OS CIENTISTAS EXPLORAM MISTÉRIOS POR TRÁS DA DIVERSIDADE DA COMPOSIÇÃO DO DNA ENTRE AS ESPÉCIES.

Para criar a icônica dupla hélice torcida que explica a diversidade da vida, as regras de DNA especificam que G sempre se junta com C e A com T.

Renderização de DNA. Crédito: © DigitalGenetics/Fotolia

Mas, quando tudo é somado, a quantidade de G+C vs A+T entre espécies não é uma porcentagem fixa simples ou uma relação padrão de um para um.

Por exemplo, dentro de organismos unicelulares, a quantidade de conteúdo de G+C pode variar de 72% em uma bactéria como Streptomyces coelicolor enquanto o parasita protozoário que causa a malária, Plasmondium falciparum, tem apenas 20%.

Nos eucariotas unicelulares, o fermento contém 38% de conteúdo de G+C, plantas como o milho têm 47%, e os seres humanos contêm cerca de 41%.

A grande questão é por que?

“Este foi um dos problemas de longa data na evolução do genoma, e as tentativas anteriores de explicar isso envolveram tremores consideráveis”, disse Michael Lynch, que lidera um novo Centro de Mecanismos de Evolução no Instituto Biodesign da Universidade Estadual do Arizona.

Existe alguma coisa dentro da natureza química do próprio DNA que favorece um nucleotídeo sobre o outro, ou o viés da pressão de mutação varia, e, em caso afirmativo, por que isso seria diferente entre as espécies?

“Na ausência de observações-chave sobre o processo de mutação, tem havido uma luta para entender qual é o mecanismo”, disse Lynch.

O grupo de Michael Lynch demonstrou experimentalmente que a composição de G+C geralmente é fortemente favorecida, enquanto que isso geralmente é oposto pela pressão mutacional de vários pontos fortes na direção oposta.

“Em média, a seleção natural ou algum outro fator (possivelmente associado a forças recombinacionais) favorece o conteúdo de G+C, independentemente da classe de DNA, tamanho do genoma de uma espécie ou onde a espécie é encontrada na árvore evolutiva da vida, “disse Lynch.

O estudo foi publicado na revista Nature Ecology and Evolution.

Errar é universal

A condução da evolução vem das mutações no DNA, erros no genoma que são introduzidos e transmitidos para a próxima geração, de modo que ao longo do tempo, fornecendo combustível para a invenção de novas adaptações ou traços.

Para chegar ao centro da questão, os cientistas queriam uma maneira de quantificar o espectro completo de mutações de DNA no laboratório em uma ampla faixa de espécies.

Isso agora pode ser feito devido em parte por novas tecnologias para tornar o sequenciamento de DNA mais rápido e mais barato. Ele alimentou uma era de ouro da biologia experimental evolutiva.

“Começamos com o conhecimento do espectro mutacional que ocorre no nível do genoma em cerca de 40 espécies examinadas no meu laboratório”, disse Lynch. “Você pode usar essas informações para calcular qual composição do G+C estaria na ausência de seleção. E então podemos comparar essa expectativa nula com o conteúdo do genoma atual, sendo a diferença devido à seleção”.

Em um experimento excepcional até o momento, eles examinaram cada mutação de DNA em diferentes espécies, seqüenciando bilhões de bases químicas de DNA.

“Isso representou uma carga de trabalho muito substancial, esforço e custo que era necessário testar diferentes modelos evolutivos com alto poder estatístico”, disse Hongan Long, um pesquisador pós-doutorado que liderou os experimentos.

Eles também aproveitaram uma análise de 25 conjuntos de dados atuais de mutações e 12 novas experiências de acumulação de mutações (MA) de seu próprio laboratório, incluindo bactérias e uma diversidade de organismos multicelulares, incluindo leveduras, vermes, moscas de frutas, chimpanzés e humanos.

Durante cada experiência de MA, eles realizaram o seqüenciamento completo do genoma de cerca de 50 linhas bacterianas diferentes que foram passadas através de estrangulamentos graves de células soltas para milhares de divisões celulares.

“Esta passagem de célula única de cada linhagem como um filtro, eliminando a capacidade de seleção natural para modificar o acúmulo de todas, exceto as mais severas e deletérias, dando-nos uma visão efetivamente imparcial do processo de mutação”, disse Long.

Com cada geração, eles mediram cuidadosamente a taxa de mutação, ou toda ocorrência de quando apenas uma única letra de DNA é alterada.

Isso pode acontecer de duas maneiras: um único par de bases de DNA G ou C sendo convertido na direção A+T; ou o oposto pode acontecer, com uma base A ou T comutando na direção G+C.

Após todo o número e uma refinada nos dados, surgiu um padrão impressionante entre o conteúdo de G+C e as expectativas baseadas em mutações de DNA.

“Acontece que eles estão correlacionados”, disse Lynch. “A composição de G+C é sempre maior do que o esperado, com base na neutralidade. Isso nos diz que há uma seleção generalizada. Portanto, a mutação gera o padrão geral, mas a seleção para G e C sobre A e T aumentam o conteúdo do genoma acima da expectativa de mutação neutra. Isso parece ser quase universalmente verdadeiro”.

O fim do começo

Agora que eles mostraram a correlação da composição de G+C, abriu a porta para muitas outras questões e respostas que permanecem evasivas.

“Uma pergunta é,”Por que o espectro da mutação muda tão dramaticamente entre as espécies”? perguntou Lynch. As espécies não têm o mesmo espectro de mutação. Existem espécies cujos perfis de mutação são mais ricos e outros mais G+C. Ainda não conhecemos os mecanismos por trás dessa divergência no espectro mutacional”.

Eles podem ser devido a diferenças simples em química e biofísica.

Uma força geral que pode ser relevante é a estabilidade do DNA, conduzida pela química das letras do DNA. As forças que mantêm a escala de DNA intacta são chamadas de ligações de hidrogênio. Os pares G+C envolvem três ligações de hidrogênio, enquanto que os pares A+T envolvem apenas dois.

“O pensamento predominante é que mais conteúdo G+C aumenta a estabilidade do genoma”, disse Lynch.

Outra possibilidade é durante a reprodução, quando os fios de DNA se entrelaçam de cada progenitor para fazer um ovo fertilizado, podem ocorrer desajustes na combinação de bases, levando a erros que as enzimas de revisão de DNA devem consertar mais tarde. Às vezes, um G pode ser alterado para um A, ou um T se torna um C, convertendo genes durante este processo de reparo incompatível.

“Acredita-se que isso geralmente seja tendencioso para Gs e Cs”, disse Lynch.

Agora, com sua configuração experimental no local, a equipe de Lynch está preparada para explorar ainda mais os mecanismos de evolução e forças fundamentais por trás desse grande mistério.

Jornal Referência:
Hongan Long, Way Sung, Sibel Kucukyildirim, Emily Williams, Samuel F. Miller, Wanfeng Guo, Caitlyn Patterson, Colin Gregory, Chloe Strauss, Casey Stone, Cécile Berne, David Kysela, William R. Shoemaker, Mario E. Muscarella, Haiwei Luo, Jay T. Lennon, Yves V. Brun, Michael Lynch. Evolutionary determinants of genome-wide nucleotide composition. Nature Ecology & Evolution, 2018; DOI: 10.1038/s41559-017-0425-y

Fonte: Science Daily

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