geração. A taxa de mutação de um organismo é uma característica evoluída e é fortemente influenciada pela genética de cada organismo, além da forte influência do meio ambiente. Os limites superiores e inferiores para que as taxas de mutação possam evoluir é objeto constante de estudo (Eyre-Walker et al, 2007).

Muitos locais no genoma de um organismo não permitem mutações com grandes efeitos adaptativos. Estes locais são normalmente chamados de “pontos neutros”. Teoricamente, mutações sob nenhuma seleção se tornam fixas entre organismos. Mutações sinônimas fixas, ou seja, quando as substituições são sinônimas no código genético, são mudanças na sequência de um gene que não mudam a proteína produzida por esse gene. Elas são utilizadas como referências para estimativas estatísticas da taxa de mutação, apesar de algumas mutações sinônimas terem efeitos adaptativos importantes a espécie (Wielgoss et al, 2011).

A evolução acontece exatamente sobre as taxas de mutação, e identifica três forças principais envolvidas nesse continuum: a geração de mutações deletérias, mutações mais vantajosas com a mutação mais elevada, e os custos metabólicos e taxas reduzidas de replicação que são necessários para prevenir mutações. Diferentes conclusões são alcançadas com base na importância relativa atribuída a cada uma dessas forças. A taxa de mutação dos organismos pode ser determinada por trocas e os custos de uma elevada taxa de mutação (Altenberg, 2011)

As mutações deletérias, e os custos de manutenção dos sistemas metabólicos podem reduzir a taxa de mutação (tal como o aumento da expressão de DNA e enzimas de reparo) (Sniegowski et al, 2000) ou, aumentar o uso de energia para o sistema de reparo que codifica produtos de genes adicionais de modo mais lento (Bernstein et al, 1987).

As taxas de mutação mais elevadas aumentam a taxa de mutações benéficas, e a evolução pode evitar uma redução da taxa de mutação a fim de manter as taxas favoráveis á adaptação (Orr, 2000).

Outro fator que influencia é a ação da seleção natural que pode falhar em favorecer a taxa de mutação por causa de benefícios relativamente menores favorece a redução da taxa de mutação. Desta forma, a taxa de mutação observada é o produto de processos neutros (Lynch, 2010).

Por exemplo, vírus que utilizam RNA como material genético podem ter taxas de mutação rápidas (Drake & Holland, 1999) e evoluir constantemente e mais rapidamente, contornando as respostas defensivas do sistema imunológico humano (Holland et al, 1982).

Note que existem diversos mecanismos que atuam modelando as taxas de mutação, e cada grupo biológico tem sua própria estratégia diante disto. Com mitocôndrias há também diferenças nas taxas de mutação e diversificação que podem ser determinadas e assim calcular a origem do grupo estudado.

O relógio molecular mitocondrial humano é a taxa em que as mutações foram se acumulando no genoma mitocondrial de hominídeos durante o curso da evolução humana. O registro arqueológico da atividade humana em períodos precoces na pré-história humana é relativamente limitado e sua interpretação pode, em certos casos, ser controversa. Devido às incertezas do registro arqueológico, os cientistas usam técnicas de datação molecular, a fim de refinar a linha do tempo da evolução humana. Desta forma, a ciência encontrou taxas de diversificação no DNAmit do homem e vem refinando-a de tal forma a desenvolver um relógio mitocondrial para hominídeos, que seja molecularmente precisa e que possam ser usadas com confiança para datar eventos que ocorreram durante o curso de nossa história evolutiva.

As estimativas da taxa de mutação do DNAmit humano variam muito, dependendo dos dados disponíveis e do método utilizado para realizar as estimativa (Loogvali et al, 2009).

Em geral, a taxa de mutação em organismos unicelulares eucariotas e bactérias é de cerca de 0,003 mutações por genoma por geração celular. Isto significa que um genoma humano acumula cerca de 1-2 novas mutações por geração, porque cada geração completa envolve um certo número de divisões celulares para gerar gametas. As taxas de mutação mais elevadas por geração/por base encontram-se em vírus (podendo ser RNA ou DNA). Vírus de DNA têm taxas de mutação entre 10-6 a 10-8 mutações por base/por geração, e vírus de RNA que têm taxas de mutação entre 10-3 a 10-5 por base/por geração (Drake et al, 1998). O DNAmit humano foi estimada ter uma taxa de mutação de ~3 × ou ~2,7 × 10-5 por base/por geração de 20 anos (dependendo do método de estimativa usado) (Schneider& Excoffier, 1999), estas taxas são considerados como sendo significativamente mais elevadas do que as taxas de mutação genômica humana que é de ~2,5 x 10-8 por base/por geração (Nachman & Crowell, 2000). Usando dados disponíveis de seqüenciamento do genoma inteiro, a taxa de mutação do genoma humano é igualmente estimado em ~1.1 × 10-8 por base /por geração (Roach et al, 2010).

Os dois métodos principais de estimativa para DNAmit são métodos baseados em filogenia e linhagem base que produziram taxas de mutação que diferem em quase uma ordem de magnitude.

A principal constatação da teoria do relógio molecular é que as mutações dentro de um sistema genético particular ocorrem a uma taxa estatisticamente uniforme e esta taxa pode ser utilizada para datar os acontecimentos genéticos. Na prática, a suposição de uma única taxa uniforme é uma simplificação. Embora uma única taxa de mutação seja frequentemente aplicada, na maioria das vezes ela é composta de uma média de várias taxas de mutações diferentes. Muitos fatores influenciam taxas de mutação, e isto inclui o tipo de amostra, a região do genoma estudada e o período tempo analisado (Loogvali et al, 2009).

Haplogrupo Modern seres humanos diversificação precoce. Tempo possível de origem 99.000 - 234.000. Mitocondrial macro-haplogroups L0, L1 e L5

Haplogrupo dos seres humanos modernos e sua diversificação precoce. Tempo possível de origem 99.000 – 234.000. Mitocondrial macro-haplogroups L0, L1 e L5

A taxa em que as mutações ocorrem durante a reprodução, parece ser maior do que todas as taxas de mutações observadas na linha germinal, uma vez que nem todas as mutações são passadas com sucesso para as gerações subsequentes. A deriva genética aleatória também pode causar a perda de mutações. Por estas razões, a taxa de mutação em si não irá ser igual à taxa de mutação observada a partir de uma amostra da população (Howell et al, 2003). No DNAmit, só é transmitida ao longo da linha matrilinear, como vimos acima.

A dinâmica populacional influência as taxas de mutação observadas. Quando a população está se expandindo, mais mutações germinativas são preservadas na população. Como resultado, as taxas de mutação observadas tendem a aumentar de uma população em expansão. Quando populações passam por um gargalo populacional, as mutações da linha germinal são perdidas. Gargalos populacionais, portanto, tendem a diminuir as taxas de mutação observadas. Desde o surgimento da espécie Homo sapiens a cerca de 200 mil anos atrás, a população humana têm se expandido a partir de alguns milhares de indivíduos que viveram na África para mais de 7 bilhões em todo o mundo. No entanto, a expansão não foi uniforme, a história das populações humanas podem ter sido forjada por pontos de estrangulamento e expansões populacionais (Henn et al, 2009).

Ao que se refere ao DNAmit, a taxa de mutação em seu genoma não é uniformemente distribuída. Certas regiões do genoma são conhecidas para mutar mais rapidamente do que outros. As regiões hipervariáveis são conhecidas por serem altamente polimórficas em relação a outras partes do genoma.

A taxa a que se acumulam mutações nas regiões de codificação do genoma e as não-codificantes, também difere como mutações a região codificadora esta sujeita a seleção de purificação. Por esta razão, alguns estudos evitam a região codificadora ou mutações sinônimas para calibrar o relógio molecular. Loogvali et ai. (2009) considerou apenas mutações sinônimas, e recalibraram o relógio molecular do DNA mitocondrial humano como 7.990 anos por mutações sinônimas sobre o genoma mitocondrial. O erro desta datação foi usar somente mutações sinônimas como referência para seu estudo.

Soares et al. (2009) demonstra que as mutações em regiões não-codificantes são de fundamental importância no processo de datação porque é um fator de correção para contabilizar seleção na região de codificação.

Taxa de mutação – A origem do homem e colonização da Ásia

Diferentes métodos para estabelecer relacionamento entre espécies e rastrear seu possível ancestral existem. Os mais usados para fazer isto na espécie humana são os métodos MRCA e o CHLCA.

O primeiro, foi usado para reconstruir o haplótipo do mais recente ancestral comum, ou MRCA (acrônimo em inglês de most recent common ancestor). Este método geralmente usa uma amostragem de duas ou mais linhagens genéticas. A exigência é que o tempo para o mais recente ancestral comum (TMRCA) da amostra de linhagens já deva ser conhecido a partir de outras fontes independentes, geralmente o registro arqueológico. O número médio de mutações que foram acumuladas desde o MRCA é então calculado e dividido pelo TMRCA para chegar à taxa de mutação. A taxa de mutação humana é geralmente estimada por comparação das sequências dos humanos modernos e dos chimpanzés e depois reconstruir o haplótipo do ancestral comum chimpanzé-humano. De acordo com o registro paleontológico o último ancestral comum de humanos podem ter vivido em torno de 6 milhões de anos atrás (Henn et al, 2009)

O segundo método usa o último ancestral comum chimpanzé-humano (CHLCA, acrônimo inglês de chimpanzee–human last common ancestor). Refere-se á última espécie comum em  que os gêneros Homo e Pan (seres humanos e os bonobos/chimpanzés)  tiveram em comum. Estima-se ter vivido durante o final do Mioceno. A especiação parece ter sido extraordinariamente prolongada, com uma divergência original ocorrendo entre 7 e 13 milhões de anos atrás, com uma hibridação em curso durante vários milhões de anos, com a separação final datando aproximadamente entre 5 e 6 milhões de anos (Patterson et al, 206).

Os seres humanos anatomicamente modernos estão distribuídos em todo o planeta. Eles saíram da África e por uma grande área da Eurásia e deixaram para trás artefatos ao longo de toda costa norte, sudoeste, sul, sudeste e leste da Ásia.

Cann, Stoneking & Wilson (1987) datou a origem do homem não com base em CHLCA, que é uma previsão para estimar a taxa de polimorfismo de nucleotídeo único (SPS). Em vez disso, eles usaram as evidências da colonização do sudeste da Ásia e Oceania para estimar as taxas de mutação. Além disso, eles usaram a tecnologia RFLP (polimorfismo de fragmentos de restrição) para examinar as diferenças entre o DNA.

Usando todas essas técnicas, o grupo surgiu conseguiu um TMRCA de 140 mil para 290 mil anos. Cann, Stoneking & Wilson (1987) estimaram a TMRCA de seres humanos para ser de aproximadamente 210 mil anos e as estimativas mais recentes de Soares et al. 2009 (que datou em 7 milhões de anos o ancestral entre o chimpanzé-humano usando DNAmit e MRCA) acabou diferindo em apenas 9% com as de Cann et al. Isso é relativamente próximo, considerando o intervalo para ambas as estimativas usa uma análise com a data de TCHLCA mais antiga.

Endicott & Ho (2008) reavaliaram as evidências das migrações previstas a nível global e compararam com as evidências atuais. Este grupo utilizou as regiões de codificação de sequências para seu estudo. Eles inferiram que o relógio molecular com base em comparações chimpanzé-humano não é confiável, particularmente para a previsão de migrações recentes, como as migrações fundadoras que ocorreram na Europa, Austrália, e nas Americanas. Com esta técnica este grupo apresentou uma datação de TMRCA de 82.000 a 134.000 anos.

Como chimpanzés e humanos compartilham um ancestral matrilinear é possível achar a idade geológica do último ancestral que permite a estimativa da taxa de mutação. O último ancestral comum chimpanzé-humano (o CHLCA citado acima) é freqüentemente aplicado como uma referência para estudos de TMRCA em DNAmit e apresenta intervalos entre 4 e 13 milhões (Soares et al, 2009). Mas há a acumulação de polimorfismo de nucleotídeo único que tenderia a fazer os ramos mais recentes parecerem mais velhos do que realmente são (Endicott & Ho, 2008). Estas duas fontes podem equilibrar-se mutuamente ou amplificar uma ou a outra, dependendo do sentido do erro da TCHLCA.

Há duas principais razões pelas quais este método são amplamente empregados.  Primeiro, porque as taxas são inadequadas para estimar para períodos muito longos de tempo. Em segundo lugar, enquanto as taxas de arqueologia representam a faixa intermediária, a evidência arqueológica para a colonização humana ocorre bem depois da colonização. Por exemplo, a colonização da Eurásia de oeste para leste parece ter ocorrido ao longo do Oceano Índico. No entanto, os mais antigos sítios arqueológicos que também demonstram humanos anatomicamente modernos estão na China e na Austrália, e datam mais de 42 mil anos de idade. No entanto, o mais antigo sítio com registros de humanos anatomicamente modernos é de 34 mil anos, e, com a arqueologia compatível com os registros de humanos anatomicamente modernos a datação é de 76 mil anos de idade (Endicott & Ho, 2008). Portanto, do ponto de vista prático, ainda é um resultado subjetivo de quando os seres humanos estiveram primeiramente presente na Ásia.

Taxa de mutação no DNAmit humano – A Eva mitocondrial

Sem uma amostra de DNA não seria possível reconstruir a composição genética completa de qualquer indivíduo que morreu há muito tempo. Ao analisar o DNA dos descendentes, partes do genoma ancestral são estimadas pelos cientistas. O DNAmit da mulher e o DNA do cromossomo Y (homens) são usados para rastrear estes ancestrais. Como o DNAmit é passado diretamente de mães para descendentes de ambos os sexos, a linha matrilinear pode ser rastreada com certa precisão (Giles et al, 1980 & Birky, 2008) e a descendência pode nos guiar para nossas origens, nossa mãe, ou mães, de todas as linhagens femininas, e podemos entender quando e como a linhagem começou a convergir. Essa linhagem comum de todas as linhagens subsequentes são popularmente chamadas de Eva-mitocondrial.

Ramificações são identificadas por marcadores genéticos que apresentam uma assinatura do DNAmit  e/ou do haplótipo ancestral. Cada marcador de DNA é um par de bases que resultou de uma mutação de um polimorfismo de nucleotídeo único.

Os cientistas ordenam os resultados do DNAmit em grupos mais menos relacionados, com ancestrais comuns mais ou menos recentes. Isso leva à construção de uma árvore genealógica com o DNAmit, onde os ramos são clados ancestrais comuns. As ramificações principais são definidas como haplogrupo H, e grandes ramos contendo vários haplogrupos são chamados de “macro-haplogrupos”.

O clado mitocondrial que a Eva mitocondrial define é a espécie Homo sapiens sapiens, ou, pelo menos, a população atual (“cronoespécies”).

A princípio, a Eva mitocondrial era definida indo além do nível das espécies. Por exemplo, erroneamente era estendido até aquele o ancestral comum entre a humanidade moderna e os Neandertais, ou, ainda mais para trás, buscando uma Eva ancestral comum para todos os membros do gênero Homo e do gênero Pan.

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Simplificada filogenia mitocondrial humano

De acordo com a nomenclatura atual, o haplogrupo mitocondrial da Eva esta dentro haplogrupo L mitocondrial porque este macro-haplogrupo contém todas as linhagens mitocondriais humanos de hoje, e ela deve preceder o surgimento de L0.

A variação de DNAmit entre pessoas diferentes pode ser usadas para estimar o tempo de volta para um antepassado comum. Isso funciona porque, ao longo de qualquer linha particular, o DNAmit acumula mutações a uma taxa de aproximadamente uma a cada 3.500 anos por nucleotídeo (Soares et al, 2009 e Gibbons, 1998 e Excoffier & Yang, 1999). Um certo número destas novas variantes vai sobreviver aos tempos modernos e ser identificáveis como linhagens distintas. Ao mesmo tempo, alguns ramos, incluindo os mais antigos, chegam ao fim, quando a última família em um ramo distinto não tem filhas. Sendo assim, a Eva mitocondrial é o mais recente ancestral matrilinear comum para todos os seres humanos modernos. Sempre que um dos dois ramos mais antigos morre, o MRCA irá se mover para um mais recente ancestral feminino, que será sempre a mãe mais recente que tem uma filha que segue com a linha de descendentes maternal viva. O número de mutações que podem ser encontrados em povos modernos é determinado por dois critérios: o tempo e as taxas variáveis em que novos ramos vieram à existência além dos ramos velhos que tornaram-se extintos. Ao olhar para o número de mutações que foram acumuladas em diferentes ramos desta árvore, e olhando para que regiões geográficas têm a maior amplitude de ramos menos relacionados, a região onde a Eva vivia podem ser propostas. Lembrando que na genética humana, o nome de Eva mitocondrial refere-se a linha matrilinear ancestral comum mais recente (MRCA), e portanto, não se trata de indivíduos e sim de uma linha ininterrupta, materna, de todos os seres humanos que vivem atualmente, que se estima ter vivido cerca de 100 e  200 mil anos atrás

A Eva mitocondrial foi nomeada com base nesta linhagem ancestral e ao contrário da concepção bíblica, ela não era uma fêmea humana única vivendo em um tempo próximo.

Devido à sua referência figurativa para a primeira mulher no livro bíblico de Gênesis, a teoria da Eva Mitocondrial inicialmente encontrou um nome de referência para o método de datação com base em DNAmit, que é transmitido pela linhagem maternal.  Isso ás vezes chama a atenção de alguns grupos propagadores de má-ciência, ou pseudociência, como os literalistas do livro de gêneses, os chamados criacionistas da Terra jovem, que viram na teoria da Eva uma validação do relato bíblico da criação. Não é!

É um equívoco a respeito da Eva mitocondrial acreditar que todas as mulheres vivas hoje descendem de uma linha ininterrupta direta, e que ela deve ter sido a única mulher viva na época (Dawkins, 2004 & Takahata, 1993). Essa argumentação criacionista esta errada. Estudos com DNA nuclear indicam que o tamanho da antiga população humana nunca ficou abaixo de dezenas de milhares. Outras mulheres que viveram durante o tempo da Eva mitocondrial têm descendentes vivos hoje, mas em algum momento no passado cada uma de suas linhas de descendência não produziu uma fêmea que reproduziu, quebrando assim as linhas diretas com o DNAmit.

Sendo assim, o nome do método não tem absolutamente nada a ver com a proposta bíblica, que trata Eva como uma mulher que Deus fez o primeiro casal ancestral de seres humanos. Mesmo porque, a descendência de toda uma espécie a partir de um único casal fere leis e princípios básicos da genética. Note, que o método com o uso do DNAmit trata de uma população ancestral e não se refere a origem da humanidade a partir de um casal; a datação da linha ancestral não corrobora o relato bíblico e ela trata da origem do Homo sapiens, de fato, ela abarca até hominídeos que também fazem parte da história da humanidade, uma vez que taxonomicamente somos considerados ainda hominídeos:

Domínio: Eukaryota

Reino: Animalia

Subreino: Eumetazoa

Filo: Chordata

Subfilo: Vertebrata

Classe: Mammalia

Subclasse: Theria

Infraclasse: Eutheria

Ordem: Primates

Subordem: Haplorrhini

Infraordem: Simiiformes

Superfamília: Hominoidea

Família: Hominidae

Subfamília: Homininae

Tribo: Hominini

Subtribo: Hominina

Género: Homo

Espécie: Homo sapiens

Subespécie: Homo sapiens sapiens

Com o desenvolvimento desse método e os primeiros resultados alguns grupos criacionistas chegaram a afirmar que a Eva mitocondrial refutava a evolução (Wieland, 2005 e Nelson, 2003), especialmente dito pelo “Answer in Genesis”. Para complicar mais a situação para o lado desta pseudociência, datações feitas com o cromossomo-Y, mostraram (Adão do cromossomo Y em relação a Eva mitocondrial) que a ideia de haver um Adão era geneticamente improvável, já que não havia suporte de que ele tenha sido o parceiro sexual de Eva (embora ambos sejam populações e não indivíduos), ou seja, nem mesmo eram contemporâneos.

Eva mitocondrial viveu mais tarde do que o Homo heidelbergensis, e o surgimento do Homo neanderthalensis, porém, mais cedo do que a migração para fora da África (Endicott & Ho, 2008).

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Mapa de migração dos seres humanos anatomicamente modernos, com base no DNA mitocondrial

Essa datação da Eva mitocondrial não só quebrou o criacionismo, mas a hipótese multirregional da origem do homem, e um impulsionou a teoria da origem e dispersão dos humanos modernos da África, substituindo populações humanas mais “arcaicas”, como os neandertais. Como resultado, emergiu um consenso entre os antropólogos sobre a plausibilidade desta teoria.

Com a datação com o cromossomo Y o Homo sapiens sapiens do qual todos os seres humanos vivos descendem patrilinearmente foi estabelecido. O DNA herdado no caso masculino é do cromossomo Y. A datação foi estimada entre 180 e 581mil anos (Mendez et al, 2013 e Barras, 2013 e Francalacci et al, 2013), enquanto um paper de 2013 concluiu que a população ancestral havia vivido entre 120 e 156 mil anos atrás (Poznik, 2013 & Cann, 2013). O problema deste artigo é que em sua analise ele não incluiu populações tradicionais de camaroneses e o povo africano americano, que não herdou sua Y de um Adão (Barras, 2013).

O consenso sobre a origem do homem.

Eva mitocondrial e cromossomo Y passaram por vários genomas da humanidade. Eles dão a nós os dados sobre os nossos MRCAs. O consenso atual sobre a origem da humanidade, e sua datação foi dado por um estudo conduzido pela Escola de Medicina da Universidade de Stanford e indica uma datação baseada na Eva e no cromossomo Y de Adão que são aproximadamente sobrepostas durante o tempo evolutivo. A linhagem do nosso cromossomo Y viveu entre 120 e 156 mil anos atrás, e da mulher (Eva) viveu entre 99 e 148 mil anos atrás.

Pesquisas anteriores indicaram que o homem MRCA havia vivido muito mais recentemente do que o MRCA feminino, segundo Carlos Bustamante, que é PhD em genética na Universidade de Stanford.

Essa datação mostra que não há nenhuma discrepância e que as estimativas anteriores para o homem MRCA variava entre 50 e 115 mil anos atrás.

É extremamente improvável que os MRCAs masculinos e femininos foram contemporâneos exatos. Eles não eram um único homem ou mulher vivos no momento, ou as únicas pessoas que têm descendentes atuais. Estas duas pessoas simplesmente tiveram a sorte de passar com sucesso em partes específicas do seu DNA – do homem, o cromossomo Y; da mulher, o genoma mitocondrial – através dos milênios para a maioria de nós, enquanto as sequências correspondentes de outros morreram em grande parte devido a seleção natural ou na aleatoriedade da deriva genética.

A pesquisa foi feita comparando seqüências do cromossomo Y entre 69 homens de nove regiões distintas do planeta, incluindo algumas que foram apenas recentemente disponíveis para o estudo como a Namíbia, República Democrática do Congo, Gabão, Argélia, Paquistão, Camboja, da Sibéria e do México.

Tecnologias de seqüenciamento identificaram cerca de 11 mil diferenças entre as sequências genéticas. Estas variantes permitiram estabelecer relações filogenéticas e cronogramas com muita precisão.

Bustamante e Poznik obtiveram os resultados de sequenciação de alta precisão ao longo de um comprimento de cerca de 10 megabases de DNA do cromossomo Y (10 milhões de nucleotídeos) para cada um dos 69 indivíduos. Eles, então, estimaram a taxa de mutação anual sobre o cromossomo Y, calibrando-o com um evento conhecido: a ocupação humana das Américas, que ocorreu cerca de 15.000 anos atrás. Mutações compartilhadas por todos os nativos americanos hoje devem ter existido até antes do povoamento dos continentes, ao passo que muitos daqueles que variam entre as populações indígenas americanas surgiram durante os últimos 15 mil anos. Eles repetiram sua análise com o DNAmit dos indivíduos para gerar as duas estimativas de MRCA tempo, mostrando pela primeira vez que elas se sobrepõem.

A árvore do cromossomo Y fez mais do que apenas identificar um período de tempo para o MRCA. Ele também esclareceu algumas relações anteriormente desconhecidas que ocorreram entre as populações de seres humanos que se expandiram para fora da África em direção a Eurásia. Eles puderam datar determinados eventos com muita precisão, e de fato, encontraram somente uma única variante que mostra como três linhagens antigas se reuniram em uma só a cerca de 48 mil anos atrás, com uma taxa de mais ou menos um par de variações em cem anos. “A árvore também exemplifica a extraordinária profundidade da diversidade genética presente entre os africanos modernos”.

É difícil dizer o que a aparente sobreposição entre as sequências MRCA masculino e feminino pode representar, mas as heranças são fáceis de ver, mesmo dentro das famílias humanos individuais, e que o calendário poderia ser simplesmente uma casualidade. Também é possível que ele represente uma época em que apenas algumas sequências foram passadas e muitos morreram devido a um evento externo que ainda não foi identificado. Para a maior parte, é um processo aleatório. Algumas linhagens morrem, algumas são bem sucedidos. Mas também é possível que possa haver elementos da história demográfica humana que predispõem essas linhagens a fundir-se em determinados momentos (Callway, 2013).

Adendo – Ratitas

A origem das aves ratitas, aquelas aves de grandes porte que não voam (Avestruz, Ema, Meu e outros) e que vemos no Hemisfério Sul é outro dilema que talvez o DNAmit possa resolver. Elas são resultado de milhões de anos de evolução que ocorreram sobre as placas tectônicas e suas respectivas distribuições e que registram a origem não só destes pássaros, mas dos mamíferos. Definindo as datas de divergência das espécies ratitas é possível determinar a idade e a ordem de origem das principais famílias modernas de aves. Para resolver a filogenia das ratitas e fornecer dados biogeográficos (e examinar essas questões), a primeira seqüências mitocondrial completa do genoma de dois gêneros de moa extintos da Nova Zelândia, juntamente com uma sequência de 1000 pares de bases de um pássaro elefante extinto de Madagascar foi obtida. Com os dados comparativos, gerou 12 kilobases de sequência da ave kiwi, casuar, emu e dois gêneros tinamou. Este grande conjunto de dados permitiu estimativas estatisticamente precisas de datas de divergência molecular e apoiam uma especiação vicariante ainda no Cretáceo da taxa de ratitas, seguido pela subsequente dispersão do kiwi na Nova Zelândia.

Esta foi a primeira vez que o relógio molecular de mitocôndria apontou para uma quebra de taxa ainda em Gondwana e fornece um novo quadro temporal, para eventos de especiação que ser usado para avaliar hipóteses biogeográficas que estão competindo. Veja o estudo aqui.

Victor Rossetti

Palavras chave: NetNature, Rossetti, Mitocondria, DNA mitocondrial,Taxa de Diversificação, Eva mitocondrial, Cromossomo Y, Origem do homem, Homo sapiens.

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2 thoughts on “DNA MITOCONDRIAL – O QUE ELE INFORMA SOBRE NÓS MESMOS?

    • Valew pelo toque, o wordpress encavalou meu título. Ontem tive problemas para publicar o texto por causa de uma verificação de malware e ai a acessibilidade tinha dado problema e o acesso ao wordpress tb.

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