Rodrigo Véras

Afinal, viemos ou não viemos dos macacos? Três respostas possíveis.

A pergunta que empresta o título a este post é uma das questões que frequentemente aparecem quando se está envolvido com divulgação científica sobre evolução. Esta interrogação é tanto uma questão honesta proveniente de pessoas que estão sinceramente tentando compreender qual nossa relação com os macacos, como é uma típica pergunta viciada, usada por criacionista como preludio para uma outra questão realmemte absurda, Se viemos dos macacos por que ainda existem macacos que trai a profunda ignorância dos mesmos sobre evolução e mesmo sobre relações genealógicas.

Neste pequeno ensaio vou defender que existem pelo menos três respostas adequadas a esta primeira questão e que cada resposta pode ser usada dependendo da exata intenção por trás da pergunta e do tipo de dúvida associada a ela, às vezes, mesmo sendo necessárias as três respostas:

1) “Não!”

A primeira resposta é um sonoro “Não!”. Nós não viemos de nenhum macaco moderno. Nós não somos descendentes dos chimpanzés, nem dos gorilas, nem dos orangotangos e nem de qualquer outras espécies de macaco que tenham coexistido com nossa espécie e nossos ancestrais mais diretos nos últimos milhões de anos. Os macacos, como nós seres humanos, são primatas simiiformes (antropoides) que se originaram nos últimos 40 ou 50 milhões de anos e portanto são nossos parentes. Então, da mesma forma que não somos descendentes de nossos irmãos, mas compartilhamos com eles ancestrais comuns (nossos pais) e não somos descendentes de nossos primos irmãs, como os quais compartilhamos um par de avós, nós e dos diversos macacos somos por assim dizer primos de uma perspectiva evolutiva. No caso nossos parentes vivos mais próximos são as espécies do gênero Pan, chimpanzés e bonobos com as quais compartilhamos um ancestral comum como o ancestral comum (uma população ancestral, na verdade) de ambas que deve ter vivido por volta de 5 ou 7 milhões de anos atrás.

Esta resposta negativa é importante por que refuta a ideia simplista de que seríamos descendentes diretos de alguma espécie de macaco moderna e que os demais macacos não teriam evoluído, o que é falso [veja “Entendendo a filogenia Parte 1 e2“]. No processo de divergência de populações ancestrais ambas as linhagens derivadas continuam evoluindo, mas o fazem de maneira diferente de acordo com o histórico de mutações, estruturação da população e mudanças demográficas e pressões ecológicas particulares que as diversas populações de cada linhagem emergente passaram. Porém, esta resposta deixa uma dúvida que é a seguinte:

Tudo bem, nós não somos descendentes de macacos modernos, mas se chimpanzés e bonobos são macacos, o ancestral que compartilhamos com eles também não seria um macaco?

Isso nos leva a segunda resposta possível:

2) “Sim!”

Nós, seres humanos, descendentes sim de macacos. Embora realmente não descendamos de macacos modernos, os nossos ancestrais comuns com estes macacos eram, sim, tipos de macacos. Esta resposta é importante por que nos aproxima da questão primordial da evolução humana. Nós somos animais. Não somos criações em separado e sem relações de parentesco como os demais seres vivos. Somos produtos da evolução e, portanto, somos formas descendentes de espécies ancestrais que em muitos aspectos tinham várias características que consideramos primitivas (no sentido de serem a forma mais antiga) e que não mais estão presentes em nossa espécie que possui versões mais derivadas, ou seja, originadas das versões mais antigas, de muitas destas características

Ao nos compararmos aos demais macacos, especialmente as espécies hominoideas mais próximas a nos, como chimpanzés, gorilas, e orangotangos, notamos que divergimos deles em vários aspectos, como em relação a nossa cobertura de pelos, a forma de nossos crânios e de nossas proporções craniomandibulares, também com relação a nossa postura e proporção entre os membros, além de sermos bem diferentes com relação aoss detalhes de nossas cinturas escapulares e pélvicas e de nossas mãos. Isso sem esquecer do nosso comportamento e de nossas habilidades cognitivas. Porém, cada uma dessas espécies é também bem diferente uma da outra, ainda que compartilhem algumas destas características superficiais que fazem parte do esteriótipo que atribuímos aos macacos e que nós não compartilhamos, pelo menos, não de maneira tão intensa. Contudo, por meio de um exame mais detalhado, especialmente de nossos genes e genomas, notamos que as nossas similaridades com os chimpanzés (Pan troglodytes) e bonobos (Pan paniscus),  e deles conosco,  são maiores do que as nossas similaridades com qualquer outro macaco [Ao lado cariótipos humano e do chimpanzé çado a lado].

Esta segunda resposta  – que sem dúvida deve ser qualificada com a primeira resposta,  esclarecendo que os macacos dos quais descendemos são também ancestrais dos macacos com os quais coexistimos e dos quais somos, por assim dizer, ‘primos’ – é uma forma de começar a atacar o preconceito contra nossas raízes animais que faz tanta gente rejeitar a evolução. Porém, ela nos leva a outra questão que está por trás de boa parte da confusão terminológica que cerca estas questão:

Mas, afinal de contas, o que é um macaco?

Antes de responder esta pergunta é importante ressaltar que ‘macaco’ é um termo popular e não um ttermo científico, tendo suas origens em um período pré-Darwiniano e por isso não reflete o que sabemos sobre evolução, com o que temos descoberto sobre estrutura de parentesco entre os diversos grupos de seres vivos. O termo é normalmente usado para designar parte dos primatas mebros da infraordem simiiforme ou antropoidea. Esta infraordem inclui, além dos macacos vivos e extintos, nós os seres humanos, outros representantes do nosso gênero Homo já extintos (bem como de outros gêneros estreitamente relacionados a nossa linhagem, como o Australopthecus e o Ardipithecus, entre outros, já extintos), mas não primatas, tradicionalmente, agrupados no grupo dos ‘prossímios’, como lêmures e tarsos*.

Os problemas começam para a moderna sistemática filogenética (ou ‘cladística‘) por que os grupos taxonômicos devem refletir as relações de parentesco evolutivo entre os seres vivos, e não apenas nossas impressões superficiais sobre os mesmos. Portanto, devemos usar métodos específicos de inferência filogenética capazes de reconstruir tais relações e usá-los para agrupar os diversos seres vivos. Além disso, os clados devem ser monofiléticos, isto é, devem conter o ancestral comum e todos os descendentes dele, ninguém mais e ninguém menos.

A sistemática filogenética é uma abordagem de classificação que possui um método bem particular de inferir relações filogenéticas, ou seja, de inferir a estrutura de parentesco entre os seres vivos. Este método foi originalmente proposta pelo entomólogo alemão Willi Hennig e é atpé hoje extremamente influente, com seus princípios sendo amplamente aceitos entre os biólogos,  influenciando mesmo os demais métodos e estratégias de inferência filogenética surgidas desde então que usam critérios de escolha entre as árvores distintos, do critério de parcimônia proposto por Hennig.

De acordo com a cladística, o resultado de seu método, um diagrama em forma de árvore chamado de cladograma, é uma hipótese sobre o relacionamento evolutivo dos grupos analisados e pode ser testado com bases em novos dados. Este método baseia-se na ideia de que os membros de um grupo compartilham uma história evolutiva comum, estando mais “intimamente relacionados” entre si do que os membros de outros organismos. Devido a esta história filogenética comum mais íntima, tais grupos podem ser reconhecidos através do compartilhamento de certas características únicas distintivas ditas derivadas, ou seja, que não estão, portanto, presentes em seus ancestrais mais distantes, originando-se das características ancestrais, primitivas, que estavam presentes nestes ancestrais mais distantes. Estas semelhanças entre características compartilhadas derivadas  são chamadas de sinapomorfias e sua identificação constitui a base do método cladístico que permite o agrupamento dos seres vivos em grupos ditos monofiléticos [Veja “Journey into Phylogenetic Systematics“].

O ponto que deve ser enfatizado e que não é suficiente que organismos compartilhem características em sentido geral. É perfeitamente possível que dois organismos compartilhem um grande número de características e mesmo assim não sejam considerados membros de um mesmo grupo por não serem proximamente aparentados. Pense, por exemplo, em tubarões, golfinhos e ictiossauro, todos animais aquáticos como morfologias semelhantes, mas de grupos bastante distintos, o primeiro um condrictio, o segundo um mamífero e o terceiro um arcossauro. Por isso os sistematas modernos insistem não apenas a presença de características comuns, que é importante, mas na presença de características comuns derivadas [Veja “Journey into Phylogenetic Systematics” e para saber mais detalhes sobre como é a metodologia cladistica veja “Methodology of a Cladistic Analysis”  e o livro de Amorim, 2002]

Como vemos na figura acima e a direita, os cladogramas são formado por vários linhas (os ramos) que podem ser encarados com linhagens de ancestrais e descendentes diretos de organismos, os pontos de convergência das linhas (os nós internos e a raíz), que representam os ancestrais comuns entre pares de linhagens e as linhagens derivadas dessas linhagens, e, por fim, nos extremos das linhas, os nós terminais, que ilustram as espécies de interesse.

Ao observarmos os cladogramas abaixo é possível constrastar os clados monofiléticos com os agrupamentos parafiléticos e polifiléticos, ambos não considerados adequados pois não refletem adequadamente o padrão genealógico dos grupos de seres vivos [Para saber mais veja “Construindo a Árvore” e “Homologias e Analogias“, “Usando a árvore para classificação“, além de “Árvores, não escadas“].

No diagrama cladistico acima que ilustra a estrutura de parentesco ente as espécies A, B, C, D, E e F podemos ver em azul os clados, isto é, agrupamentos monofiléticos, de espécies que incluem o ancestral comum, representados pelos nós internos e a raíz que é o ancestral comum a todas as espécies representadas. Este dendrograma nos mostra que as espécies B e C são um grupo monofilético, assim como as espécies D e F. Da mesma forma, também são grupos monofiléticos, os grupos formados pela espécie A o grupo formado pelas espécies B e C cujo ancestral comum compartilha um ancestral comum com A. O mesmo ocorre com o grupo formado pelas espécies D e E e a espécie F, já que a espécie F compartilha um ancestral comum com a ancestral de D e E. Por fim, todos os grupos compartilham um ancestral comum que é denotado pela raíz. Agota, veja a próxima figura:

Acima podemos ver representado um grupo polifilético, ou seja, formado por espécies que não compartilham ancestrais comuns próximos, mas apenas o mesmo ancestral que compartilham com todas as outras. Este tipo de agrupamento é análogo ao grupo ‘homeotermea’ que foi proposto (e  jamais amplamente aceito) que era formado por mamíferos e aves. A simples posse da homotermia não é sificiente para agrupar estes dois grupos de vertebrados tetrápodes e provavelmente surgiu de maneira independente por evolução convergente em cada um dos grupos, constituindo-se no que os sistematas chamam de homoplasias. Mas existe ainda outra possibilidade de agrupar os seres vivos e que também não reflete adequadamente as relações de parentesco entre os grupos. Veja abaixo:

Os grupos parafiléticos agrupam o ancestral comum, mas deixam de fora algum ou alguns dos seus descendentes. Esse é, por exemplo, o problema com grupos como ‘peixes’ e ‘repteis’, pelo menos na maneira como são tradicionalmente concebidos. O problema é se os vertebrados terrestres são descendentes de peixes, então, também deveríamos ser considerados peixes. Assim, como se os mamíferos descendem de répteis, então, nós também deveríamos ser répteis. Abaixo é mostrado um cladograma dos Tetrápodes com o clado Sauropsida e a classe tradicional dos Répteis (Reptilia) destacados. Como pode ser observado, ambo os grupos sobrepõem-se fotemente, mas a classe traditional Reptilia é baseada em características ancestrais que incluem as existentes nos amniotas primitivos e no, às vezes, chamados ‘répteis mamimeferóides’, isto é, alguns terapsidas primitivos  e outros sinapsídeos primitivos.

Normalmente isso é resolvido evitando-se usar o termo popular ao discutir-se a questão evolutiva  (já que abandoná-lo por completo geralmente é inviável) ou simplesmente redefinindo-o. Por exemplo, uma das soluções para o termo réptil é torná-lo sinônimo de sauropsida, o que faria não só lagartos, serpentes, tuataras, tartaruras (e seus parentes) e crocodilianos serem considerados répteis, mas também as aves, cujos parentes mais próximos vivos são os crocodilianos, que são basicamenete dinossauros terópodes remanescentes. Porém, neste caso, nós mamíferos não podemos ser considerados descendentes dos répteis, mas membros de uma linhagem irmã dos répteis (sauropsídeos) chamada de Synapsida que como os répteis são um grupo dos amniotas.

Mas o que tem isso a ver com o termo ‘macaco’?


Como eu havia dito, o termo ‘macaco’ normalmente designa parte dos simiiformes, ou seja, os simiiformes não-humanos. Isto mesmo, o termo nos exclui arbitrariamente, mesmo quando nós, seres humanos, somos mais próximos dos chimpanzés (e em menor grau dos demais grandes macacos sem cauda) do que eles e nós somos de todos os demais macacos.

Então, embora o termo inclua nossos ancestrais (caso reconheçamos que os ancestrais comuns entre nós e os macacos modernos eram também macacos, como é perfeitamente plausível), ele não engloba todos os descendentes deste ancestral comum, já que nos deixa de fora deste grupo. Este esclarecimento nos leva a nossa terceira resposta.

3) Sua premissa está errada! Nós somos ‘macacos’!!

Caso queiramos que este termo seja mais preciso e que faça mais sentido do ponto de vista evolutivo, devemos admitir que somos sim um tipo de macaco, mesmo que tenhamos algumas características externas bem derivadas em relação as demais espécies viventes, mas que, em parte, são evidentes por que nós mesmos as investigamos e julgamos, e, em outra parte, por que vários de nossos parentes mais próximos dos últimos 5 ou 6 milhões de anos, simplesmente, não existem mais. Caso eles ainda existissem (e é o que nos damos conta quando olhamos para os fósseis), perceberíamos como os ‘macacos’ (primatas simiiformes, nos incluindo) são, na verdade, bem mais variados que nosso esteriótipo desenvolvido por vivermos em certo período específico em que somos os únicos membros na subtribo hominina (e mesmo do gênero Homo) vivos. Ao lado uma filogenia molecular dos primatas bem recente [Perelman et al., 2011)] que mostra mais detalhadamente as relações entre os diversos primatas, incluindo os simiiformes.

Estas três respostas nos permitem perceber a quantidade de mal entendidos e equívocos que existem, não só, entre os criacionistas, mas na imagem popular da evolução humana. Por isso pode ser uma boa estratégia, usar este tipo de pergunta para desfazer mitos, mal entendidos, distorções e explicar o que os estudos de biologia evolutiva, especialmente de sistemática, primatologia, antropologia, paleoantropologia e genética evolutiva humana nos mostram de verdade.

Caso você interesse-se por compreender melhor nossas relações com os demais primatas vivos (e com nossos parentes extintos), aconselho uma série de posts e respostas sobre o tema, a começar pelo post, “99% confuso!” em que discuto (e tendo desfazer) as confusões sobre as diferenças mostradas, em termos de porcentagem, entre os genes e genomas humanos e dos chimpanzés, além dos artigos Supresas sobre as origens do cromossomo Y humano:”, Reajustando e recalibrando o relógio da evolução humana”, ‘Quem somos nós e como sabemos quem somos? Parte I , Parte II e Parte III’  e “Mais vislumbres de miscigenações ancestrais no DNA humano“. Respesotas recentes do nosso tumblr também discutem estas questões e podem ser encontradas aqui, aqui, aquiaqui e aqui.

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*Como já comentei em outra oportunidade, o próprio grupo dos ‘prossímios’ é parafilético, uma vez que os tarsos (tarsiiformes) são mais próximos aos simiiformes, formando com eles o grupo Haplorhini, e não de animais como os lêmures, por exemplo.

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Referências:

  • Amorim, D. S. 2002. Fundamentos de Sistemática Filogenética. Holos ed. 156pp.

  • Benton. M. J. Reptilia. Encyclopedia of life sciences. Macmillan, London, 2005. 11 pp. pdf

  • Freeman, S; Herron, J. C. . Análise Evolutiva.   Porto Alegre: ArtMed Editora, 4ª ed, 2009. 831 pg

  • Futuyma, D.J. Biologia Evolutiva. Ribeirão Preto: Funpec Editora 3ª ed , 2009. 830 pg

  • Lewin, R. Evolução humana. São Paulo: Atheneu, 1999. 526 pg.

  • Lewin, R., Foley, R.A., Principles of Human Evolution, 2nd Ed., Blackwell Science Ltd, 2004. 576 pg

  • Perelman P, Johnson WE, Roos C, Seuánez HN, Horvath JE, et al. (2011) A Molecular Phylogeny of Living Primates. PLoS Genet 7(3): e1001342. doi:10.1371/journal.pgen.1001342 

  • Ridley, M. 2006. Evolução.  Porto Alegre: ArtMed Editora 3ª ed., 2006. 806 pg

  • Wood, B. Human Evolution: A Very Short Introduction.Oxford University Press, New York, 2005. 144 pg.

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Créditos das Figuras:

As figuras com imagens de primatas são modificações da figura original obtida daqui

Cladograma dos Tetrapodes (fonte:  wikicommons; autor, Petter Bøckman)
DAVID GIFFORD/SCIENCE PHOTO LIBRARY
JJP/EURELIOS/SCIENCE PHOTO LIBRARY

Foto de Willi hennig em 1972 (fonte: wikicommons; autor: Gerd Hennig)

Reajustando e recalibrando o relógio da evolução humana

Sem dívida, um dos maiores desafios dos pesquisadores que trabalham com genética evolutiva é estimar, com maior precisão, quando, certos eventos evolutivos considerados importantes na história da vida, devem ter ocorrido. Na história da evolução humana um desses marcos ocorreu quando parte de nossos ancestrais deixaram o continente Africano e começaram sua expansão pelo resto do mundo. Rastrear estes primeiros passos e datá-los não é algo simples e exatamente fácil, embora vários métodos e estratégias tenham sido desenvolvidas nas últimas décadas. Uma das formas de produzir estas estimativas é usando os chamados ‘relógios moleculares‘ que tradicionalmente são calibrados através de fósseis bem datados de hominídeos, mas este método tem lá seus problemas, como a eventual falta de fósseis de parentes mais próximos durante os eventos que devem ser datados, além de termos que presumir que os primeiros fósseis disponíveis de uma determinada linhagem marcariam o surgimento da mesma, o que simplesmente não parece ser verdade em muitos casos. Contudo, mais recentemente, essas calibragens tem sido feitas a partir do cálculo das taxas de mutações basedaos na frequencia de novas mutações em genomas de organismos recentes, inclusive seres humanos [1].

Os modernos métodos de sequenciamento de alta performance têm permitido aos geneticistas sequenciarem uma quantidade de genomas completos em pouquíssimo tempo, o que lhes permite calcular diretamente o número de mutações, em um grande número de famílias, que diferenciam trios de indivíduos relacionados, o pai, a mãe, e um de seus filhos. Nos últimos três anos os resultados de oito estudos, que foram revisados por Aylwyn Scally e Richard Durbin em um artigo da revista Nature Reviews Genetics, permitiram aos autores estimarem uma taxa bem mais lenta de mutação do que a obtida empregando-se os métodos anteriores, de acordo com Gibbons [3]. Um destes estudos, publicado em agosto do ano passado, em que os genomas completos de 78 trios de pais e crianças islandeses, permituoiu, a partir de medidas diretas, estimar a taxa de mutação em populações humanas. Este estudo mostrou que, em média, cada recém-nascido carrega 36 novas mutações espontâneas, ou seja, que não são herdadas de nenhum dos pais, as chamadas mutações de novo [2].

Na figura ao lado: relógio molecular foi reajustado através de DNA antigo coletado entre outras fontes de três humanos enterrados há 31 mil anos, em Dolni Vestonice, na República Checa, de dois esqueletos enterrados há 14 mil anos, em Oberkassel, na Alemanha (vistos no detalhe). [Crédito: S. Svoboda; (no detalhe) J. Vogel/LVR-Landes Museum, Bonn; retirado de e traduzido de [1]]

Porém, talvez o mais impressionante, foi o fato de todos estes estudos chegarem mais ou menos a mesma estimativa da taxa de mutação humana, algo em torno de 1,2 ×10 8 mutações por geração em qualquer sitio de nucleotídeo, o que daria cerca de uma em 2,4 bilhões mutações por sítio por ano, supondo-se um tempo médio de geração de 29 anos, o que é menos da metade das taxas de mutação estimadas a partir da calibração por fósseis [2].

Este relógio molecular empurrou para trás no tempo várias datas importantes, como a separação entre as linhagens dos seres humanos e dos chimpanzés e o êxodo dos humanos modernos da África, com uma das estimativas para a grande última migração para fora da África, que era de menos de 80.000 anos atrás, passando a ser algo entre 90.000 e 130.000 anos atrás, como explicado por Ann Gibbons para o Science Now [1]. 

Contudo, talvez estas estimativas não estejam muito corretas, como vários autores têm defendido, quando extrapoladas para tão longe no passado e os velhos métodos não estivessem tão incorretos assim. Agora, um novo estudo, empregando uma nova e promissora metodologia, revisou mais uma vez estas datas e promete colocar em patamares ainda mais rígidos as estratégias de calibração dos relógios moleculares. Vários cientistas em artigo de autoria de Fu e colaboradores [3], usando o DNA mitocondrial antigo – de um indivíduo congelado, Ötzi, o famoso Homem de Gelo (reconstruído à esquerda), de amostras coletadas de restos humanos mais modernos e de fósseis humanos ainda mais antigos, para realizar estas datações – estimaram, este mesmo evento, o êxodo Africano, como tendo ocorrido, no máximo, cerca de 95 mil anos atrás , e, talvez mesmo, há apenas 62 mil anos [1].

Johannes Krause, geneticista evolutivo da Universidade de Tübingen, na Alemanha, líder da equipe, e vários colegas resolveram sequenciar o DNA das mitocôndrias (mtDNA) – pequenas organelas típicas dos eucariontes e que são herdada de nossas mães – de restos mortais e fósseis de seres humanos modernos que viveram nos últimos 40 mil anos e que haviam sido datados de maneira confiável por métodos como oradiocarbono, como forma de calibrar o seu relógio molecular. O princípio é o seguinte, caso a idade do fóssil for de 40.000 anos, por exemplo, estaria faltando 40 mil anos de evolução, que teria tido lugar na linhagem entre aquelas pessoas e uma pessoa vivente, o qur quer dizer que haveriam mutações faltando no genoma antigo que seriam aquelas que teriam surgido durante o tempo desde que o ser humano fossilizado morreu e que agora estão presentes em nós [1].

Com base neste princípio, os pesquisadores analisaram 10 restos humanos e de fósseis bem datados, entre os quais estavam um homem medieval, que viveu na França há 700 anos, o já referido homem de gelo, de 4.550 anos de idade; dois fósseis de seres humanos de 14.000 anos de idade, encontrados em túmulos em Oberkassel, na Alemanha; três seres humanos modernos aparentados de 31 mil anos atrás, encontrados em Dolni Vestonice, na República Checa, além de humanos modernos bem antigos de cerca de 40 mil ano, encontrados, em Tianyuan, na China. Ao aplicarem as taxas de mutação do DNA antigo para estimarem a data da migração para fora da África, obtiveram como resultado que este evento deve ter se dado entre 62.000 e 95.000 anos atrás (o que é quase metade do que havia sido calculado pelo método usando taxas de mutações determinadas de novo, a partir de humanos atuais), evento que marcaria a separação dos não-Africanos dos Africanos subsaarianos do haplogrupo L3, o mais intimamente relacionado com os não-Africanos [3].

As novas estimativas encaixam-se bem melhor com as evidências dos fósseis e dos dados arqueológicos, como as referentes as ferramentas de pedra, do que com as estimativas de datas mais antigas anteriores para os mesmos eventos usando-se as estimativas de novo [1, 3].

“A coisa boa sobre isso é que era semelhante as evidências arqueológicas”, diz Krause [1].

O método usado pela equipe de cientistas para verificar a taxa de mutação foi elogiado mesmo por Aylwyn Scally, geneticista do Instituto Wellcome Trust Sanger, em Hinxton, Reino Unido, co-autor do artigo que havia calculado uma taxa mais lenta mutação em seres humanos vivos e empurrado o êxodo Africano mais para o passado:

“É excelente que eles foram capazes de obter uma base melhor para calibrar a taxa de mutação do mtDNA, olhando DNA antigo.” [1]

O estudo, entretanto, não deixou de receber críticas. Por exemplo, o próprio Scally, enfatizou que o mtDNA representa apenas uma única linhagem genética, que aliás nem é típica do genoma nuclear com uma taxa de mutação mais alta e com uma maior proporção de genes sob a seleção do que ocorre no genoma nuclear. O próprio Krause, bem como o conhecido paleogeneticista Svante Pääbo, do Instituto Max Planck de Antropologia Evolutiva em Leipzig, Alemanha (coautor do estudo), concordam que é necessário muito mais trabalho para resolver as diferenças entre as taxas de mutação do mtDNA e dos genomas nucleares.

“É possível que hajam coisas que não entendemos sobre a herança mitocondrial e seus padrões de mutação”, disse Pääbo [1].

A questão é ainda mais complicada pois o problema também poder ser fruto dos pesquisdires terem subestimado o número de mutações nucleares em seres humanos vivos. Afinal de contas é bastante fácil perder alguma coisa quando estamos falando em cerca de 30 ou 50 novas mutações em um total de 3.200.000.000 de bases no recém-nascido do genoma. Segundo Krause, os métodos de sequenciamento correntes ao realizar estas contagens estão no limite das suas capacidades de distinguir mutações verdadeiras de erros de sequenciamento, podendo jogar dados reais fora [1].

“O caminho a seguir é realmente dominar o sequenciamento de genomas nucleares de forma precisa, disse Pääbo [1].

Na figura abaixo podemos ver uma árvore para os mtDNAs dos 54 humanos atuais, 10 seres humanos modernos antigos, e 7 seres humanos arcaicos. A filogenia, que pode ser vista no painel superior, foi construída utilizando o método de ‘Máxima Parcimônia’ e foi enraizada usando-se o enraizamento pelo ponto médio. Os ramos para os seres humanos de hoje em dia não terminam todos no mesmo ponto, indicando a incerteza inerente às medidas de tempo com base no DNA mitocondrial, devido a limitação da extensão dessas sequências. No entanto, o encurtamento consistente dos ramos dos seres humanos mais antigos, em relação ao seus parentes humanos atuais mais próximos, é evidente na figura e é a base da calibração do relógio molecular usado pelo grupo de Krause. As amostras antigas pré e pós-neolíticas são indicadas por círculos vermelhos e azuis, respectivamente, e os quadrados coloridos mostram a origem geográfica dos 54 seres humanos atuais cujas amostras de mtDNA foram co-analisadas, com as amostras de seres humanos antigos, pelo trabalho de Fu e colaboradores [3]. As estimativas para as datas dos eventos mais importantes de divergência entre populações Africanas e não-Africanas são mostradas nos nós da filogenia; e no painel inferior é mostrado um mapa em que são destacadas as origens geográficas das amostras (Fu, et al., [3])

De acordo com Krause, isso é fundamental, já que uma melhor noção dos tempos envolvidos na evolução humana é crucial para conseguirmos compreender em maior detalhe diversos eventos importantes. Por exemplo, também de acordo com Krause, como relatado no artigo de Gibbons [1], saber quando os seres humanos modernos se espalharam para fora da África, permitiiu aos cientistas responsáveis pelo artigo mostrarem que os seres humanos modernos eram os mesmos na Europa antes e depois das geleiras terem coberto o continente e, portanto, puderam concluir que essas populações tiveram a capacidade de adaptar-se a esta drástica mudança climática [1]. Os cientistas conseguiram chegar a esta conclusão ao descobrir que os seres humanos modernos que viveram na Europa, antes e depois da última idade do gelo, compartilhavam a mesma linhagem de mtDNA, o que os descendentes diretos um dos outros [1].

O ‘fora da África’ é um dos principais eventos dentro da evolução humana”, diz Krause[1].

“Nós precisamos saber quando isso aconteceu.”, complementa o cientista [1].

Os autores também enfatizam que, seguindo as críticas de Scally, embora loci únicos, como os representados pelo mtDNA, realmente forneçam estimativas tendenciosas dos tempos de divergência entre as populações, eles, ainda assim, podem fornecer limites superiores válidos e, neste caso, já serviriam para excluir as datas mais antigas para as divergências populações africanas e não-africanas que foram recentemente sugeridas por métodos baseados em taxa de mutação de novo obtidas para o genoma nuclear [3].

Este trabalho ilustra outra característica importante das ciências. Mesmo que não possamos deixar de fazer certas pressuposições, sempre que possível devemos testá-las e comparar nossas conclusões e estimativas obtidas a partir delas com as obtidas a partir de outras pressuposições e por outros métodos de modo a avaliar a robustez das mesmas. Só assim avançamos e podemos passar a conclusões mais sólidas e precisas. Os métodos apresentados, as questões que surgem a partir de sua implemetação e a discussão de suas limitações são, portanto, mais uma exemplo do que tornam as ciências essas empreitadas dinâmicas e críticas, em constante revisão, em que as investigações não possuem um fim. A possibilidade de usarmos os dois novos métodos, o de novo e o basedo em sequenciamento de restos de organismos antigos e extraídos de fósseis bem datados, além da resolução das inconsistência entre ambos, oferece oportunidades de tornar o processo de estimação de datas de eventos evolutivos importantes muito mais preciso e confiável.

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Referências:

  1. Gibbons, Ann Clocking the Human Exodus Out of Africa Science Now, published on 21 March 2013.

  2. Gibbons A. Human evolution. Turning back the clock: slowing the pace of prehistory. Science. 2012 Oct 12;338(6104):189-91. doi: 10.1126/science.338.6104.189. PubMed PMID: 23066056. DOI: 10.1126/science.338.6104.189 [pdf]

  3. Fu, Qiaomei; Mittnik, Alissa; Johnson, Philip L.F.; Bos, Kirsten; Lari, Martina; Bollongino, Ruth; Sun, Chengkai; Giemsch, Liane; Schmitz, Ralf; Burger, Joachim; Ronchitelli, Anna Maria; Martini, Fabio; Cremonesi, RenataG.; Svoboda, JiY ; Bauer, Peter; Caramelli, David; Castellano, Sergi; Reich, David; Paabo, Svante; Krause, Johannes A Revised Timescale for Human Evolution Based on Ancient Mitochondrial Genomes Current biology, 21 March 2013  doi:10.1016/j.cub.2013.02.044

Credito das figuras:

VOLKER STEGER/SCIENCE PHOTO LIBRARY
P.PLAILLY/E.DAYNES/SCIENCE PHOTO LIBRARY
JEAN-FRANCOIS PODEVIN/SCIENCE PHOTO LIBRARY

Um único gene, muitas histórias:

Em um novo estudo, pesquisadores de Harvard e da Universidade do Kentucky mostram que mudanças na cor da pelagem em camundongos silvestres são o resultado não de uma única mutação, mas de muitas mutações, todos em um único gene [1].

Embora acumulemos cada vez mais e mais evidências do processo de evolução adaptativa, ainda temos muitas dúvidas este processo ocorre em detalhe, especialmente ao nível molecular. Uma questão que se destaca, por exemplo, e para qual não temos uma boa resposta e se a evolução pro seleção natural ocorre por mudanças genéticas de grandes efeitos ou, como sugerido por Darwin e modelado por Fisher, ocorreria através de pequenas mudanças incrementais*, de modo a minimizar efeitos pleiotrópicos que são aqueles causados pelos multiplos papéis exercidos por muitos genes.

Felizmente, as modernas técnicas de sequenciamento genômico e análise genotípica vêm sendo aplicadas a modelos experimentais de evolução fenotípica e a dados oriundos de populações naturais, cuja ecologia, genética e demografia são muito bem conhecidas e que podem ser analisadas por estratégias computacionais e estatísticas capazes de detectar as marcas da seleção natural e de outros processos evolutivos. Um destes modelos de estudo é o ‘camundongo veadeiro (Peromyscus maniculatus). Estes pequenos roedores são um dos mamíferos mais abundantes e mais amplamente distribuídos na América do Norte, normalmente, exibindo um cobertura de pelos escuros que lhes permite confundirem-se com os solos escuros da maioria das regiões onde vivem, evitando que potenciais predadores como aves de rapinas os vejam e alimentem-se deles. Para o qual a coloração dos pelos pode ser um questão de vida e a morte. Acontece que em algumas regiões habitadas por estes animais, o solo não é escuro.

Na realidade, em algumas delas, o solo é bem claro e animais com pelagem escura destacam-se contra o fundo arenoso, tornando-se alvos fáceis para vários predadores que se orientam pela visão. Por exemlo, os animais desta espécie que vivem nas Sand hills (‘colinas de areia’), no estado de Nebraska, enfrentam estas condições, mas, não por acaso, evoluiram suas próprias formas de prosperar nestes habitats, acabando por nos oferecer uma incrível oportunidade estudo da evolução adaptativa.

Nossa história começa quando os primeiros camundongos desta espécie com pelagem escura, colonizaram esta região. O problema é que por causa de sua coloração escura e padrão de pelagem eles destacavam-se dramaticamente contra a coloração clara, do terreno arenoso. Porém, ao longo dos 8.000 anos seguintes, as populações desses camundongos evoluíram um sistema de camuflagem, com coberturas de pelagem bem mais claras, além de mudanças no padrão depelame que incluiam alterações nos limites entre a região dorsal e ventral do corpo e  listras mais claras em suas caudas, ou seja, mudanças estas de pigmentação corporal que lhes permitiram misturar-se melhor em seu habitat.

Vários estudos usando estes animais como modelo têm sido realizados nos últimos anos e têm ajudado a mostrar como a evolução adaptativa da camuflagem ocorre, mas, até agora, a identificação das mutações precisas que estavam por trás dessas mudanças de fenótipo ainda não havia sido feita com precisão, o que era absolutamente necessário para que pudésemos responder a questão dos tamanhos dos efeitos das mutações envolvidos na evolução fenotípica adaptativa [1]. Até agora!

Agora, as pesquisadoras da universidade de Kentucky, Catherine Linnen, e da universidade de Harvard, Hopi Hoekstra, estão usando este modelo para investigar exatamente esta questão, ou seja, o tamanho dos efeitos das mutações que caracterizariam o processo de evolução adaptativa dos fenótipos. Os resultados foram descritos em artigo publicado, no dia 15 março, na revista Science, por uma equipe de cientistas que colaboraram com Linnen, a primeira autora do artigo, e Hoekstra, a autora sênior que vem trabalhando com estas populações de animais há anos.

As cientistas juntamente com seus colaboradores [2] foram capazes de mostrar que as mudanças na coloração da pelagem dos camundongos são o resultado não de uma única mutação, mas de pelo menos nove mutações em um mesmo gene único [1, 2].

“Os resultados demonstram como o efeito cumulativo da seleção natural, agindo em muitas pequenas mudanças genéticas, pode produzir uma mudança rápida e dramática” [1], disse Linnen que é a a primeira autora do artigo e acrescentou:

“Isso nos ajuda a compreender, a partir de uma perspetiva genética, o estranho ajustamento entre tantos organismos e seus ambientes. Ao agir sobre muitas pequenas mudanças, em vez de um punhado de grandes, a seleção natural pode produzir adaptações muito finamente ajustadas.” [1]

Mas como estes cientistas conseguiram descobrir isso?

Para começar, em função de estudos anteriores, já era bem conhecido que a coloração clara destes animais, que habitam estas colinas arenosas, estava fortemente ligada a mudanças em um única região do DNA, o locus Agouti, principalmente, alterações que ocorrem em uma região cis-ativa – ou seja, em partes não codificantes do gene, mas onde ligam-se proteínas chamadas de fatores de transcrição, capazes de regular a magnitude e a duração da expressão deste gene durante o crescimento dos pelos que é o que provoca um aumento concomitante na largura das bandas mais claramente pigmentadas nos pelos individuais. O papel deste gene chamado agouti, na camuflagem, foi originalmente descoberto por Linnen, Hoekstra e colegas em 2009, sendo já sabido que as alterações neste gene as responsáveis por alterações na pigmentação na pelagem de muitos outros animais. Por exemplo, todo gato preto domestico possui uma deleção na sequência de DNA deste gene [1]. Então, o gene agouti era um velho conhecido dos biólogos, sendo responsável pelo nível de pigmentação e pelo padrão da coloração exibido pela pelagem dos mamíferos.

O produto principal deste gene é uma pequena proteína chamada ‘peptideo de sinalização agouti (ASP de ‘Agouti Signaling Peptide‘) formado por de cerca de 131 aminoácidos, apesar de existirem diversos produtos distintos que surgem por processamento alternativo do RNA mensageiro formado a partir da sequência deste gene. O ASP está envolvido com o controle das quantidades relativas de eumelanina (o pigmento de cor marrom-preto) e feomelanina (pigmento de coloração amarelo-vermelho) expressas nos folículos pilosos dos mamíferos. Este peptídeo inibe a produção eumelanina induzida pelo α-MSH, resultando em uma faixa subterminal de feomelanina frequentemente visível na pele dos mamíferos, aparentemente, por que, ao ligar-se nos receptores de melanocortina, este peptídeo age como um agonista inverso o ligante α-MSH.

Apenas com base nesta informação poderíamos concluir que, como é um único gene que controla as mudanças de fenótipo existentes entre as duas formas de camundingos, o fenótipo teria evoluído em uma único passo ou no máximo bem poucos. Mas para nossa felicidade, as pesquisadoras não pararam por aí e foram adiante. 

De fato, a um exame mais detalhado, é possível perceber que a coloração clara não é uma única característica homogênea, mas, na realidade, é o produto de várias características distintas, como a coloração do dorso, a coloração do ventre, uma elevação da região fronteiriça entre ambas as partes e, por fim, da pigmentação da faixa caudal, como pode ser visto na figura abaixo e a esquerda, onde estão destacados os animais claros das colinas arenosas e os tipos selvagens de pelagem escura [2].

São estes vários caracteres separados que dão origem ao padrão de cobertura pilosa críptica dos animais que vivem nesta região em Nebraska. Todos eles associados a mudanças no locus agouti, como mostram estudos em animais criados em laboratório [2]. Mas não foi o simples fato deste gene estar envolvido com as mudanças de coloração que mais surpreenderam Linnen, Hoekstra e sua equipe de cientistas. O que realmente chamou a atenção dos pesquisadores foi que cada uma das nove mutações estavam associadas a uma mudança única na pelagem dos animais desta espécie e que todas as novas mutações levaram a melhor coloração de camuflagem; e, além disso, com essas mutações tendo ocorrido em um período relativamente curto, isto é, cerca de 8.000 anos [1, 2].

“Basicamente, parece que estas mutações – cada qual faz o camundongo um pouco mais claro e mais camuflado – acumularam-se ao longo do tempo”, disse Hoekstra.

Porém, estes dados ainda não eram suficientes para definir se essas mudanças eram todas causadas por alterações pleiotrópicas de grande efeito que influenciariam todas estas características ao mesmo tempo ou se teriam sido causadas por mudanças pequenas em porções diferentes deste mesmo locus que poderiam ter sido fixadas mais ou menos independentemente [2]. Mas antes de resolver esta questão era preciso confirmar que estes padrões de coloração eram realmente adaptativos, ou seja, se eles de fato conferiam vantangens em termos de sobrevivência aos seus portadores naquele ambiente.

Os autores do artigo utilizaram-se de massinha de modelar, para criar modelos dos animais em cores claras e escuras, como forma de testar a hipótese de que essa pelagem clara era realmente uma adaptação para a ocultação, medimos as taxas de ataque aos modelos dois tipos de modelos (veja a figura abaixo) quando estes eram colocados sobre múltiplos locais nas Sand hills. Com este experimento ficou claro que os modelos com coloração escura, que destacavam-se sobre as superfícies arenosas claras, eram atacados significativamente mais frequentemente do que os modelos com colorações claras, crípticas (P <0,05). Estes resultados somam-se aos de experimentos anteriores em que foram empregadas aves e camundongos vivos, e em conjunto sugerem fortemente que as colorações claras da variedade de camundongos das Sandhills são realmente uma adaptação recente que, pelo menos em parte, se deveu a pressão ecológica por predadores visualmente orientados.

A equipe de cientistas, então, coletou dados de variação fenotípica (cor e padrão de coloração) e genotípica de 91 camundongos silvestres que foram capturados de uma população diversificada fenotipicamente localizada perto da borda das Sand hills. Eles mediram três características de coloração que foram extraídas a partir de uma análise de componentes principais (PCA) uma estratégia de análise multivariada que pode revelar padrões subjacentes aos dados a partir de combinações de múltiplas medidas por técnica de álgebra linear dos dados espectrofotométricos (tonalidade dorsal, brilho dorsal e coloração ventral), além de duas características associadas ao padrão de coloração (fonteira dorso-ventral e listras caudais). Os resultados mostraram que os fenótipos nesta população selvagem eram amplamente independentes, mostrando correlações estatísticas muito baixas (com os R2 variando de 0,04 a 0,27), o que é reforçado pelo fato de vários pares de características não terem qualquer correlação significativa, mesmo com um grande tamanho amostral. Portanto, os dados sugerem que estas características de pigmentação estão sendo controladas de maneira independente.

Usando estratégias de enriquecimento direcionadas e técnicas de sequenciamento de última geração, os pesquisadores puderam gerar dados de polimorfismo para cerca de 2100 regiões não ligadas com 1,5 mil pares de base em de extensão de uma região de 185-kbp dentro do locus Agouti que incluía as regiões codificadoras de proteínas, bem como todos os elementos conhecidos reguladores do gene (Fig. 2B).

O próximo passo foi identificar as ligações entre estes genótipos associados ao locus agouti e os diversos fenótipos. Para este trabalho, os cientistas usaram tanto regressões lineares dos SNPs (polimorfismos de nucleotídeo único) e uma abordagem bayesiana envolvendo múltiplos SNPs que revelaram que cada uma das cinco características fenotípicas analisadas, e que em conjunto conferem a aparência clara críptica aos animais, estavam estatisticamente associadas com um único conjunto de SNPs (isto é, variantes genéticas especpificas) que, ao todo, explicavam de 16 a 53% da variação de cor e padrão de coloração, com apenas uma das variante (uma deleção no exon 2 que levava a perda de um aminoácido serina (DSer) na proteína codificada pelo locus) que estava tanto associada com coloração ventral (P = 8,5 × 10-5) e com a franja caudal (P = 5,4 × 10-6) [2].

Os resultados destas análises indicam que múltiplos mecanismos moleculares são responsáveis pelas mudanças de cor e dos padrões de coloração nos animais das Sand hills, incluindo mudanças nas regiões codificadoras do genes, como nas regiões não codificadoras, cis-regulatórias, que controlam sua expressão. De posse destas informações, os cientistas passaram a investigar se essas diversas mudanças no locus Agouti, que contribuem para o revestimento de cor clara, haviam sido submetidas a seleção natural positiva deixando assinaturas específicas no padrão de polimorfismos de SNPs

A equipe de Linnen e Hoekstra valeu-se de duas estratégias para identificar assinaturas moleculares da seleção natural positiva. Primeiramente, usaram o programa dadi para produzir um modelo demográfico da população de camundongos da região e estimar seus  parâmetros. Os resultados iniciais desta estratégia forneceram evidências que sugerem que a população destes animais deve ter experimentado uma drástica redução de seu contingente, um gargalo de garrafa no jargão dos geneticistas de populações, mais ou menos, há uns 2900 anos. Este gargalo teria levado a redução da população para 0,4% do seu tamanho original, diminuição que foi seguida por uma recuperação exponencial que fez com que a população chegasse até cerca de 65% do seu tamanho original [2].

A segunda estratégia envolveu o uso da ferramenta sweepfinder, idealizada por Ramus Nielsen e colaboradores [3] e que tem por objetivo detectar as chamadas ‘varridas seletivas’ (selective sweeps) a partir de dados genômicos de SNPs por um método que utiliza a verossimilhança composta. Este procedimento, segundo seus criadores [3], possui um alto poder para identificar estas ‘varridas seletivas’, sendo bastante robusto com relação as suposições sobre as taxas de recombinação e variações nos parâmetros demográficos, tendo uma baixa incidência de erros estatísticos do tipo I. Esta estratégia também  fornece estimativas da localização das varridas seletivas, isto é de onde encontram-se os alelos selecionados, e da magnitude do coeficiente de seleção envolvido no processo, ou seja, a intensidade da seleção [3].

A ideia por trás de desta estratégia é que quando alelos estão sob seleção positiva em virtude de seu efeito sobre a sobrevivência e o sucesso reprodutivo dos organismos, e aumentam de prevalência na população, estes alelos deixam assinaturas distintas, ou padrões, de variação genética nas sequências de DNA a sua volta [4]. As chamadas ‘varridas seletivas’ ocorrem quando uma nova mutação, devido ao seu efeito benéfico sobre  os indivíduos que as portam, sobe muito rapidamente de frequência em uma população, arrastando com sigo também vários polimorfismos neutros ou quase neutros que estão em regiões muito próximas no mesmo cromossomo do alelo vantajoso que por causa disso recombinm-se com menos frequêcia. Na figura abaixo (retirada de 4) podemos ver um esquema de como este evento de seleção modifica o padrão de alelos ancestrais em uma população, reduzindo assim a variação em vários loci próximos ao do alelo selecionado [Os alelos ancestrais são mostrados em cinza e os alelos derivados (não-ancestrais) são mostrados em azul.], quando um novo alelo positivamente selecionado (em vermelho) aumentando até uma frequência elevada, carregando de ‘carona’ um conjunto de outros alelos também a elevada frequência, criando esta varrida seletiva [4].

Então, empregando o modelo demográfico obtido com o daddi e a abordagem de detecção da seleção positiva implementada pelo Sweepfinder, os pesquisadores avaliaram os padrões de seleção tanto no conjunto total de dados, ou seja, todos os 91 indivíduos amostrados, como em 10 conjuntos de dados polarizados, isto é, em que haplótipos associados a colorações claras e escuras foram definidos pelo genótipo nos SNPs candidatos de interesse [4]. A partir desta abordagem foram identificadas duas regiões para as quais haviam evidências de seleção positiva, mas atuando em todos os camundongos amostrados independentemente da cor da pelagem (Fig. 3A). Porém, ao compararem com conjuntos dos dados polarizados, os pesquisadores encontraram picos significativos de verossimilhança agrupando-se em torno da localização dos SNPs ‘polarizadores’, o que é consistente com a seleção natural recente agindo sobre, ou muito próximo, estes SNPS correlacionados a variação da coloração [4].

Para cada uma das mutações associadas com a mudança da coloração, encontramos também um sinal de que ela era consistente com a seleção positiva”, disse Hoekstra.

Além disso, para cada SNP candidato foi observado que quanto mais forte era o seu efeito sobre o fenótipo de cor, mais forte era a estimativa da força da seleção, o que sugere que estas mutações provavelmente tinham um mínimo de consequências pleiotrópicas. Estes resultados, quando combinados com os resultados do experimento com os modelos de massinha, os dados mostrando a extensiva recombinação em toda esta região, bem como com os estudos de mapeamento de associação, apoiam um cenário em que múltiplas mutações, independentes, no locus Agouti – cada uma delas contribuindo para uma característica distinta da cor ou padrão de coloração dos animais que estavam associada com os fenótipos mais claros – foram selecionadas por causa de seu efeito na coloração críptica nos animais vivendo nas Sand hills de Nebraska [2]:

“O que implica que cada uma das alterações específicas para a pigmentação é benéfica. Isto é consistente com a história que estamos contando, sobre como essas mutações estão a afinar essa característica.” [1], complementou a cientista.

Embora os resultados ofereçam insights valiosos sobre a maneira com a seleção natural opera, Hoekstra ressaltou, que é extremamente importante  continuar as investigações até o fim [1]. Por exemplo, o que teria ocorrido se o grupo de cientistas tivesse se dado por satisfeito ao indentificar o gene agouti como o único responsável pelas mudanças fenotípicas e não ido mais fundo e avaliado o papel de mutações individuais nas diversas características que dão origem ao fenótipo críptico?

“A questão sempre foi se a evolução é dominado por estes saltos grandes ou pequenos passos” [1], disse ela. “Quando implicamos pela primeira vez o gene agouti, poderíamos ter parado por ali, e concluído que a evolução esses grandes passos já que apenas um gene principal está envolvido, mas teria sido errado. Quando nós olhamos mais de perto, dentro deste gene, descobrimos que mesmo dentro desse único locus, há, de fato, muitos pequenos passos.” [1], completou.

Os autores concluem que, de acordo com seus resultados, cada característica ligada a coloração (por exemplo, cor dorsal, listras da cauda etc) afeta a aptidão dos indivíduos de maneira independente. Isso é possivel por que um único de grande efeito fenotípico pode ter seus componentes fracionados em muitas pequenos efeitos contribuintes para o efeito total, cada um associado a diferentes mutações que podem modulá-los e ajustá-los mais finamente. Outro ponto importante é que apesar do locus Agouti ter vários efeitos sobre pigmentação e mesmo, em outros modelos, efeitos pleiotrópicos  e que afetam a aptidão em diversos outros fenótipos além da coloração, isso não é observado de maneira tão dramática ao  nível mutacional, o que leva os autores a declararem em sua conclusão [2]:

Além disso, embora o gene Agouti tenha vastos efeitos sobre a pigmentação, ​​efeitos pleiotrópicos mensuráveis estão ausentes no nível mutacional, o que serve como um lembrete de que, embora seja comum discutir o grau de pleiotropia de genes individuais, são as mutações individuais, e não genes, que trazem uma população mais perto para do seu ótimo fenotípico. [1]

Os planos de Hoekstra são de ir ainda além, já que sua equipe pretende desvendar a ordem em que as mutações aconteceram, o que lhes permitiria reconstruir como os camundongos alteraram-se ao longo do tempo:

“Para os biólogos evolutivos, isso é excitante porque nós queremos aprender sobre o passado, mas só temos os dados do presente para estudá-lo”, [1] disse a pesquisadora e em seguida afirmou: “Esta capacidade de voltar no tempo e reconstruir um caminho evolutivo é muito emocionante, e acho que este conjunto de dados é especialmente adequado para este tipo de viagem no tempo.” [1]

Hoekstra explica que empregar tempo, não só para compreender que genes estão envolvidos, mas para determinar quais mutações específicas podem estar sendo selecionadas por estarem por trás das mudanças adaptativas, dá aos pesquisadores uma imagem muito mais completa, não só dos mecanismos moleculares pelos quais as mutações alteram características fenotípicas, mas também da história evolutiva de um organismo [1].

“Ao fazermos isso, nós descobrimos todos os tipos de coisas novas”, disse Hoekstra. “Embora muitas vezes nós pensamos nas mudanças que acontecem em todo o genoma, os nossos resultados sugerem que, mesmo dentro de uma unidade muito básica – o gene – podemos ver evidências de ajuste fino evolutivo [1].

Como argumentam os cientistas, o exemplo da evolução fenotípica do camundongos veadeiros das Sand hills, oferece uma rota evolutiva em que pequenas mutações (com efeitos pleiotrópicos mínimos, podendo mesmo ocorrem dentro de um único gene) podem conduzir a evolução adaptativa rápida em vários traços fenotípicos bem associados.

Embora a generalidade deste exemplo ainda precisa ser averiguada, a bela história que estes experimentos e análises nos contam mostram claramente como a evolução adaptaiva pode acontecer sem grandes transtornos e envolvendo várias características que se combinam para gerar um novo fenótipo completo.

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*Aqui quero enfatizar que ao falarmos em ‘mudanças grandes’ os cientistas não estão se  referindo necessariamente as ‘macromutações’ em sentido tradicional como as propostas por Goldshmidt (e outros ‘saltacionistas’), mas simples mutações com efeitos fenotípicos mais evidentes e amplos, como a mudança de todo o padrão de coloração.

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Referências:

  1. Reuell, Peter  [Harvard Staff Writer]  One gene, many mutations Harvard Gazette, Thursday, March 14, 2013.

  2. Linnen, C., Poh, Y., Peterson, B., Barrett, R., Larson, J., Jensen, J., & Hoekstra, H. (2013). Adaptive Evolution of Multiple Traits Through Multiple Mutations at a Single Gene Science, 339 (6125), 1312-1316 DOI: 10.1126/science.1233213[pdf]

  3. Nielsen, R. (2005). Genomic scans for selective sweeps using SNP data Genome Research, 15 (11), 1566-1575 DOI: 10.1101/gr.4252305 [pdf]

  4. Schaffner, S. & Sabeti, P. (2008) Evolutionary adaptation in the human lineage. Nature Education 1(1) 

Créditos das figuras:

Crédito da foto de Hoekstra: Bear Cieri [1]

As demais figuras foram retiradas do artigo [2] e das páginas do laboratório de Hopi Hoekstra e da página pessoal de Catherine Linnen.

Supresas sobre as origens do cromossomo Y humano:

Essa história começa com a história de um homem em particular, mas diz respeito a história de nós todos que portamos cromossomos Y. Tudo começou quando uma parente de Albert Perry, um afro-americano recentemente falecido, submeteu uma amostra de seu DNA a uma empresa chamada de Family Tree [1] que faz análises genealógicas. Este tipo de amostra permite aos geneticistas identificarem linhagens familiares e aos geneticistas evolutivos rastrearem nossas origens enquanto espécie. O problema é que o material derivado do cromossomo Y (que são transferidos apenas através das patrilinhagens, isto é, de pai para filho) de Perry era muito diferente de todas as amostras conhecidas deste cromossomo até hoje [1, 2].

O cromossomo Y de Perry era tão diferente que não se encaixava na perspectiva moderna de um ‘Adão do cromossomo Y‘ tendo vivido entre 60 000 e 140 000 anos atrás. [Aqui vale a pena lembrar que o ‘Adão do cromossomo Y’ e a ‘Eva mitocondrial’ não são o primeiro par de indivíduos humanos. Não, de modo algum. Eles são indivíduos diferentes que viveram em épocas diferentes em que coexistiam com outros milhares de indivíduos, tão humanos quanto eles, mas cujo cromossomo Y e DNA mitocondrial, respectivamente, não chegaram as populações modernas, por causa da natureza estocástica do processo reprodutivo que leva a perda de muitas das variantes genéticas, especialmente as transmitidas de modo monoparental. Além disso, cada porção de nosso genoma tem seus próprios ‘concestrais‘, mas, como o nosso DNA nuclear autossômico (isto é dos demais cromossomos não sexuais) está sujeito a recombinação, estes ‘concestrais’ são mais difíceis de rastrear e são mais variados que os representados pelos cromossomos Y e pelo genoma mitocondrial que além de não recombinarem (ou recombinarem muito pouco quando comparados as demais porções do genoma nuclear), são transferidos por linhagens monoparentais, ou seja, as mitocôndrias só são passadas através das mulheres – isto é, de suas filhas e das filhas de suas filhas e assim por diante (já que os homens, além de herdarem apenas as mitocôndrias das mães, não as transferem as suas para os seus filhos e filhas) – e o cromossomo Y apenas pelos homens, já que as mulheres não os possuem. A questão entretanto é que o ‘Adão do cromossomo Y’ era a fonte dos cromossomos Y de todos os homens modernos, menos, aparentemente, dos de Perry [1, 2].

O cromossomo Y de Perry era tão diferente de todos os analisados até então que parecia ter uma tido uma origem ainda mais antiga, evidenciando que as raízes das populações humanas modernas podem ser, na realidade, muito mais antigas do que acreditávamos, talvez mesmo,com mais do dobro da idade máxima das estimativas anteriores [1, 2].

E é aí que entra o geneticista Michael Hammer, do qual já falamos por aqui, que trabalha na Universidade do Arizona, em Tucson, nos EUA, e seus colaboradores. Quando Hammer ouviu falar do incomum cromossomo Y de Perry [1] começou a compará-lo e a realizar testes estatísticos. Os resultados publicados no periódico American Journal of Human Genetics em 28 de fevereiro último, por Fernando Mendez, primeiro autor do artigo, Michael Hammer, autor sênior, e uma grande equipe de cientistas colaboradores, revelou fatos surpreendentes [1, 2]:

Ao sequenciarem cerca de 240 mil pares de base do cromossomo Y de Perry, identificando mutações específicas derivadas desta linagem que foi batizada de A00, puderam estimar o tempo desde o ancestral comum mais recente (TMRCA, de “Time to the Most Recent Common Ancestor”) para a árvore do cromossomo Y. Este ancesral teria vivido há algo em torno de 338 mil anos (intervalo de confiança 95% = 237-581 kya), o que excede também as estimativas da mtDNA TMRCA, ou seja, da Eva mitocondrial [1].

O time de pesquisadores, analisando os bancos de dados de DNA de Africanos com cerca de 6000 cromossomos Y, encontrou algumas amostras colhidas de 11 homens moradores de um única vila em Camarões que se assemelhavam ao cromossomo Y de Perry, sugerindo que talvez fosse dali ou desse grupo que teriam vindo os seus antepassados Africanos. Como a idade desta variante A00 é muito antiga e como ela é também muito rara, encontrada apenas em frequência baixíssima na África Central, os pesquisadores defendem a necessidade de considerarmos modelos mais complexos para a origem da diversidade do cromossomo Y [1,2].

Abaixo uma figura retirada do trabalho de Mendez et al. [2] que mostra a genealogia das linhagens A00, A0, e dos sequenciamentos de referência, isto é, as linhagens em que as mutações foram identificadas e aquelas que foram usadas ​​para colocar essas mutações na genealogia. Elas são indicados como linhas grossas e finas, respectivamente. Os números das mutações identificadas em um ramo são indicados em itálico (quatro mutações em A00 não foram genotipadas mas são indicadas como compartilhadas pelos Mbo nesta árvore). As estimativas de tempo (e intervalos de confiança) são indicados por ‘kya’ (milhares de anos) para três dos nós: o mais recente ancestral comum, o ancestral comum entre A0 e as sequencias de referência (REF), e o ancestral comum de dos cromossomos A00 de um indivíduo Afro-americanos e dos Mbo de Camarões. Dois conjuntos de idades são mostrados: à esquerda estão as estimativas (em preto) obtidas com a taxa de mutação com base nos recentes resultados dos sequenciamentos completos de genomas como descrito no texto principal, e à direita estão as estimativas (em cinza) baseadas nas taxas de mutação usada por Cruciani et al [apud Mendez et al. [2]].

Como já comentado, estas estimativas excedem em muito as estimativas anteriores para o ‘Adão do cromossomo Y’ e ‘Eva mitocondrial’, mas, além disso, elas excedem os mais antigos fósseis de seres humanos anatomicamente modernos, já que estes fósseis remontam há apenas 195 mil anos [1].

“A árvore do cromossomo Y é muito mais antiga do que pensávamos”, afirmou Chris Tyler-Smith, pesquisador não envolvido no estudo que trabalha no Wellcome Trust Sanger Institute, em Hinxton, Reino Unido [1].

Outro geneticista, Jon Wilkins, do Instituto Ronin em Montclair, em Nova Jersey, EUA, também mostra empolgação com o artigo e afirma:

“É uma descoberta legal”[1]

“Nós, os geneticistas temos olhado os cromossomos Y a tanto tempo como temos olhando para tudo. Alterar onde estaria a raiz da árvore de cromossomo Y é neste ponto extremamente surpreendente.”[1].

Acima (retirado de Mendez et al [1]) um mapa mostrando Camarões e a localização aproximada onde os falantes de Mbo vivem, de onde saíram as 11 amostras similares as de Perry.

De acordo com Mendez et al. [2] os modelos alternativos a serem explorados incluíriam a forma com que as populações humanas antigas estavam estruturadas, bem como a possibilidade de introgressão de cromossomos Y arcaicos em nossa linhagem, ou seja, miscigenação de populações antigas de seres humanos anatomicamente modernos com populações antigas de seres humanos arcaicos em algum ponto próximo após origem de nossa linhagem de seres humanos anatomicamente modernos. Então, este evento de introgressão se somaria aos outros exemplos conhecidos revelados nos últimos anos, com o como os neandertais no Oriente Médio, e com os misteriosos Denisovanos, em algum lugar no sudeste da Ásia.

Em outras palavras, o cromossomo Y de Perry pode ter sido herdado de uma população arcaica humana que, após esta contribuição para o nosso ‘pool genético’, teria se extinguido. Esta possibilidade, ou seja, de miscigenação de populações de seres humanos anatomicamente modernos africanas ancestrais com populações ancestrais de seres humanos arcaicos, já havia sido levantada pelo próprio Hammer e seus colaboradores em outro estudo com base em outros dados [3].

Além disso, existem evidências fósseis que apoiariam o cenário da introgressão, pois em 2011, pesquisadores, examinando fósseis humanos de um sítio na Nigéria, conhecido como Iwo Eleru, identificaram uma estranha mistura de características antigas e modernas nestes fósseis humanos, o que também pode sugerir que tenha ocorrido cruzamento entre humanos anatomicamente modernos e populações com características mais arcaicas [1].

“A aldeia em Camarões com uma assinatura genética incomum é bem na fronteira com a Nigéria, e Iwo Eleru não é muito longe”, afirma Hammer.

Um cientistas que analisou os fósseis de Iwo Eleru, Chris Stringer,  que trabalha no Museu de História Natural, em Londres, afirmou que os novos resultados sobre este ‘novo’ cromossomo Y, destacam a necessidade de obtermos e analisarmos mais dados genéticos de populações modernas de africanos subsaarianos e também somam-se ao coro dos que enfatizam a importância de considerar cenários evolutivos mais complexos:

Os fósseis humanos mais antigos conhecidos, tanto no Oeste da África, em Iwo Eleru, como na África Central, em Ishango [na República Democrática do Congo] mostram inesperadamente características arcaicas, por isso certamente parece que temos um cenário mais complexo para a evolução dos humanos modernos na África”

Os autores do estudo, por fim, alertam para a natureza estocástica do processo genealógico e como isso pode afetar a inferência a partir de dados vindos um único lócus, nos forçando a ter bastante cuidado ao interpretarmos a localização geográfica de ramos divergentes da árvore filogenética do cromossomo Y de modo que possamos elucidar com mais confiança e precisão as origens de nossas espécie e das populações modernas de seres humanos.

Como um amigo geneticista/biólogo molecular comentou ao divulgar o artigo, “Sabemos que estamos no trabalho certo quando nos emocionamos com os resultados obtidos em nossa área de trabalho.a É para empolgar e emocionar não só aos biólogos e pesquisadores da área, mas a todos que são curiosos e fascinados pela evolução humana e biológica de modo geral. É sempre inspirador pensar que peças de nosso quebra cabeças genealógicos podem estar dentro de qualquer um de nós.

Para saber mais veja as postagens da série ‘Quem somos nós e como sabemos quem somos? Parte I , Parte II e Parte III’  e “Mais vislumbres de miscigenações ancestrais no DNA humano“.

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Referências:

  1. Barras, Colin The father of all men is 340,000 years old New Scientist [Updated 21:45] 06 March, 2013.

  2. Mendez, Fernando L.; Krahn, Thomas; Schrack, Bonnie; Krahn, Astrid-Maria; Veeramah, Krishna R.; Woerner, August E.; Fomine, Forka Leypey, Mathew; Bradman, Neil; Thomas, Mark G.; Karafet, Tatiana M.; Hammer, Michael F. An African American Paternal Lineage Adds an Extremely Ancient Root to the Human Y Chromosome Phylogenetic Tree American journal of human genetics volume 92 issue 3 pp.454 – 459 doi:10.1016/j.ajhg.2013.02.002

  3. Wall J, Hammer M: Archaic admixture in the human genome. Curr Opinin Genet Dev 2006, 16:606-610. http://dx.doi.org/10.1016/j.gde.2006.09.006

Créditos das Figuras:

Disponíveis nos sites dos autores citados e no artigo por eles publicados.

Bactérias modernas e os primórdios da evolução da divisão celular

Uma das características distintivas das bactérias é a posse de paredes celulares compostas de peptidoglicanos, mas, surpreendentemente, muitas bactérias modernas são capazes de mudar para um estado sem parede, chamado ‘forma-L’ [1, 2].

A parede celular é uma estrutura em camadas que envolve as células que as protege e mantém em sua forma, encontrando-se presente em todas as principais linhagens conhecidas de bactérias, estando presente também, muito provavelmente, no último ancestral comum de toas as células [1]. O fato desta estrutura ser tão importante inclusive a torna um dos principais alvos dos antibióticos, com algumas bactérias patogênicas sendo capazes de mudar para forma-L como forma de resistência a estes fármacos [3].

Contudo, o ponto realmente interessante sobre as formas-L é sua capacidade de proliferação dispensando completamente o maquinário de divisão celular, normalmente essencial, baseado na proteína FtsZ[imagem obtida aqui] que então passa a ocorrer por meio da formação de bolhas e túbulos de membrana [1].

Agora, um grupo de pesquisadores, Romain Mercier, Yoshikazu Kawai e Jeff Errington, mostrou que certas mutações em Bacillus subtilis que levam ao excesso de síntese de membrana (por meio do aumento da síntese de ácidos graxos) podem induzir a divisão celular típica das formas-L. De maneira complementar, no artigo publicado no dia 28 de fevereiro na altamente respeitada revista Cell, os cientistas conseguiram também mostrar que, ao aumentar artificialmente a área de superfície membranar em relação ao volume total da célula nas variantes selvagens – ou seja, sem as mutações – alterações de forma muito semelhantes as das formas-L também ocorrem, além da própria indução da divisão celular.

“Nosso estudo abre o caminho para a compreensão de como as formas-L bacterianas causam doenças e resistem aos antibióticos”, diz o autor senior do estudo Jeff Errington da Universidade de Newcastle. [3]

Assim, segundo os pesquisadores, este simples processos biofísico pode ter sido o responsável pela proliferação celular eficiente durante a evolução das células primordiais, antes que o complexo aparato bioquímico atual evoluísse, tornando o processo mais confiável e preciso. Portanto, as chamadas formas L bacterianas fornecem um modelo de como as células primordiais poderiam proliferar mesmo na ausência do complexo maquinário bioquímico de divisão celular, permitindo investigar com mais clareza o problema da origem das primeiras células.

“A principal surpresa para mim foi como era simples o mecanismo. Ele não requer qualquer tipo de maquinário proteico sofisticado” [3], diz Jeff Errington e complementa:

“Isso o torna plausível como uma explicação de como as células muito primitivas poderiam ter proliferado nos primórdios da evolução”[3]

“Ele também oferece um sistema modelo para futuras experiências destinadas a explorar os mecanismos de replicação possíveis de células primitivas que poderia ter existido antes da explosão de vida bacteriana no planeta cerca de quatro bilhões de anos atrás.” finaliza Errington [3]

Veja o video do grupo de Errington abaixo:

Estes resultados são ainda mais interessantes por que, há poucos anos, o grupo do conhecido biólogo molecular Jack Szostak [4], havia constatado que o crescimento de grandes vesículas multilamelares em novas vesículas ocorria por meio da formação de túbulos, o que indicava uma via para o acoplamento do crescimento e da divisão de vesículas, oferecendo uma explicação para como o processo de proliferação teria ocorrido ainda em uma fase protocelular. Como o processo é robusto e simples, os autores sugerem que esta via, ou uma muito semelhante, seria viável em condições pré-bióticas. Apesar do mecanismo exato ainda ser desconhecido, algumas observações microscópicas sugerem que os longos e finos túbulos de membrana estariam sujeitos à “instabilidade de perolação” que seria uma função da minimização da energia das superfícies possibilitada pela transformação espontânea de uma forma cilíndrica para a forma de um fio de contas [4].

Os finos elos da ‘corrente’, unindo as pequenas regiões esféricas adjacentes, seriam, assim, os pontos fracos que poderiam ser facilmente interrompidos por forças de cisalhamento. A formação destes túbulos é algo similar ao visto no processo de proliferação das formas-L e embora existam outras grandes diferenças estas semelhanças mostram a importância deste processos físicos e químicos bem básicos na evolução dos primeiros sistemas biológicos e que ainda podem ser observados em sistemas celulares modernos apesar de toda evolução de sistemas de controle refinado por meio de redes gênicas que agem por meio de seus produtos proteicos [4].

Com base nas informações de Mercier e colaboradores [1], em artigo/comentário na mesma edição, dois outros cientistas, Eugene Koonin e Armen Y. Mulkidjanian [5], sugeriram um modelo de transição evolutiva dos sistemas primitivos de divisão celular “mecânicos” para os modernos dependentes do complexo maquinário bioquímico. Neste cenário, as primeiras protocélulas possuiram membranas abiogênicas e se dividiriam por meio de algum processo mecânico análogo ao investigado e induzido experimentalmente por Mercier, Yoshikazu; Errington [1], e talvez em linhas similares ao descrito nos experimentos de Zhu e Szostak [4]. De acordo com Koonin e Mulkidjanian [5] nestes sistemas protocelulares primitivos a divisão poderia ser impulsionada por flutuações ambientais, tais como a evaporação periódica em poças de água pouco profundas, com esta forma de divisão mecânica persistindo até o último ancestral celular comum universal (LUCA, de ‘Last Celular Universal Ancestor‘) que de maneira plausível sintetizava membranas primitivas e quimicamente muito simples [5].

Os dois autores sugerem então que os sistemas de membranas modernos e os maquinários proteicos de divisão celular teriam então evoluído, de maneira independente, naos antepassados das duas grandes linhagens de procariontes, as bactérias e as archaea, possivelmente, impulsionadas pela evolução da paredes celulares. Na figura abaixo retirada do artigo de Koonin e Mulkidjanian, as membranas primitivas e quimicamente simples são mostradas com linhas tracejadas, e as membranas mais avançadas do moderno são mostradas por meio de linhas sólidas. As linhas vermelhas dentro das “células” indicam os protogenomas e genomas. Nas protocélulas primitivas estes protogenomas são mostradas como vários segmentos (de moléculas possivelmente de RNA), enquanto que o LUCA e o ancestrais diretos dos archaea e das bactéria são mostrados com seu único cromossomo circular típico das formas modernas de procariontes [5].

Esta convergência entre os estudos in vitro com modelos sintéticos de sistemas protocelulares, como os do grupo de Szostak [4], e os engenhosos experimentos com modelos in vivo moderno, como os apresentado por Mercier, Yoshikazu e Errington [1], são um exemplo de como os estudos sobre a origem da vida e o começo de sua evolução m avançando nas últimas décadas mesmo que ainda exista um longo e tortuoso caminho a percorrer para que possamos realmente compreender como este processo deve ter se dado.

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Referências:

  1. Mercier, Romain; Kawai, Yoshikazu; Errington, Jeff Excess Membrane Synthesis Drives a Primitive Mode of Cell Proliferation Cell, 2013; 152 (5): 997 doi: 10.1016/j.cell.2013.01.043

  2. Errington J. L-form bacteria, cell walls and the origins of life. Open Biol.2013 Jan 8;3(1):120143. doi: 10.1098/rsob.120143. PubMed PMID: 23303308. doi: 10.1098/rsob.120143

  3. How did early primordial cells evolve? Eurekaalert

  4. Zhu TF, Szostak JW. Coupled growth and division of model protocell membranes. J Am Chem Soc. 2009 Apr 22;131(15):5705-13. doi: 10.1021/ja900919c. PubMed PMID: 19323552; PubMed Central PMCID: PMC2669828. doi: 10.1021/ja900919c

  5. Koonin EV, Mulkidjanian AY. Evolution of cell division: from shear mechanics to complex molecular machineries. Cell. 2013 Feb 28;152(5):942-4. PubMed PMID: 23452845. doi:10.1016/j.cell.2013.02.008.

Do violeta ao ultravioleta (e às vezes, de novo, ao violeta): Evolução paralela da visão de cores em pássaros

Nada menos que 8 vezes, aves diferentes, teriam evoluído visão Ultra-Violeta (UV) de maneira independente a partir de um mesmo fotorreceptor retiniano ancestral sensível a luz violeta, de acordo com um novo estudo publicado no BMC evolutionary biology [1]. Este tipo de fenômeno é o que os biólogos evolutivos costumam chamar de evolução paralela, em que grupos distintos, porém, aparentados, em função de pressões seletivas equivalente uma mesma característica derivada de uma característica ancestral comum mais por um histórico de mutações, deriva e seleção natural diferente. A capacidade de detetar pistas visuais em ultravioleta pode muito ser útil na identificação de conspecíficos especialmente parceiros sexualmente maduros, além de poder ser importante para se evitar a predação e ajudar na busca de alimentos. 

As aves, em relação a visão de cores, podem ser divididas em dois grupos, aquelas que são sensível ao ultravioleta (UVS) e as que são sensíveis a luz violeta (VS). A distribuição destas duas classes tradicionalmente têm sido considerada como altamente conservada, ou seja, os especialistas costumavam acreditra que estas duas categorias haviam mudando muito pouco entre as diversas espécies ao longo da evolução. Porém, de acordo com os pesquisadores de um novo estudo sobre a filogenia da visão de cores em aves, como normalmente era muito difícil determinar a sensibilidade espectral dos fotorreceptores dos cones (células fotossensíveis da retina), até muito pouco tempo atrás, na realidade, muito poucas espécies haviam sido realmente investigadas em relação a esta característica de modo mais aprofundado. Felizmente, atualmente é possível distinguir se qualquer ave é UVS ou VS por meio do sequenciamento genômico dos genes que codificam proteínas fotorreceptoras conhecidas como opsinas, que existem nos cones, do tipo SWS1* UV/violeta [1, 2].

A dupla de pesquisadores da Universidade de Uppsala e da Universidade Sueca de Ciências Agrícolas, autores do estudo “The phylogenetic distribution of ultraviolet sensitivity in birds”, Anders Ödeen e Olle Håstad, sequenciaram o gene SWS1 de espécimes pertencentes a 40 espécies de aves, correspondentes a 29 famílias e 21 ordens de aves, identificando os resíduos de aminoácidos mais importantes que conferiam a sensibilidade ao UV (ajuste espectral) que são encontrados em duas posições (ou sítios) ao longo da sequência de aminoácido das opsinas SWS1, que seriam as equivalentes aos resíduos 86 e 90.

Os cientistas de posse desses dados, e outros adquiridos anteriormente, mapearam-nos sobre uma filogenia molecular, isto é, um gráfico das relações de parentesco inferidas através de conjuntos de dados desequências biomoleculares de várias aves. Esta filogenia mostrou que a visão de cores em aves mudou entre VS e UVS pelo menos 14 vezes durante a evolução desses grupos, com substituições de um único nucleotídeo podendo explicar todas essas mudanças e em 11 casos ocorreu exatamente a mesma mudança no mesmo nucleotídeo [1, 2].

Acima e à direita, podemos ver a reconstrução filogenética da evolução da opsina SWS1 [Clique na figura para ampliá-la]. A árvore, redesenhada da árvore de Hackett et al. [veja artigo, na referência 1], mostra as mudanças entre a sensibilidade ao violeta e ao UV do receptor SWS1. Os táxons novos neste estudo são apresentados em negrito e em parênteses estão códons e os resíduos de aminoácidos correspondentes ao ajuste espectral nas posições 86 e 90, respectivamente, acima da linha e abaixo da linha. Em minúsculas estão identificadas as substituições de nucleotídeos em sua mais provável posição evolutiva na árvore. O número de espécies analisadas por táxon é mostrado após os nomes do táxons. Nesta figura, para simplificação, os autores preferiram juntar os táxons charadriiformes e passeriformes, mesmo por que a evolução da SWS1 nestas ordens já foi reconstruída em outros trabalhos anteriores. Por fim, o asterisco (*) indica que o resíduo de aminoácido C86 foi encontrado num subconjunto, a família accipitridae , da ordem accipitriformes [1].

Essas alterações teriam ocorrido a partir de um antepassado dos passeriformes (o grupo que inclui a grosso modo, os ‘passarinhos’ e outras aves bem aparentadas, incluindo cotovias, andorinhas, melros, tentilhões, aves do paraíso e corvos) e dos psitacídeos (papagaios, periquitos e afins) que possuíam visão sensível ao violeta e que em diversas linhagens derivadas teriam evoluído sensibilidade a radiação ultravioleta e, em alguns casos, em passeriformes, revertido para visão violeta a partir da ultra violeta. Então, apesar de estar relativamente claro que o ancestral comum das aves, muito provavelmente, tinha um fenótipo VS, o estado ancestral em pássaros, da opsina SWS1 que é responsável pelo ajuste espectral, ainda não pode ser resolvido com muita confiança. Assim, com a distribuição filogenética da visão em cores UVS/VS em aves é muito complexa, tendo ocorrido tantas mudanças independentes, os cientistas aconselham muito cuidado ao inferir as sensibilidades espectrais a partir de táxons mesmo intimamente relacionados, sendo uma tarefa que deve ser feita com muita cautela.

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*Existem dois tipos principais de células fotorreceptoras, cones e bastonetes, que medeiam a visão na maioria dos animais. Estes dois tipos celulares têm formas diferentes e contêm os pigmentos fotossensíveis compostos de um proteína opsina e cromóforos, isto é, a rodopsina e os opsinas sensíveis a vários comprimentos de onda, com as rodopsinas dos bastonetes sendo responsáveis ​​pela visão crepuscular, especialmente o contraste entre claro e escuro, e os pigmentos dos cones, responsáveis pela visão de cores diurna. As opsinas dos cones são normalmente divididas em quatro subgrupos, LWS, MWS(Rh2), SWS1/SWS2, que, a grosso modo, teriam sua absorbância máxima, respectivamente, na faixa do vermelho (comprimentos de onda longos), verde (comprimento de onda médios), azul e violeta/UV (comprimento de onda mais curtos).

Veja também o artigo do evolucionismo, “Evolução da visão tricromática em primatas

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Referências:

  1. Odeen A, Håstad O. The phylogenetic distribution of ultraviolet sensitivity in birds. BMC Evol Biol. 2013 Feb 11;13(1):36. [Epub ahead of print] PubMed PMID: 23394614. DOI: 10.1186/1471-2148-13-36 [PDF]

  2. Birds evolved ultraviolet vision several times AlphaGalileo Foundation, 8 de fevereiro de 2013.

Créditos das Figuras:

VOLKER STEGER/SCIENCE PHOTO LIBRARY

De volta ao cambriano: Dividindo o evento

Entre o público leigo ainda existe bastante confusão sobre o que foi a ‘explosão cambriana’. Por este motivo tenho abordado esta questão em diversas ocasiões, com mais ênfase em um artigo introdutório sobre o tema (veja “A Explosão Cambriana: Uma introdução”), mas alguns esclarecimentos adicionais podem ajudar a dissipar alguns mal entendidos que assolam mesmo alguns cientistas.

Aqui aproveito a discussão do zoólogo Andrew Parker. Ele  explica que existem duas formas de resumir o que foi a ‘explosão cambriana’. A primeira delas, e que segundo ele  é inadequada, simplesmente encara este evento como o surgimento dos vários filos animais, com seus distintos planos corporais etc, que é, mais ou menos, a versão canônica. Porém, na outra abordagem, que Parker considera mais precisa e que é apoiada por certas evidências fósseis e principalmente por várias análises filogenéticas, é a de que este evento foi mais circunscrito, sendo apenas a grande radiação adaptativa espontânea das partes do corpo externas, especialmente as ‘esqueletizadas’, em todos os filos* que já tinham seus planos corporais internos básicos formados*. Em seu livro em ‘In the blink of an Eye, Parker, mostra esta distinção em duas figuras.

Em (A) podemos ver que tanto os planos corporais como as partes externas se diversificaram durante mais ou menos ao mesmo tempo ao longo de todo o processo de divergência das linhagens .

Já em (B), que segundo Parker é o modelo mais apropriado, a figura identifica mais precisamente o que foi a explosão cambriana: A evolução simultânea das formas externas em todos os filos, portanto, ‘desacoplando’ o processo de cladogênese do de disparidade morfológica externa. Parker então chama a atenção para o seguinte detalhe:

A evidência atual sugere que “evento” Pré-cambriano – a evolução dos planos corporais internos o – não foi explosivo, mas gradual, com duração de dezenas ou centenas de milhões de anos. Isto é provavelmente porque o “evento” Pré-cambriano envolveu um animal evoluindo de uma forma anterior, e assim por diante – uma condição sem vínculo com a explosão cambriana. O”evento” Pré-cambriano foi mais um impulso na evolução do que uma explosão. É possível que a explosão cambriana tenha acontecido em um momento no tempo, mas não tão o “evento” Pré-Cambriano. Para resumir, a velha interpretação da “explosão cambriana” é, na verdade, a combinação da explosão cambriana e “surto” o Pré-Cambriano. Em geral, o surto foi o evento genético principal e a explosão foi mais impulsionada por algum fator externo.”

A hipótese de Parker é que a explosão cambriana propriamente dita teve como principal causa uma corrida armamentista evolutiva envolvendo predadores e presas que teria sido impulsiona originalmente pela evolução dos olhos que desta maneira teriam propelido a co-evolução de ‘armaduras’ protetoras e estratégias de evasão e detecção de presas e predadores [Veja também “Ver ou não ver? Eis a questão do fanerozóico?“]. Porém, neste post, entretanto, quero chamar a atenção para a divisão que Parker faz destas duas fases da evolução dos animais com simetria bilateral que permite compreender que a evolução da organização interna dos diversos filos, pelo menos de seus representantes basais, e a evolução de suas partes externas ocorreram em períodos e com velocidades bem diferentes.

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*Esta proposta é uma forma de ideia de ‘pavio de queima lenta’ (veja “O ‘pavio filogenético’ e a ‘explosão cambriana’ não se fundem.“) que já comentei em outras ocasiões, mas além deste fato é importante reconhecer que, mesmo em relação a evolução dos planos corporais internos, ao analisar os organismos do cambriano estamos lidando em muitos casos com formas basais, os chamados ‘grupos tronco’ que ainda não tinham evoluído muitas das características diagnósticas dos filos modernos, algo que devo abordar de novo em outro artigo.

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Referências:

  • Parker, Andrew. In the Blink of an Eye: How Vision Sparked the Big Bang of Evolution. Cambridge, MA: Perseus Pub, 2003. 316 p

Ancestralidade comum universal: A evidência está nas proteínas [Tradução]

Embora, do ponto de vista qualitativo, as evidências de ancestralidade comum universal sejam  consideradas esmagadoras pela comunidade científica, até muito pouco tempo não havia sido realizado nenhum teste quantitativo formal que avaliasse outras possibilidades,além da ancestralidade comum universal,  para explicar o padrão de similaridades moleculares entre todos os organismos vivos conhecidos. Entre as hipóteses rivais estariam as que postulam múltiplas origens e que implicam, portanto, que as semelhanças seriam devidas da convergência evolutiva, isto é, teriam surgido como resultado de demandas ecológico-funcionais semelhantes que teriam feito linhagens independentemente evoluírem biomoléculas com sequências muito parecidas por meio da seleção natural,  apenas por que as funções que elas desempenhariam seriam muito semelhantes e  essenciais. Embora esta possibilidade possa soar menos parcimoniosa e existam muitos argumentos qualitativos que reforcem esta ideia, não estava claro se ela não poderia realmente explicar melhor os dados biomoleculares, especialmente levando-se em conta os modernos modelos de evolução de sequências de biomoléculas.

O bioquímico, especializado em bioinformática estrutural e evolução molecular, Douglas L. Theobald – que já havia escrito um excelente compendio de evidências em apoio a evolução (o famoso, 29+ Evidences for Macroevolution: The Scientific Case for Common Descent”) – tomou para si esta tarefa e, usando diversos modelos de evolução de biosequências e métodos estatísticos de escolha e seleção entre modelos (veja o verbete ‘model selection‘ da wikipedia) – como o critério de informação Akaike (‘Akaike information criterion‘, AIC) – produziu um impressionante artigo sobre o assunto, no qual apresenta resultados que não só dão apoio a visão mais canônica de que toda a vida atual é derivada de um ancestral comum universal, mas obteve um apoio probabilístico para esta hipótese de cair o queixo, como pode ser visto na tradução do artigo de Katherine Harmon para a Scientific American sobre o incrível trabalho de Theobald publicado na Nature em 2010.

Assim, ao serem comparados com uma ampla gama de modelos biológicos de evolução que envolvem a ancestralidade independente de grandes grupos taxonômicos, os modelos de ancestralidade comum universal, ao serem avaliados por testes de seleção do modelos, dão um apoio espetacular à hipótese de ancestralidade universal comum, independentemente da presença de transferência horizontal de genes e eventos de simbiogênese entre linhagens.

Segue a tradução de um artigo da Scientific American de 2010 que resume o que Theobald fez e mais alguns comentários meus ao final, contextualizando mais a questão e abordando algumas das críticas feitas por outros cientistas e as respostas dadas a eles por Theobald.

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A prova [1] está nas Proteínas:

Teste apóia ancestral comum universal para toda a Vida

Um pesquisador coloca à prova o pressuposto biológico básico de um único ancestral comum – e descobre que a análise genética avançada e estatísticas sofisticadas apoiam a antiga proposta de Darwin.

Fonte: Scientific American [The Proof Is in the Proteins: Test Supports Universal Common Ancestor for All Life ]

Autora: Katherine Harmon quinta-feira, 13 de maio, 2010 | 22

Tradução: Rodrigo Véras


TUDO EM FAMÍLIA: A suposição comum de que toda a vida na Terra surgiu de um único ancestral comum tem sido uma hipótese difícil de provar. Nova análise seleciona algumas das teorias concorrentes. Imagem: ISTOCKPHOTO/EBSTOCK

A primeira forma de vida da terra, flutuando na espuma proverbial dos mares primordiais que, eventualmente, deu origem às árvores, as abelhas e aos seres humanos, não é apenas popular pressuposição Darwiniana, mas também uma premissa biológica essencial da qual muitos pesquisadores tomam como parte da fundação de seu trabalho.

No século 19, Charles Darwin foi além de outros, que tinham proposto que poderia haver um ancestral comum a todos os mamíferos ou animais, e sugeriu que provavelmente houve um ancestral comum para toda a vida no planeta – plantas, animais e bactérias.

Uma nova análise estatística leva essa suposição para a bancada e descobre que não só se segura, mas na verdade é esmagadoramente sólida.

Não era já óbvio, a partir da descoberta e decifração do DNA, que todas as formas de vida são descendentes de um único organismo comum, -ou, pelo menos, uma espécie basal? Não, diz Douglas Theobald, professor assistente de bioquímica da Brandeis University e autor do novo estudo, detalhado na edição de 13 de maio da revista Nature. (Scientific American faz parte do Nature Publishing Group). Na verdade, ele diz: “Quando eu entrei nesse negócio, eu realmente não sabia qual seria a resposta.

Apesar das dificuldades de testar formalmente a evolução – especialmente voltando eras atrás até o surgimento da vida em si-Theobald foi capaz de executar análises estatísticas rigorosas das sequências de aminoácidos de 23 proteínas universalmente conservadas entre as três principais divisões da vida (eucariotas, bactérias e archaea). Ao introduzir essas sequências em vários modelos relacionais e evolutivos, ele descobriu que um ancestral comum universal é pelo menos 10^2860 mais provável (ou ‘verossímil’ [2]) de ter produzido as modernas variações de seqüência das proteínas do que até mesmo cenário seguinte mais provável (envolvendo vários ancestrais separados).*

“A evolução faz bem onde ele pode ser testado”, diz David Penny, um professor de biologia teórica no Instituto de Biologia Molecular BioSciences da Universidade Massey, na Nova Zelândia e co-autor de um editorial de acompanhamento. No entanto, ele observa que a evolução pode fazer “previsões testáveis ​​sobre o passado (especialmente as quantitativas)“, no mínimo, complicadas. “QueTheobald possa ter concebido um teste formal”, diz ele, “foi excelente …. Provavelmente vai levar a um salto no que se espera da avaliação formal de hipóteses, o que iria ajudar a todos.

Animosidade ancestral comum

As descobertas de meados do século 20, sobre a universalidade do DNA “realmente definiram isso para as pessoas” em termos estabelecer na cultura popular – e acadêmica – que houve um ancestral universal comum único para toda a vida conhecida na Terra, Theobald diz. E desde então, “tem sido amplamente assumido como verdade”, observa ele.

Mas, nas duas últimas décadas, novas dúvidas surgiram em alguns círculos. Microbiologistas adquiriram uma melhor compreensão do comportamento genético das formas de vida simples, que pode ser muito mais amorfo do que a típica transferência vertical de genes de uma geração para a seguinte. A capacidade de microorganismos, tais como bactérias e vírus, de trocarem genes lateralmente entre os indivíduos – e mesmo entre espécies – mudaram alguns dos conhecimentos básicos estruturais do mapa da evolução. Com as transferências de genes horizontais, assinaturas genéticas podem mover-se rapidamente entre os ramos, rapidamente transformando uma árvore tradicional em uma teia emaranhada. Esta dinâmica “lança dúvida sobre este modelo da árvore da vida“, diz Theobald. E “uma vez que você lança dúvidas sobre isso, meio que lança uma dúvida sobre ancestralidade comum também.

Com a descoberta dos archaea como o terceiro principal domínio da vida – além das bactérias e dos eucariontes – muitos microbiologistas tornaram-se mais duvidosos de um único ancestral comum por trás de todos.

Um teste para a evolução


Outros pesquisadores haviam colocado certas seções de vida à prova, incluindo uma análise estatística de 1982 semelhante feita por Penny testando a relação de várias espécies de vertebrados. Theobald descreve o artigo como “
legal, mas o problema lá é que eles não estão testando ascestralidade universal.” Com os avanços na análise genética e poder estatístico, no entanto, Theobald viu uma maneira de criar um teste mais abrangente para toda a vida.

No decorrer de sua pesquisa, Theobald foi bater contra comum, mas “quase insolúvel, problema evolutivo” em biologia molecular. Muitas macromoléculas, como proteínas, têmestruturas similares tridimensionais, mas seqüências genéticas muito diferentes. A pergunta que o atormentava era: Seriam essas estruturas semelhantes de evolução exemplos de evolução convergente ou evidência de ancestralidade comum?

“Todas as evidências clássicas para a ancestralidade comum são qualitativas e baseiam-se em semelhanças compartilhadas, diz Theobald. Ele queria descobrir se ter focado nas semelhanças teria levado os cientistas a se extraviarem.

Suposições abandonadas

A maioria das pessoas e até mesmo cientistas operam sob a premissa de que as semelhanças genéticas implicam uma relação ou antepassado comum . Mas, assim como semelhanças na aparência física ou estrutura, essas suposições “podem ​​ser criticadas“, observa Theobald. A seleção natural forneceu numerosos exemplos da evolução física convergente, tais como as caudas preênsis de gambás e macacos-aranha ou a línguas pegajosas longas de comer insetos dos tamanduás e tatus. E com a transferência horizontal de genes em cima disso tudo, argumentos similares poderiam ser feitos para as sequências genéticas.

“Eu realmente dei um passo para trás e tentei assumir o mínimo possível ao fazer essa análise”, diz Theobald. Ele rodou vários modelos evolutivos estatísticos, incluindo aqueles que levavam em em consideração a transferência horizontal de genes e outros que não. E os modelos que consideravam a transferência horizontal de genes acabaram fornecendo o maior suporte estatístico para um ancestral comum universal.

Origens obscuras

Theobald disse que seus resultados mais surpreendentes foram “o quão fortemente eles apoiam a ancestralidade comum.” Em vez de simplesmente terem sido desapontados com o apoio a um pressuposto de longa data, ele diz que, pelo menos, “é sempre bom saber que estamos no caminho certo.”



Estas descobertas não significam que um ancestral comum universal estabelece o padrão da “árvore da vida” o começo da dinâmica evolutiva. Nem, no entanto, que eles inferiram uma estrutura em “teia da vida”. O debate árvore contra teia continua sendo “muito controverso agora mesmo na biologia evolutiva”, diz Theobald, relutante em escolher um lado para si mesmo.

Uma das outras grandes incógnitas que restam é quando esse ancestral universal comum teria vivido e o com o que ele pode ter se parecido – uma questão que vai demandar mais do que os modelos estatísticos de Theobald para responder. Theobald também observa que o apoio para um ancestral comum universal não exclui a idéia de que a vida surgiu de forma independente mais de uma vez. Caso outras linhagens, totalmente distintas surgiram, no entanto, elas ou foram extintas ou permanecem ainda não descobertas.


A pesquisa provavelmente avançará para esses cantos escuros do início da evolução, nota Penny, uma vez que “os cientistas nunca estão satisfeitos.” Ele espera que os pesquisadores irão tentar resolver voltar para ainda mais cedo, antes do DNA assumir, e avaliar os estágios iniciais da evolução durante os dias de RNA.

Em um nível mais fundamental, Penny diz, que o artigo não deve pôr fim à avaliação dos pressupostos da ancestralidade. Em vez disso, deve ser um lembrete de que “nós nunca pensamos em todas as hipóteses possíveis“, diz ele.

Então, nunca devemos deixar de considerar alguma abordagem nova que não tenhamos pensado ainda.”

* Errata (5/13/10): Esta frase foi alterada após a publicação. Ela inicialmente afirmava que um ancestral comum universal é mais de 10 vezes mais provável.

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Notas do Tradutor:

[1] O termo ‘prova’ segue o artigo original de Harmon que usa a palavra ‘proof’, mas fica claro – especialmente conhecendo outros textos de Theobald e declarações no artigo de resposta aos críticos – que o termo ideal seria ‘evidência’.

[2] Cabe a ressalva que o termo originalmente usado é ‘likely’ que apesar de ser muitas vezes traduzido como ‘provável’, tem um significado técnico diferente relacionado com o conceito de verossimilhança (‘likelyhood‘) que é de fato no que se baseiam as comparações relativas entre os modelos [Para mais, veja oartigo de Nick Matzke sobre o artigo no blog Panda’s Thumb].

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Comentários Adicionais:

A figura abaixo extraída do comentário de Steel e Penny (2010) mostra que tipo de hipóteses foram testadas por Theobald, entre muitas outras combinações.

Uma das possibilidades de ascendência múltipla retratada na figura (a) é a de que a vida atual é oriunda de duas linhagens que se originaram independentemente uma da outra, com as proteínas  com funções similares tendo surgido em decorrência da evolução adaptativa convergente. Na figura (b) podemos observar a origem única (ancestralidade comum universal), pelo menos, após a evolução da síntese de proteínas. As transferências, por endossimbiose ou por transferência de lateral de genes, são mostradas por linhas tracejadas. As correlações entre os padrões de aminoácidos em diferentes posições são usadas ​​para testar entre as duas possibilidades. A abordagem, adotada por Theobald, compara os valores das verossimilhanças de quão bem diferentes modelos de evolução de sequências e ancestralidade ajustam-se aos dados, compensando para diferentes números de parâmetros.

Como diz Penny, as conclusões de Theobald não encerram o assunto, embora ofereçam um forte argumento para a ancestralidade comum universal e uma forma explícita de testar tal hipótese que pode ser refinada e corrigida a medida que novas informações e métodos de análise forem surgindo. Por exemplo, na mesma edição da revista Nature, dois pesquisadores,Yonezawa and Hasegawa, [veja aqui] oferecem críticas as conclusões de Theobald e deram um exemplo de duas famílias de sequências de ácidos nucleicos codificadoras de proteínas, aparentemente não relacionadas, que, ao serem analisadas usando o ‘critério de informação Akaike’ (AIC) de seleção de modelo, usado por Theobald, acabaram por favorecer a hipótese da origem comum das mesmas, o que estaria em erro com o que sabemos sobre este caso específico. Porém, em resposta, Theobald lembra que, embora possa parecer surpreendente, as sequências codificantes do exemplo dos dois pesquisadores foram alinhadas não no mesmo marco de leitura e as restrições do código genético acabam provocando correlações entre estas seqüências (e entre todas as seqüências codificantes) que realmente não são devidas à ancestralidade comum. Algumas delas surgem pelo simples fato de existir um viés de códons e por causa da própria estrutura do código genético. Por exemplo, na segunda posição dos tripletos de nucleotídeos que formam os códons existe uma forte inclinação para a Timina que tem uma chance duas vezes acima da média do que o esperado de ser encontrada nesta posição, enquanto a terceira posição é geralmente preenchida por uma Adenina por volta de 50% das vezes e por uma Guanidina, apenas por volta de 4% das vezes. Porém, estas correlações e vieses de sequência podem ser levadas em conta adotando-se modelos e parâmetros adequados que já são implementados em vários programas de análise filogenética de sequências de uso comum que utilizam codons, como o PAML, ou que usam os aminoácidos codificados (como o PhyML). E quando isso é feito, o resultado espúrio citado por Yonezawa e Hasegawa desaparece e a origem independente é escolhida como sendo muito mais ‘provável’.

Yonezawa e Hasegawa também criticam o fato de Theobald não ter explicitamente testado modelos que levassem em conta que sequências similares poderiam ter sido geradas por causa de restrições biofísicas e da seleção natural que teriam produzido correlações entre sequências que haviam se originado independentemente. Acontece que, além de não existirem modelos filogenéticos que permitam o teste específico destes cenários, uma ampla gama de resultados empíricos sugere fortemente que este não seria o caso para a altíssima similaridade do conjunto de proteínas universalmente presentes empregado nas análises por Theobald. Sem mencionar que a premissa de que restrições biofísicas poderiam levar a estas correlações espúrias não é sustentada pela simples observação de que não parecem existir modos únicos de se executar uma dada função bioquímica. De fato, existem  inúmeros exemplos de proteínas com similaridade de sequência indetectável e conformações tridimensionais que desempenham a mesma função bioquímica e celular. Além disso, mesmo caso se presuma que certas conformações protéicas sejam necessárias para uma determinada função, as evidências de biologia estrutural atuais indicam que os requisitos em termos de sequências para que se atinjam quaisquer conformações são extremamente baixos, na realidade, quase indistinguíveis da aleatóriedade.  Muitas grandes classes de proteínas com padrões tridimesionais muito parecidos não têm similaridade de seqüência detectável, o que fornece evidência direta que as exigências de seqüência, para qualquer configuração espacial particular de uma proteína e portanto de uma função, serem quase indistinguíveis do esperado pelo acaso.

Theobald, entretanto, admite que estes argumentos são circunstanciais e qualitativos, não devendo substituir um teste mais formal quando houverem dados e modelos mais apropriados; admitindo que ele, realmente, não testou todas as hipóteses concorrentes possíveis (o que seria pedir um pouco demais, não?). Portanto, Theobald, tem plena consciência de que sua análise não será a “última palavra sobre ancestral comum”, enfatizado que, em nenhum momento, ele pretendeu oferecer uma “prova” absoluta de ancestralidade comum universal. Como ele mesmo afirma, o ponto principal é que este arcabouço de teste com base na seleção de modelos traz uma enorme vantagem em relação ao que era feito até então, pois caso um novo modelo, com uma bem definida função de probabilidade, venha a ser proposto, então, será possível facilmente compará-lo aos modelos de ancestralidade comum e ver como ele se sai frente a eles.

É neste espírito que avançamos na compreensão de nosso passado, botando à prova mesmo pressuposições consideradas básicas e avaliando sua ‘probabilidade’ frente a outras possibilidades sempre que for possível.

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Referências

  • Theobald DL “A formal test of the theory of universal common ancestry.” Nature 465(7295):219-222. [pdf]

  • Yonezawa T, Hasegawa M. Was the universal common ancestry proved? Nature. 2010 Dec 16;468(7326):E9; discussion E10. doi: 10.1038/nature09482. PubMed PMID: 21164432.

  • Theobald DL (2010) “Was the universal common ancestry proved? Reply” Nature 468(7326):E10. [pdf]

  • Steel M, Penny D. Origins of life: Common ancestry put to the test. Nature. 2010 May 13;465(7295):168-9. doi: 10.1038/465168a. PubMed PMID: 20463725. [pdf]

  • Theobald DL. On universal common ancestry, sequence similarity, and phylogenetic structure: the sins of P-values and the virtues of Bayesian evidence. Biol Direct. 2011 Nov 24;6(1):60. PubMed PMID: 22114984; PubMed Central PMCID: PMC3314578. [pdf]

  • Kadane, J.B. and Lazar, N.A. Methods and Criteria for Model Selection Journal of the American Statistical Association Volume 99, Issue 465, 2004 DOI: 10.1198/016214504000000269

 

Viva Turing de novo, mais pistas sobre a evolução dos membros em vertebrados

Um dos grandes enigmas da moderna biologia diz respeito a compreensão de como estruturas morfológicas complexas podem ser produzidas através da modulação da expressão gênica no embrião de organismos multicelulares em desenvolvimento. A compreensão destes processos têm implicações vastas, que vão desde a explicação de mal formações, como a polidactilia, até  lançar luz sobre como, ao longo da evolução dos organismos multicelulares, especialmente animais, estruturas morfológicas de organismos ancestrais deram origem as de linhagens descendentes. 

Um grande problema com as abordagens mais tradicionais é que simplesmente apontar quais genes estão envolvidos nos processos, e mesmo mostrar que existem diferenças em seus padrões de expressão, não são suficientes. O que normalmente é almejado é uma compreensão de como a expressão diferencial destes genes, por meios dos efeitos das interações de seus produtos na proliferação e morte celular localizadas, na diferenciação celular e nos movimentos e deformações de camadas de tecidos, resulta em mudanças complexas na forma dos organismos. É preciso portanto explicar como cascatas de reações químicas dentro das células, a liberação de moléculas de comunicação célula a célula e a alteração de seus números, seu padrão de movimento e de adesividade, produzem alterações espaço-temporalmente organizadas por meio das interações dinâmicas entre seus componentes em diversos níveis. Portanto, o que se quer mais precisamente é compreender como o padrão geral pode ser produzido e como ele pôde ser modificado, por alterações dos genes e das regiões controladoras de sua expressão, ao longo da evolução das diversas linhagens.

Estes terrenos da investigação científica são eminentemente multidisciplinares exigindo a combinação dos métodos e conceitos da genética molecular, com os da biofísica, da biologia do desenvolvimento, bem como da paleobiologia, mas também de estratégias de modelagem computacional e matemática. E aí que entram os mecanismos ‘formadores de padrão’ (definir) entre os quais os mecanismos baseados em sistemas de reação-difusão que foram originalmente proposto pelo matemático Alan Turing ainda no começo dos anos 50, pouco antes de sua trágica morte, que certamente está entre os mais investigados [Veja “Viva Turing ou como os camundongos conseguem seu palato enrugado.” e “É a evolução genética previsível? Parte II ou Além da genética parte I” e “De determinantes ‘genéricos’ aos ‘genéticos’: A importância da física nos primódios da evolução animal.”]. De acordo com Turing, dois reagentes químicos que interagem e difundem-se através do espaço por meio de processos de retroalimentação poderiam formar padrões espaciais de ondas interagentes. Isto é, a partir de duas substâncias químicas, respectivamente, um ‘ativador’ e um ‘repressor’, inicialmente distribuídas uniformemente,  por meio da dinâmica não linear das interações entre estes reagentes que amplificam pequenas flutuações locais e produzem ciclos autossustentáveis de atividade, seriam produzidos padrões espaciais e estruturas complexas em um meio originalmente homogêneo.

Durante um bom tempo o modelo de Turing para a formação de padrões, ainda que plausível, carecia de evidências mais diretas de sua ação em organismos vivos, como explica a primeira autora de um novo estudo sobre o tema, Rushikesh Sheth, pós-doutorada no laboratório de Mary Kmita, autora sênior de mais do artigo. [Veja “What mechanism generates our fingers and toes?”]. Mas este cenário tem mudado na última década, como recentemente ilustrado por estudos da formação do palato enrugado em camundongos (que comentamos aqui no evolucionismo.org Viva Turing ou como os camundongos conseguem seu palato enrugado.”),  além de muitos outros trabalhos que sugerem que este mesmo mecanismo do tipo proposto por Turing (ou alguma variação dele) desempenhe um papel no crescimento de estruturas como penas e folículos capilares, no padrão de ramificação dos pulmões, etc. Desta vez, em um artigo publicado nesta edição de dezembro da revista Science, uma equipe de pesquisadores apresentam evidências de uma papel para este mecanismo formador de padrão durante o desenvolvimento dos dedos nas patas de camundongos, indicando uma possível via para a formação dos membros autopodes a partir de nadadeiras com projeções ósseas encontradas em vertebrados aquáticos ancestrais.

Em mamíferos, o que inclui nós seres humanos, os padrões de mudança ao longo do desenvolvimento embrionário dependem da ação de genes que funcionam como grandes ‘interruptores’, ativando e reprimindo uma série de outros genes e seus produtos em uma cascata de eventos de transdução de sinal e de ativação diferencial de vias bioquímicas. Entre estes genes estão os muito conhecidos  genes Hox – os mesmos por trás, por exemplo, da formação do eixo antero-posterior, isto é, cabeça-cauda, tanto em vertebrados como em invertebrados com simetria bilateral, mas também os genes associados as vias Shh (Veja Mais pistas sobre as origens do membros nos vertebrados), ambos os grupos também estando envolvidos na formação de membros durante a embriogênese. 

O padrão de formação dos dedos tradicionalmente tem sido mais comumente interpretado com dependendo da formação de um ‘gradiente morfogenético‘ em que a proteína codificada pelo de Sonic Hedgehog (Shh) funcionaria como ‘morfógeno’ (isto é, uma molécula difusível com papel de ativação de determinados estados celulares) emanando da ‘zona de atividade polarizante’ (ZPA) que consiste em um aglomerado de células mesodérmicas na borda posterior do broto do membro a partir do qual se estabeleceria um gradiente com os níveis máximos do morfógeno na região posterior.

Neste modelo para a formação dos dedos, a proteína Gli3 seria a principal mediadora da sinalização da via Shh e alterações neste gene seriam uma das causas genéticas da polidactilía. Porém, ao contrário das expectativas, tanto o Shh como Gli3, parecem dispensáveis para este processo, inclusive com mutantes nulos para Gli3 (ou seja, em que o gene Gli3 não é expresso) exibindo fenótipos de membros polidáctilos idênticos aos que ocorrem na sua presença, o que sugere que uma série de dedos pode se formar iterativamente na ausência de Shh, o que é mais compatível com um mecanismo formador de padrão do tipo Turing que já havia sido proposto como o responsável pela formação de um pré-padrão nesta porção distal do broto do membro que guiaria o processo de condrogênese, ou seja, de formação de agregados de tecido cartilaginoso.

Uma das previsões específicas deste modelo é que o período dos dedos, ou comprimento de onda (que pode ser definido como a espessura combinada de ambos os dígitos e da região interdigital) deve estar sujeito a modulação por perturbações no parâmetro correto da rede de genes que controla o processo de diferenciação, levando a membros autopodes com dedos de diferentes números e espessuras, o que, segundo o time de pesquisadores responsável pelo artigo da Science, nunca havia sido claramente observada até à data. E foi exatamente isso que os cientistas responsáveis pelo estudo obtiveram como resultando ao usaram métodos de análise genética para estudar a formação dos dedos durante o desenvolvimento de camundongos, encarando este fenômeno como um processo iterativo que leva a um padrão intercalado, ‘dedo/não dedo’, portanto, análogo aos que tem sido modelados por sistemas de reação-difusão do tipo Turing.

Embora ainda houvessem incertezas de quais moléculas poderiam fazer parte desse mecanismo auto-organizado de formação de padrão, alguns genes Hox, que já sabidamente atuavam nas porções distais do broto o membro, Hoxa e Hoxd, eram candidatos óbvios, tanto por terem  um impacto bem documentado na formação dos dedos, como por interagirem em várias instâncias como as vias de dos genes Shh e Gli3.

Os biólogos conseguiram mostrar que ao reduzirem progressivamente a dose de genes Hoxa13 e Hoxd11-Hoxd13 (este último discutido no post anterior, “Superexpressão do gene 13Hoxd: Mais pistas sobre a transição entre peixes e tetrápodes”) – que atuam na porção distal do membro em formação sobre um pano de fundo em que o gene Gli3 havia sido ‘deletado’ – levava a quadros de polidactilia progressivamente mais graves, ou seja, com maior número de dedos que por sua vez eram mais finos mais e densamente ‘empacotados’.

Abaixo podemos observar os fenótipos, associados aos esqueletos de camundongos recém-nascidos, que foram considerados os mais representativos das séries de alelos dos genes  Hoxa13; Hoxd11-13; Gli3 [o sinal de + indica a presença do alelo e o de – a sua ausência; e o Hoxd11-13 indica que ambos os loci são tratado e manipulados como um só].  Note que o número de dedos (indicados para a condição,  na base  da figura,  Gli3XtJ/XtJ) aumenta à medida que a dose de genes Hox distais é reduzida. Outro resultado importante é que quando resta apenas uma única cópia funcional de Hoxa13, como fica claro na coluna da direita, as pontas dos dedos passam a estar ligadas por faixas contínuas de tecido (ossificado, em vermelho, e cartilaginoso, em azul) beirando a extremidade distal dos membros, o que fica ainda mais visível com a remoção de cópias do gene Gli3.

Assim, conforme mais genes Hox são removidos de um membro em desenvolvimento de camundongo, sem que haja o gene Gli3, mais dedos são gerados o que é exatamente o que se espera em um modelo semelhante ao proposto por Alan Turing.

Para compreender melhor estes resultados, a equipe de pesquisadores combinou a análise experimental com modelagem computacional do processo de formação de padrão por um mecanismo de reação-difusão. De posse das duas abordagens, os pesquisadores concluíram que os seus resultados dão forte apoio a ideia que existe realmente um mecanismo do tipo do de Turing subjacente a formação do padrão intercalado que produz os dedos em que a dose dos genes Hox distais modula o período (ou o ‘comprimento de onda’) dos dedos.

 “Nosso estudo genético sugere que os genes Hox atuam como moduladores de um mecanismo de do tipo Turing, que foi posteriormente confirmado por testes matemáticos realizados por nossos colaboradores, Dr. James Sharpe e sua equipe”, acrescenta Marie Kmita, Diretor da Genética e unidade de desenvolvimento de pesquisa na IRCM. [Veja “What mechanism generates our fingers and toes?”]

Abaixo pode-se observar nas ​​três primeiras linhas os padrões de expressão do gene Sox9 com diferentes combinações de mutantes para as séries alélicas Hoxa13; Hoxd11-13; Gli3. Os autores, por meio da simulação, puderam replicar os fenótipos associados ao mutantes triplos podem ser replicados pelo modelo de Turing em que a diminuição do gradiente de PD utilizado para modular a onda está correlacionada com a dose reduzida Hox (khox).

Os autores também ressaltam que estes padrões, que assemelham-se muito ao padrões endoesqueletais das nadadeiras de peixes, sugerem que o estado pentadáctilo dos vertebrados tetrápodes deve ter evoluído por meio de modificações de um mecanismo do tipo do postulado por Turing que agia em nossos antepassados não tetrápodes mais antigos e que, por meio de modificações dos padrões de expressão dos genes e de seus produtos, alteraram a dinâmica das reações que resultaram em mudanças na formação, número e na distribuição dos elementos esqueletais mais distais:

Além disso, mostramos que reduzir drasticamente a dose dos genes Hox em camundongos transforma dedos em estruturas que lembram as extremidades das nadadeiras dos peixes. Essas descobertas também apoiar o papel fundamental dos genes Hox na transição de barbatanas para membros durante a evolução, uma das mais importantes inovações anatômicas associadas com a transição do meio aquático para a vida terrestre.” completa Kumita. [Veja “What mechanism generates our fingers and toes?”]

Estes resultados nos permitem postular uma relação entre a evolução dos membros dos vertebrados e o papel de mudanças nos genes Hox distais. Assim, como é mostrado na árvore filogenética de grupos de animais representativos, podemos perceber relações entre os padrões esqueléticos dos  apêndices (nadadeiras e membros) desses animais com a expressão correspondente dos genes Hox distais – e dos gradientes de Gli3R (‘Repressor Gli3’, resultado da proteólise da proteína Gli3, que tem função inibitória na transcrição) que estão representados quando conhecidos [o actinopterígio mostrado na figura é o peixe da espécie Polyodon spathula].

Notem bem que ao revogar a sinalização da via Shh e reduzir a função de genes Hox distais no membro autopode de camundongo (Hoxa13+/-; HoxdDel11-13/Del11-13; Gli3XtJ/XtJ) tem-se como resultado o aparecimento, nestes animais, de características de esqueleto que são compartilhadas com as do tecidos esqueléticos das nadadeiras peitorais de tubarões, como o Chiloscyllium punctatum, que exemplificam os condrictios, e de peixes ósseos com nadadeiras raiadas, como o Polypterus senegalus, representando os osteícitios, isto é elementos iterativos, numerosos e densamente empacotados com uma banda distal cartilaginosa correspondente aos arcos radiais distais das nadadeiras destes animais (vejam as setas):

“O padrão periódico de elementos esqueléticos evidentes em nadadeiras e membros mutantes sugere fortemente que um processo auto-organizado de condrogênese  baseado em um mecanismo tipo Turing seja profundamente conservado entre os vertebrados. Os resultados indicam ainda que a dose de genes Hox distal regula o número e o espaçamento dos elementos esqueléticos formados, implicando distais redes reguladoras de genes Hox como sendo impulsionadores críticos da evolução do membro pentadáctilos.” [Sheth R et al, 2012]

Este estudo, bem como o descrito no post anterior, nos mostra como hipóteses derivadas da análise comparativa de grupos de animais vivos e extintos, juntamente com insights advindos  genética do desenvolvimento, e de modelos teóricos de formação de padrões, podem ser colocadas a prova e avaliadas quanto a sua viabilidade e coerência com os dados por meios de engenhosos experimentos,  modelagem matemático-computacional e análise filogenética. Através deste tipo de investigação multidisciplinar, por meio da proposição e teste criterioso e criativo de  ideias como essas, é que vamos compreendendo mais e melhor como grupos de organismos puderam dar origem a outros e como novos órgãos, estruturas e sistemas surgiram e evoluíram ao longo do tempo em função de mutações que alteravam a forma com estes mecanismos ‘genéricos’ [De determinantes ‘genéricos’ aos ‘genéticos’: A importância da física nos primódios da evolução animal.] formadores de padrão operavam.

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Referências:

  • Vogel G. Developmental biology. Turing pattern fingered for digit formation. Science. 2012 Dec 14;338(6113):1406. doi: 10.1126/science.338.6113.1406. PubMed PMID: 23239707.

  • Sheth R, Marcon L, Bastida MF, Junco M, Quintana L, Dahn R, Kmita M, Sharpe J, Ros MA. Hox genes regulate digit patterning by controlling the wavelength of a Turing-type mechanism. Science. 2012 Dec 14;338(6113):1476-80. doi:10.1126/science.1226804. PubMed PMID: 23239739.

  • Kondo S, Miura T. Reaction-diffusion model as a framework for understanding biological pattern formation. Science. 2010 Sep 24;329(5999):1616-20. doi: 10.1126/science.1179047. Review. PubMed PMID: 20929839.

Creditos das Figuras:

MIKKEL JUUL JENSEN / SCIENCE PHOTO LIBRARY