PERDER GENES E SOBREVIVENDO: QUANDO ‘MENOS É MAIS’ NA EVOLUÇÃO DA VIDA. (Comentado)

“A perda não é nada mais, e a mudança é o prazer da natureza”, diz a citação do filósofo e o imperador Marcus Aurelius, que abre o artigo científico que analisa o fenômeno de perda de gene e seu impacto sobre a evolução dos seres vivos.

O cordados O. dioica, apesar de perder lotes de genes, mantém um plano corporal típica com órgãos e estruturas (coração, cérebro, tireóide, etc.) que podem ser considerados homólogos para os vertebrados. Cortesia da imagem da Universidad de Barcelona: Crédito

O cordado O. dioica, apesar de perder grupos de genes, mantém um plano corporal típico com órgãos e estruturas (coração, cérebro, tireóide, etc.) que podem ser considerados homólogos para os vertebrados. Cortesia da imagem da Universidad de Barcelona: Crédito

O estudo foi publicado na revista Nature Genetics revisão e assinado por professores Ricard Albalat e Cristian Canestro, do Departamento de Genética, Microbiologia e Estatística e do Instituto de Pesquisa em Biodiversidade (IRBio) da Universidade de Barcelona. Este artigo acaba de ser selecionado como uma das obras recomendadas com significado especial em genética e genômica pela Faculty of 1000 Prime, um ranking internacional que identifica e re-avalia os melhores artigos sobre biologia e da medicina com o apoio de uma comunidade científica de mais de 10 mil acadêmicos em todo o mundo.

Pensando em perda de gene como uma força a evolução é uma ideia contra-intuitiva, pois é mais fácil pensar que só quando ganha-se algo – genes neste caso – podemos evoluir. No entanto, o novo trabalho por estes autores, que são membros do grupo de pesquisa em Evolução e Desenvolvimento (Evo-Devo) da UB, pintam uma visão da perda de gene como um grande processo potencial da mudança genética e adaptação evolutiva.

Perder genes também é um mecanismo de evolução.

Um gene é perdido quando o genoma é removido fisicamente (por recombinação ilegítima, transposição, etc.) ou quando ele ainda está no genoma, mas sem uso devido a uma mutação (nomeadamente alterações, inserções, deficiências, etc.). “o sequenciamento do genoma de organismos muito diferentes mostrou que a perda de gene tem sido um fenômeno habitual durante a evolução em todos os ciclos de vida. Em alguns casos, tem sido provado que esta perda pode significar uma resposta adaptativa diante de situações estressantes quando enfrenta mudanças ambientais repentinas” diz o professor Cristian Canestro.
“Em outros casos, há perdas genéticas – diz Cañestro – mesmo que elas sejam neutras, por si só, isto tem contribuído para o isolamento genético e reprodutivo entre linhagens e, assim, a especiação, ou em vez disto participou na diferenciação sexual para contribuir na criação de um novo cromossomo Y. O fato da perda padrões genéticos que não são estocásticos mas sim tendenciosos nos genes perdidos (dependendo do tipo de função do gene ou a sua situação no genoma em diferentes grupos de organismos) sublinha a importância da perda genética na evolução da espécie.

Perder para ganhar: um paradoxo evolutivo.

Tradicionalmente, acreditava-se que os insetos tendem a perder os genes. No entanto, o sequenciamento do genoma de um besouro (Tribolium castaneum), prova que houve somente algumas perdas, e fez valer a pena reconsiderar. No filo cordados, que inclui os vertebrados, também existem algumas diferenças entre as espécies, com casos particulares, tais como o organismo planctônica Oikopleura dioica – muito propenso à perda do gene.
Segundo o professor Ricard Albalat, “demonstrou-se que a possibilidade de perdas de gene está ligado ao estilo de vida da espécie. Parasitas, por exemplo, mostram uma maior tendência de perda de gene porque, uma vez que re-utilizar os recursos do seu hospedeiro, muitos de seus genes tornam-se dispensáveis e acabam desaparecendo. Espécies com muitos genes redundantes, como os vertebrados e muitas espécies de plantas e leveduras que duplicaram o seu genoma, têm também sofrido com a perda de genes ao longo da evolução.
“Curiosamente – diz Albalat – as perdas genéticas maciças não estão sempre ligadas a alterações morfológicas radicais no plano corporal do organismo afetado. O cordado Oikopleura dioica, por exemplo, apesar de perder muitos genes – alguns são essenciais para o desenvolvimento do embrião, do design do planejamento do corpo filo e mantém um plano corporal típica com órgãos e estruturas (coração, cérebro, tireóide, etc.) que podem ser considerados homólogos para os vertebrados”. No entanto, esta contradição, o que nós definimos como “paradoxo inversa da EvoDevo, ainda é muito difícil de explicar”.

Genes perdidos na história evolutiva da humanidade.

Perda de gene pode tornar-se uma condição positiva. Isto foi provado com experiências de laboratório (em leveduras ou bactérias) e estudos populacionais em seres humanos. Alguns dos casos mais bem estudados em seres humanos está codificando as perdas de genes com receptores celulares (CCR5 e DUFFY), que tornam os indivíduos mais resistentes à infecção pelo HIV e Plasmodium causados pela malária. Na natureza, há perdas de genes dos quais alguns organismos são beneficiados: as perdas que fizeram mudanças na cor em flores que atraem novos polinizadores, perdas que fizeram insetos se tornarem resistentes na capacidade de colonizar novos habitats, etc.

Alguns estudos também sugerem que a perda de gene tem sido decisiva nas origens da espécie humana. Chimpanzés e humanos compartilham mais do que o 98% de seu genoma – algo que tem sido sempre de grande interessante e, neste contexto, é tentador especular que talvez seja necessário olhar para as diferenças não nos genes compartilhados, mas nos perdidos – e que foram perdidos de uma forma diferente através da evolução humana e dos primatas. “Por exemplo, acredita-se que a perda do gene reduzida a estrutura muscular mandíbula, o que permitiu que o cérebro humano a crescer a sua dimensão, ou perdas do gene que eram importantes na melhoria do nosso sistema de defesa contra doenças,” diz Cristian Canestro.

Quantos genes pode um ser vivo perder?

Um gene pode ser perdido somente se for dispensável e, portanto, a sua perda não envolve uma desvantagem para os indivíduos. O que faz com que um gene seja dispensável? Um gene torna-se dispensável quando o organismo pode fazer a sua função de uma forma alternativa (redundância funcional) ou quando o gene não é mais necessário porque o organismo perdeu a sua estrutura ou a exigência fisiológica na qual o gene participou (evolução regressiva). Por esta razão, algumas mudanças no estilo de vida da espécie pode transformar alguns genes dispensáveis, como visto na perda gene relacionado à pigmentação e visão das espécies que adotaram modos cavernícolas de vida.

Descobrir quantos genes um organismo pode perder e como o faz, é algo essencial para compreender quantos genes humanos são dispensáveis e por que certas mutações são irrelevantes, enquanto outros são dramáticas para a nossa saúde. Na verdade, o recente seqüenciamento do genoma de indivíduos de várias comunidades ao redor do mundo tem mostrado que qualquer pessoa saudável tem um valor médio de 20 genes que não trabalham e parecem não provocar consequências desfavoráveis.

Quando os genes são dispensáveis: menos é mais.

De acordo com Ricard Albalat, “provavelmente, a presença de genes redundantes ou condições ambientais em que vivemos nos fazem ter menos genes desnecessários. Após uma análise sobre as diferenças de perdas de genes entre diferentes comunidades humanas foi possível, por exemplo, descobrir que um gene para a lipoproteína A gene subsidia a resistência a doenças coronárias na população finlandesa que têm dietas ricas em gordura. Esta abordagem experimental que relaciona genes para doenças, chamado de “genótipo em primeiro lugar,” abre a porta para a descoberta de genes que, ao desaparecer, dão uma vantagem para algumas tensões ambientais (dietas, clima, tóxicos, patógenos, etc.) e, portanto, poderia ajudar a identificar novos genes com interesses terapêuticos. “

Oikopleura dioica: um novo organismo modelo na pesquisa de UB.

Promover a pesquisa básica com organismos-modelo (bactérias, ratos, fungos, plantas, peixes-zebra, Drosophila ou C. elegans) tem sido um fato chave para promover o progresso no campo da biomedicina e saúde. Para os cientistas, um desafio do século 21 é o desenvolvimento de modelos animais alternativos aos clássicos que podem permitir a aplicação das tecnologias de seqüenciamento em massa e/ou também modificações sistemáticas genéticas para abrir novas perspectivas no campo da pesquisa básica. Somente com a criação de conhecimento básico é possível melhorar com o bem-estar da sociedade.

Hoje em dia a equipe de Evo-Devo-Genomics da UB é um dos poucos grupos de pesquisa ao redor do mundo que estuda a Oikopleura dioica do ponto de vista da biologia evolutiva do desenvolvimento (Evo-Devo). Esta é também a única equipe na Espanha, que lançou uma infra-estrutura científica – há mais duas em Bergen (Noruega) e Osaka (Japão) – considerado como um referencia em projeção internacional com a capacidade de desenvolver e estudar este novo modelo organismo.

O Oikopleura dioica é um animal pequeno, com um ciclo de vida curto, muito prolífica e fácil de manter em laboratório. Estas condições tornam um excelente modelo animal. O seu genoma, sequenciado, é extraordinariamente compacto – três vezes menor do que a da mosca Drosophila e tenha perdido uma grande quantidade de genes. Atualmente, os especialistas UB usam o O. dioica como mutante em evolução que tem muitos genes importantes para o desenvolvimento do embrião. O grupo de pesquisa trabalha em duas linhas de pesquisa. Por um lado, eles usam O. dioica na investigação sobre o efeito do composto tóxico em desenvolvimento marinho e reprodução animal, bem como o seu impacto nas cadeias tróficas oceânicas. Por outro lado, eles usam O. dioica para estudar como as perdas genéticas tem afetado os mecanismos de desenvolvimento cardíaco.

“Esperamos que esses estudos nos permita identificar o essencial” conjunto mínimo de genes ‘para produzir um coração e nos ajudaria a entender melhor os fundamentos genéticos de certas cardiomiopatias e descobrir novos genes para melhorar o diagnóstico”, dizem Ricard Albalat e Cristian Canestro.

Fonte: Science Daily

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Comentários internos

Sempre que faço oficinas de ecologia e zoologia de invertebrados usando borboletas como ferramenta didática para ensino de uma série de conceitos: digo aos alunos do ensino médio que estes insetos são excelentes para entender muitas disciplinas da biologia. Sempre cito que borboletas são muito estudadas do ponto de vista ecológico, evolutivo e genético. Borboletas da família Nymphalidae passaram por processo de perda de genes e simplificação de redes de genes.

De fato, esta característica foi destacada no NetNature, em maio de 2013, em um texto chamado UMA ÚNICA ORIGEM PARA AS MANCHAS OCELARES DAS BORBOLETAS DA FAMÍLIA NYMPHALIDAE onde obviamente trata da origem monofilética desta família e demonstra como manchas ocelares são fundamentalmente determinadas por redes de genes que podem ser simplificadas. E isto tem implicações evolutivas importantes, pois trata-se dos genes que determinam as manchas ocelares, e elas tem função direta na atração de indivíduos para a reprodução.

Borboletamorpho achilles da fam[lia Nymphalidae que vive na Amazônia apresenta 7 manchas ocelares (manchas concêntricas). Fonte: Joeschelling

Borboleta Morpho achilles da família Nymphalidae que vive na Amazônia. Apresenta 7 manchas ocelares (as manchas concêntricas nas asas). Imagem: Joeschelling

Manchas ocelares originaram-se uma única vez dentro da família Nymphalidae e vem evoluindo a aproximadamente 90 milhões de anos. Isso vem ocorrendo concomitantemente com a expressão de pelo menos três genes associados a um cluster (“pacote”) de genes ao desenvolvimento precoce dos primeiros ocelos. Sabe-se que durante a evolução ocelar múltiplas perdas de expressão da maioria dos genes ocorreram a partir deste conjunto de três genes precoces, mesmo que não tenha ocorrido á perda da característica. Características complexas como ocelos, podem ter se originado através de cooptação de uma grande rede de regulação genética complexa pré-existente que foi posteriormente simplificada a não cumprir obrigatoriamente sua função de desenvolvimento e sim de ornamentos que também tem um significado evolutivo interessante a espécie.

Muitos estudos prévio já haviam mostrado como a perda da expressão gênica em redes complexas de regulação estão associadas a perda de um traço. Em borboletas Nymphalidae existe um padrão de diminuição de rede sem que haja perdas das manchas ocelares. Embora exista uma variação no número de genes expressos (em diferentes espécies) e do número de anéis de cores nos ocelos dos adultos, não há relação entre as duas quantidades. Esta variação generalizada no número de genes expressos durante o desenvolvimento da mancha ocelar sugere que alguns elementos da rede reguladora do gene, em algumas espécies, podem não mais desempenhar um papel essencial no desenvolvimento de tais características.

Nova expressão g6enica e nova característica (seta a esquerda) e simplificação da rede de genes (seta a direita).

Nova expressão g6enica e nova característica (seta a esquerda) e simplificação da rede de genes (seta a direita).

A simplificação da rede é provável que ocorra quando os genes cooptados para o novo contexto não são funcionais na produção de uma nova característica. A perda da expressão do gene pode acontecer uma vez que os genes de uma rede ou os seus elementos cis-regulatórios são duplicados, permitindo a sub-funcionalização e especialização de cada exemplar para uma função diferente. Este processo de duplicação e especialização prevê perdas de expressão em novos contextos enquanto que a expressão é retida no contexto original. Alternativamente, os genes da rede original podem ser secundariamente cooptados a funcionar no desenvolvimento do novo traço devido à sua nova expressão.

Em conclusão, as borboletas da família Nymphalidae têm manchas ocelares homólogas em todos os sentidos; genes, redes-gênicas e a dinâmica de atuação desses genes. Surgiram a partir de cooptação de funções genéticas e a perda de genes secundariamente, mas não afeta necessariamente a característica ocelar desses animais.

Victor Rossetti

Palavras chave: Rossetti, NetNature, Genética, Genes, Perda de Genes, Evolução.

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Referências

Jeffrey C. Oliver mail, Xiao-Ling Tong, Lawrence F. Gall, William H. Piel, Antónia Monteiro. A Single Origin for Nymphalid Butterfly Eyespots Followed by Widespread Loss of Associated Gene Expression. New York University, United States of America. August 16, 2012.
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