Dentes, armaduras e a evolução dos peixes esgana-gatas

Os peixes esgana-gatas de três espinhos têm sido de grande valia para o aprofundamento de nossa compreensão das bases moleculares da evolução morfológica adaptativa. Eles servem como um dos grandes modelos dos estudos de Evo-Devo - a biologia evolutiva do desenvolvimento. Estes animais são excelentes modelos de estudo tanto por causa de sua abundância e facilidade de coleta, bem como por serem de fácil manutenção em laboratórios, propícios a cruzamentos entre populações distintas (e entre espécies próximas); além de serem ótimos para estudos embriológicos e moleculares. Existe também um bom registro fóssil dos mesmos, tendo estes animais re-colonizado os mesmos tipos ambientes várias vezes a partir de populações marinhas em um 'quase-experimento' natural replicado, que tem se repetido nos últimos 15 000 anos.

Este é um dos pontos mais importantes e que os tornam tão bons modelos de estudos de evolução. As  populações destes pequenos peixes passam por mudanças evolutivas muito rápidas quando se deslocam do oceano para os lagos de água doce. Elas perdem a sua armadura óssea e ganham mais dentes. Isso acontece em períodos de menos de 10 anos, permitindo que a evolução morfológica extensiva seja analisada em tempo real. Porém, talvez o ponto mais interessante seja o fato de estas mudanças rápidas não envolverem mutações nas regiões codificadoras dos genes - ou seja, naquelas porções do DNA que especificam diretamente as sequências de aminoácidos das proteínas. As mutações responsáveis por estas alterações ocorrem nas regiões de DNA (cis)regulatórias que são aqueles trechos não codificantes, mas que estão associados ao controle da transcrição dos genes e portanto a regulação de sua expressão [1, 2.]

Espécime marinho adulto (acima) e de água doce dos esgana-gatas (parte inferior) de três espinhos marcados com um corante vermelho para as porções ósseas calcificadas. O peixe de água doce rapidamente perde sua armadura, nadadeira pélvica e outros ossos após a passagem do oceano para os lagos. (Foto cortesia de Nicholas Ellis e Craig Miller, UC Berkeley)[1]

Agora, um novo estudo traz evidências que um destes genes que codifica a proteína morfogenética óssea 6 (BMP6), cujo locus está localizado no cromossomo 21, seria o responsável pela variação do número de dentes entre as populações lacustres e marinhas. O mapeamento genético e estudos de expressão genica feitos nestes animais mostram que existem mudanças regulatórias neste gene e na vias de sinalização embriológicas nas quais ele está envolvido.  Os autores do artigo localizaram o gene e identificaram estes padrões de atividade diferencial cruzando esgana-gatas marinhos do Alasca com esgana-gatas de água doce do lago Paxton, no Canadá. Eles observaram que os peixes canadenses têm cerca de duas vezes o número de dentes das suas contrapartidas oceânicas do Alasca. Mantendo o padrão dos outros estudos sobre evolução morfológica de esgana-gatas, embora a região codificante deste gene pareça ser idêntica em todos os esgana-gatas estudados, as regiões reguladoras de DNA, próximas a região que codifica propriamente a proteína BMP6, são diferentes entre as populações marinhas e as de peixes de água doce que recentemente colonizaram estes ambientes. Este fato sugere que a regulação alterada é responsável pelos dentes extras. O gene do BMP6 é expresso em níveis mais elevados em peixes de água doce em relação aos peixes marinhos e esta simples mudança acaba por causar um aumento de expressão da proteína, o que leva a dobrar o número de dentes.

Estes aumentos na atividade da BMP6 ocorrem no final do desenvolvimento da larva do peixe, quando ela já mede quase dois centímetros e meio de comprimento e está na metade do caminho para a vida adulta. O interessante é que, antes deste período, tanto os peixes de água doce como os peixes marinhos têm o mesmo número de dentes. Os esgana-gatas oceânicos, eventualmente, param de adicionar novos dentes durante o seu desenvolvimento, como pode ser visto na imagem à esquerda que mostra a mandíbula superior de um peixe marinho, do Alasca. Já os animais de água doce, em claro contraste, continuam a adicionar novos dentes nas suas mandíbulas à medida que crescem ao longo de todo seu período de vida, conforme a área da placa dentária e a densidade dos dentes vão aumentando.

"Descobrimos que os esgana-gatas de água doce continuam a produzir dentes constantemente e nunca parecem abrandar, ao passo que a forma ancestral deixa de produzir mais dentes", "Embora os biólogos já saibam há muito tempo que os tubarões e alguns peixes substituem continuamente seus dentes, quase nada se sabia até agora sobre a base genética das mudanças evolutivas nos padrões dos dentes." afirma Craig [1].

Os espécime selvagens de um lago canadense (à direita) desenvolveram mais de 140 dentes, quase o dobro do que o peixe selvagem do oceano. (Barra de escala é de 1 milímetro). (Imagem Craig Miller) [1]

Assim, segundo os autores do artigo [2], seus resultados, em conjunto, apoiam um modelo no qual a super-ativação tardia de regiões cis-regulatórias, que agem sobre a expressão da BMP6, estaria por trás deste aumento significativo no número de dentes dos esgana-gatas (bentônicos) [2], de água doce, que pertencem a populações derivadas de populações marinhas. Portanto, como explica Craig Miller [1], um dos autores do artigo, os resultados deste estudo, apresentados na revista PNAS [2], sugerem que este gene tem um papel chave na regeneração de órgãos em vertebrados, tendo implicações em como novas formas corporais podem ser produzidas, ao longo da evolução. O que ocorre por meio de modificações regulatórias deste tipo - isto é, que não precisam envolver alterações da proteína codificada pelo gene em si. Isso mostra que, além da perda de estruturas (como o caso da armadura óssea destes mesmos peixes), este tipo de alterações também são responsáveis pelo ganho de estruturas, como é o caso dos dentes extras [2]. Além disso, como existe uma relação entre número de dentes e certas má formações congênitas (como é o caso da fenda palatina em seres humanos) é possível que um equivalente (homólogo) humano do gene BMP6 possa também estar envolvido nestas condições, o que pode nos fornecer mais pistas sobre nossa própria espécie.

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Referências:

1. Sanders, Robert [Media Relations] 'Counting fish teeth reveals DNA changes behind rapid evolution' UC Berkeley News Center, September 17, 2014

2. Cleves, P. A., Ellis, N. A., Jimenez, M. T., Nunez, S. M., Schluter, D., Kingsley, D. M., Miller, C. T. Evolved tooth gain in sticklebacks is associated with a cis-regulatory allele of Bmp6. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2014; DOI: 10.1073/pnas.1407567111