YouTube

Artigos Recentes

Como nova informação genética é gerada durante o processo evolutivo?


Compartilhe o artigo:



          Um argumento anti-evolucionista bastante comum baseia-se na suposta impossibilidade de novos genes serem criados e acumulados, ou seja, que o material genético dos seres vivos supostamente só pode ser reduzido ou mantido. Como explicar, por exemplo, que a espécie de planta Glycine max carrega mais de 50 mil genes codificadores de proteínas enquanto uma bactéria do gênero Candidatus chega a ter menos de 200 genes codificadores? Se ambas apresentam um ancestral em comum, isso significa que houve um gigantesco acréscimo de informação genética no DNA da planta. Segundo os anti-evolucionistas, mutações no máximo reduzem informação genética, sendo impossível aumentá-la via processos naturais. Ora, nesse caso, seria necessário alguém construindo e adicionando os genes para o acúmulo de novidades fenotípicas, certo?

          A resposta seria 'sim' para esse "problema", caso eu não entendesse nada de genética e não acompanhasse os periódicos científicos - como parece ser a realidade daqueles que rejeitam a evolução biológica. Aliás, recentemente os pesquisadores conseguiram decifrar o complexo genoma do trigo (T. aestivum(1), o qual era composto de 3 sub-genomas combinados de outras espécies e continha 85% de elementos repetidos. Opa, hibridização somando genomas e duplicações genéticas! Mas, calma, amiguinhos, esses são apenas dois dos vários mecanismos que estruturam o sistema de formação de novos genes ao longo do percurso evolucionário das espécies.


          IMPORTANTE: Para a melhor compreensão do artigo a seguir, recomendo, para um entendimento básico de genética, a leitura: Novas letras artificiais para o nosso maquinário genético

- Continua após o anúncio -




   NOVOS GENES

          As ramificações da árvore evolucionária deixam explícito uma vasta diversidade biológica, com a enorme variedade genômica a fonte essencial e primária para essa riqueza fenotípica. A evolução do genoma é dirigida por vários fatores, como mudanças incrementais nas sequências codificadoras e não-codificadoras, assim como na emergência de novos genes. O crucial papel dos novos genes como principais fomentadores da evolução biológica (2) e da diversividade fenotípica é claramente indicado pela grande variedade nos números e tipos de genes entre as espécies.


          Ao longo da evolução, genes estão constantemente sendo adicionados e deletados do genoma. Cada gene em um organismo 'nasceu' em determinados períodos na evolução: alguns são antigos, alguns são jovens e muitos estão ativamente no processo de serem gerados ou perdidos. Dentro de um grupo de espécies em próximo parentesco, 'novos genes' podem ser definidos como aqueles presentes em todos os membros de um grupo monofilético mas ausentes em todas as espécies fora desse grupo. A origem de novos genes trazendo novas informações genéticas é um processo microevolucionário. Primeiro, uma estrutura protogenética é gerada por uma mutação no genoma de uma única célula germinativa. Essa estrutura protogenética precisa então ser espalhada através de uma população até ser fixada. Nesse sentido, entram os mecanismos evolutivos, como seleção natural e deriva genética, para esse serviço de propagação.

          Tanto antes quanto depois da fixação, o protogene acumula mutações que conferem a ele novas estruturas e funções benéficas, às vezes novas, as quais, então, se submetem à seleção natural. A partir do ponto em que o protogene carrega uma função otimizada e é fixado no genoma, ele será essencialmente o mesmo como a maioria dos outros genes mais antigos no genoma e pode ser considerado um novo gene.

- Continua após o anúncio -



   PRODUÇÃO E ACUMULAÇÃO DE NOVOS GENES

          Novos genes comumente surgem através da duplicação de genes pré-existentes, seja no nível do DNA ou pela retro-transposição através de um RNA intermediário. Nesses casos, o novo gene pode manter funções similares ao gene ancestral ao longo do período evolucionário ou pode passar por um processo de diversificação até uma completa nova função evolua. Novos genes com novas funcionalidades podem também se originar de novo a partir de DNA não-codificante ou pode ser derivado de várias alterações e rearranjos em loci genéticos pré-existentes. Além disso, novas expressões e funcionalidades genéticas requerem elementos regulatórios que podem pré-existir no novo locus do gene ou que podem precisar evoluir.

          Mutação é o primeiro passo fundamental para a formação de novos genes, e hoje cerca de 12 mecanismos moleculares são bem conhecidos e descritos para a ocorrência desse processo. Apesar de muitos associarem mutações genéticas apenas com prejuízos ao organismo e deformidades, muitos mecanismos mutantes fornecem uma escada para o processo evolucionário.

1. Duplicação genética: Esse provavelmente é o mais prevalente mecanismo fomentando a formação de novos genes. Durante mutações cromossômicas, às vezes uma extra cópia de alguma região do DNA contendo um gene é duplicada. Essas duplicações podem surgir principalmente como produto de vários tipos de erros na replicação do DNA e no maquinário genético de reparação. As regiões duplicadas podem estar localizadas adjacentes umas às outras ou uma das regiões duplicadas pode estar em sua localização normal e a outra em uma nova localização em uma diferente parte do mesmo cromossomo ou mesmo em outro cromossomo. Fontes comuns de duplicações genéticas incluem crossing-over assimétrico, retro-transposição, poliploidismo e transposição do DNA duplicado.


- Crossing-over assimétrico

         Esse processo produz sequências repetidas sucessivas e contínuas de DNA. Dependendo da posição de cossing-over (cruzamento), as regiões duplicadas podem conter parte de um gene, um gene inteiro, ou vários genes



- Retro-transposição

          Esse é um processo de duplicação onde o RNA mensageiro (mRNA) de um gene é transcrito de forma reversa para um DNA complementar (cDNA) e, então, inserido no genoma. Existem várias características moleculares de retroposição: falta de íntrons e sequências regulatórias de genes, presença de sequências poli-A e presença de pequenas repetições diretas divisórias. A principal diferença desse mecanismo para o crossing-over assimétrico é a presença de íntrons. Íntrons são as pequenas sequências de DNA presentes entre as sequências codificadoras que se dividem após a transcrição. Se íntrons estão presentes nos genes originais, eles estão também presentes nos genes duplicados através de cruzamentos assimétricos, mas ausentes em retro-genes. Um gene duplicado gerado por retro-transposição é geralmente não-ligado ao gene original, já que a inserção de cDNA dentro do genoma é relativamente aleatória.




- Transposição duplicativa

          Esse mecanismo pode ser alcançado por um de dois caminhos: recombinação não-alélica homóloga (NAHR) ou junção não-homóloga final (NHEJ). A diferença entre os dois caminhos é baseada no uso ou não de sequências homólogas como template (modelo) durante o reparo de quebra da dupla cadeia, e essa diferença pode também ser usado para inferir o mecanismo pelo qual genes individuais são duplicados. A recombinação entre essas sequências homólogas não-alélicas pode resultar na duplicação de sequências interventoras, algo que pode, então, levar a mais duplicações por causa do pareamento entre os novos parálogos (genes que compartilham uma mesma ancestralidade mediada por duplicações; são cópias que ganham novas funções e, por isso, acabam sendo mantidas no genoma).


- Poliploidização

          Esse é um processo evolucionário onde dois ou mais genomas são unidos pelo mesmo núcleo - geralmente durante hibridizações entre espécies seguido de duplicações cromossômicas. Duplicações genômicas inteiras seguidas por uma massiva perda de genes e especialização têm se mostrado muito importantes para a ocorrência de grandes eventos evolucionários entre vários grupos de organismos, especialmente entre as plantas. É estimado que o poliploidismo ocorreu em pelo menos 70% das linhagens das angiospermas (3) e em 95% das linhagens das pteridófitas.


          O ponto mais importante das duplicações genéticas, especialmente no poliploidismo, é o fornecimento de amplo material genético extra onde os mecanismos evolutivos podem atuar com maior facilidade e com um maior espectro de possibilidades. Ora, se temos mais cópias do que o necessário de um gene ou novas cópias adicionadas de uma fonte genômica terceira, as cópias e genes excedentes podem passar por processos de mutações e seleções naturais sem prejudicar o organismo, já que as cópias normais cumprirão as funções básicas necessárias para a sobrevivência. Essas mutações nas cópias extras podem render novos genes associados a novas expressões fenotípicas, gerando um acúmulo de informações genéticas positivamente selecionadas e preservadas no genoma. Além disso, eventos de duplicação genômica inteira já geram um indivíduo descendente com um fenótipo substancialmente diferente, ou seja, um potencial passo inicial de especiação.


         Vários genes já foram observados sendo duplicados naturalmente em laboratório e diversos outros em espécies diversas já foram apontados como oriundos de processo de duplicação, incluindo vários exemplos no corpo humano. Aliás, evidências cada vez crescentes (Ref.7) reforçam a hipótese de que a origem dos vertebrados no planeta foi catalizada por um evento duplo de duplicação genômica inteira, dando origem a um ancestral octoploide, o qual, desde então, passou por sucessivas reduções genômicas ao longo do curso evolutivo até o genoma dos vertebrados ser 'diploidizado' novamente. Outros grandes "pulos"/avanços evolutivos também são explicados pelas duplicações genômicas. Constantemente em periódicos são publicados estudos descrevendo novos eventos de duplicações genéticas. Alguns estudos estimam que cerca de 80% dos novos genes surgem desse processo.


          Clássicos exemplos de duplicações genéticas conferindo novos fenótipos foram demostrados a partir da década de 1990 em moscas do gênero Drosophila. Para exemplificar, a mutação dominante Bar no cromossomo X da Drosophila produz um olho na forma de fenda ao invés de um normal e oval. O efeito é produzido pela redução do número de facetas oculares. Estudos citológicos dos cromossomos politenos mostraram que o fenótipo Bar é causado por um processo de duplicação crossing-over assimétrico da região cromossômica chamada de 16 A.


          Gametas contendo a deleção geralmente morrem ou produzem zigotos inviáveis. Já gametas contendo a duplicação produzem filhotes Bar. Machos carregando a duplicação Bar em um estado hemizigoto expressam olhos severamente reduzidos. Fêmeas heterozigotas com um cromossomo Bar e um normal possuem olhos ligeiramente reduzidos.

         Existe um outro tipo de erro/mutação genética que leva ao surgimento de duplicações que resultam em um número anormal de cromossomos: aneuploidismo.  Nos mamíferos, esse processo é frequentemente prejudicial, levando a abortos espontâneos. Mas o aneuploidismo também pode gerar descendentes viáveis, como ocorre, por exemplo, na Síndrome de Down, onde uma cópia extra do cromossomo 21 é gerada.


2. Alteração de estruturas genéticas pré-existentes: Novas estruturas genéticas podem ser geradas ao se modificar éxons e domínios já existentes no genoma. Nesse sentido, éxons e domínios podem ser recombinados para produzir novos genes quiméricos. Proteínas quiméricas formadas pela recombinação de genes já foram encontradas em vários organismos desde a descoberta do gene receptor LDL, incluindo lêvedos, Drosophila, Caenorhabditis elegans, mamíferos e plantas. Estima-se que esse processo de recombinação tenha contribuído com cerca de 19% dos novos éxons nos eucariotas. Novas estruturas genéticas também podem ser formadas pela cisão de genes pré-existentes. Além disso, o processo de splicing alternativo (4) entre genes duplicados pode gerar transcritos distintos que produzem RNAs não-codificantes ou polipeptídeos com funções levemente ou completamente diferentes e rapidamente alterar estruturas e funções desses genes duplicados.


3. Genes de novo: Novas estruturas genéticas podem surgir de sequências não-codificantes do DNA, ou seja, genes que antes não codificavam proteínas - apenas regulavam - podem passar a codificar após mutações diversas e DNA suffling. Aliás, apenas cerca de 1,5% do DNA humano codifica um produto genético (englobando 30% se as sequências de íntrons forem incluídas), ou seja, bastante matéria-prima em potencial para genes de novo. Um estudo publicado este ano na mBio (Ref.8) conseguiu identificar em uma única espécie de levedura - no caso a S. cerevisiae - 84 genes de novo espalhados entre 15 dos 16 cromossomos do seu genoma.

4. Transferência horizontal de genes (THG): Esse processo está massivamente presente nos seres procariotas, onde genes são compartilhados entre genomas de táxons distintos. Genes de resistência a antibióticos são geralmente adquiridos por várias bactérias a partir desse processo de compartilhamento genético. A THG é muito importante na evolução dos seres procariontes, mas também já foi reportada em seres eucariontes, como plantas, insetos e fungos. Basicamente, genes de espécies distintas são capturados (5) e adicionados ao genoma de outras espécies, trazendo novidades fenotípicas e acumulando informação genética.


          A TLG pode ocorrer por três principais mecanismos (no caso, entre bactérias):

- Transformação: Envolve a incorporação de fragmentos curtos de puro DNA por bactérias naturalmente transformáveis;
- Transdução: Envolve transferência de DNA de uma bactéria para outra via bacteriófagos (vírus que atacam bactérias);
- Conjugação: Envolve transferência de DNA via pelos sexuais e requer contato direto entre as células bacterianas.



OBSERVAÇÃO: Mecanismos como a 'transposição de elementos' também atuam na construção de sistemas regulatórios, RNAs não-codificantes, entre outras estruturas genéticas acessórias dos novos genes. Além disso, vários mecanismos frequentemente cooperam entre si para a formação de novos genes.

- Continua após o anúncio -



   CONCLUSÃO

         Existem vários mecanismos moleculares para a produção e acúmulo de novos genes, os quais baseiam e fomentam o processo evolutivo. Para o acúmulo de informações genéticas, a duplicação genética (mutação) e transferência lateral de genes (compartilhamento genético) são os mais importantes desses mecanismos.



REFERÊNCIAS CIENTÍFICAS
  1. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5577496/ 
  2. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4236023/ 
  3. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4281893/ 
  4. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21830/ 
  5. http://www.academicjournals.org/article/article1386259192_Roy%20and%20Deo.pdf 
  6. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/26424194
  7. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3420103/
  8. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6069113/
  9. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/20946257
  10. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5590085/
  11. https://www.nature.com/articles/srep42571
  12. https://academic.oup.com/jhered/article-abstract/109/2/117/4417594