Evolução da visão tricromática em primatas

Algumas das mais belas histórias tem sido reveladas pela investigação científica. Algumas tão ou mais empolgantes que os maiores mitos, contos e epopéias criadas pelos seres humanos. Nas ultimas 3 décadas, uma dessas histórias vem sendo esmiuçada, através de uma combinação de estratégias analíticas, inferenciais e experimentais que ilustram muito bem como as explicações em biologia evolutiva funcionam e como são testadas as hipóteses desta área.
 
Neste post entramos em contato com uma parte da história da evolução da visão em cores nos primatas do novo e, especialmente, do velho mundo, como os chimpanzé, gorilas, orangotangos e, nós, seres humanos. Essa é, portanto, também parte de nossa história e começa há muitos e muitos anos. Algo em torno de 100 milhões de anos, para ser mais específico, antes da separação do supercontinente de gonduana, na aurora da evolução dos primatas.

A idéia deste artigo originou-se de uma das perguntas do formspring evolucionismo que me levou a encontrar uma das mais bem construídas e ilustrativas palestras sobre evolução que já vi, apresentada por Jeremy Nathans, um dos protagonistas do estudo da evolução das cores em primatas. Este mesmo tema foi também assunto de um artigo da revista Scientific American que o próprio Nathans co-escreveu com o neurocientista Gerald H. Jacobs e que é usado como base deste post.
 
Essa aventura biológica serve também como lembrete da importância que o acaso e a contingência histórica tem no processo evolutivo, ao mesmo tempo ressaltando o papel especial da flexibilidade inerente aos sistemas biológicos - cuja plasticidade neural é uma das principais manifestações desta propriedade - no aproveitamento do acaso e da contingência.
 
A visão é uma das modalidades sensoriais mais fascinantes e, provavelmente, com a qual temos mais familiaridade.  Talvez seja mesmo a que defina nossa perspectiva particular como entes conscientes. Somos animais visuais.

A primeira lição é que esse exuberante mundo cromático- que a maioria de nós toma como certo - que nos é possibilitado por nossa capacidade de distinção tricromática, na realidade, depende de três fotopigmentos retinianos [que são expressos em células chamadas 'cones' que junto com os bastonetes formam a superfície fotossensível de nossa retina] e dos circuitos neurais a eles associados.

A maioria das pessoas que possuem visão relativamente normal talvez tenham dificuldade em imaginar o que é ver o mundo mais esmaecido - ou mesmo completamente ausente de cor - que uma parte da população humana experiencia, as pessoas que apresentam uma condição chamada de daltonismo. O termo em inglês 'color-blind' (cego à cor) parece capturar melhor o extremo desta condição, mais rara, já que são realmente poucos os indivíduos realmente completamente cegos à cor. A maioria dos indivíduos daltônicos têm problemas em distinguir certas cores de outras, como o vermelho do verde, e vivem em um mundo mais esmaecido.

Existem muitas mutações que podem levar um individuo a ser daltônico e geralmente acometem mais aos homens do que as mulheres, algo que ocorre por um simples motivo: Dois dos genes responsáveis por nossa sensibilidade espectral, exatamente aqueles associados a detecção dos comprimentos de onda visíveis mais longos da luz, localizam-se no cromossomo X e, nós, homens só possuímos um desses cromossomos. A localização contígua desses dois genes também gera toda sorte de problemas de recombinação e boa parte disso pode ser trilhado às origens evolutivas do sistema de visão tricromática dos primatas. Muitos dados clínicos especialmente de pacientes com formas de daltonismo causadas por diferentes mutações e mesmo de pessoas normais com combinações quiméricas de genes dos fotopigmentos acabaram sendo de grande ajuda na elucidação deste complicado quebra-cabeças evolutivo. Evidenciando como a pesquisa clínica (aplicada) e a evolutiva (básica) se entrelaçam na prática e fertilizam-se mutuamente.

Cada um desses três fotopigmentos absorve parte do espectro de luz visível, sendo ativados de forma ótima por um comprimento específico diferente que o caracteriza: Curto (S, Short)  com pico em 430 nm; Médio (M, Medium) com pico em 530 nm e Longo (L, Long), com pico em 560 nm.

Esses pigmentos, conhecidos como rodopsinas, são, de fato, grandes proteínas transmembrana complexadas como uma molécula de retinol, composto derivado da vitamina A, ligada a um resíduo do aminoácido lisina. As rodopsinas fazem parte de uma bem conhecida e muito estudada classe de receptores de membrana, os chamados receptores acoplados a proteína G. Um tipo de receptor metabotrópico com sete domínios transmembrana. A forma de ação convencional desta família de receptores envolve a ativação da proteína por um ligante (em geral uma pequena molécula hidrossolúvel) que ao ligar-se desencadeia alterações na conformação da proteína que, por sua vez, provocam alterações na proteína G acoplada a ela, produzindo assim uma cascata de eventos bioquímicos intracelulares que, por exemplo, podem interferir com a permeabilidade iônica da membrana. Tudo isso pode ser visto na ilustração abaixo. A grande diferença é que, no caso das rodopsinas, o agente modulador é a luz de uma faixa de comprimentos de onda específicos cujo pico de maior estimulação do receptor corresponde aos comprimentos de onda antes descritos (S, M, L). O retinol funciona com o grande coringa do processo de fotorrecepção, agindo como o cromóforo das reações fotoquímicas que desencadeiam as alterações bioquímicas e celulares por trás dessa etapa inicial da visão em cores.         

Muitos mamíferos possuem apenas dois desses fotopigmentos em suas células fotorreceptoras específicas, S e M. Outros animais, como insetos que também possuem visão tricromática, podem incluir fotopigmentos sensíveis ao Ultra Violeta (UV); e alguns vertebrados, como aves e certos peixes, possuem até mais receptores, configurando sistemas de visão tetracromáticos. 

Outro aspecto bastante interessante sobre a visão em cores é que, enquanto os genes para as rodopsinas L e M estão localizados no cromossomo X, como já descrito, o gene do pigmento S fica localizado no cromossomo 7 e tem uma origem filogenética independente ainda mais antiga, estando presente em vários vertebrados.

Do ponto de vista adaptativo, a habilidade de diferenciar uma gama maior de cores pode ter sido de grande valia para os indivíduos no passado, como ainda é hoje em dia. Podemos conjecturar algumas dos contextos ecológicos e comportamentais que ajudaram a definir as pressões seletivas por trás da evolução da tricromia e, até, podemos testar a plausibilidade de algumas desses cenários (veja, por exemplo, Dominy e Lucas, 2001). A habilidade de diferenciar entre frutos maduros e verdes - ou folhas e brotos verdes da(o)s seco(a)s- é, certamente, um dos tipos de vantagens mais prováveis, sendo seguido da capacidade de identificação de animais com 'displays' de cor para veneno; e da detecção de sinais de maturidade sexual em primatas.

O trabalho de Nathans se iniciou nos anos 80 com o seqüenciamento das diferentes rodopsinas com sensibilidade ótima a cada um dos três picos de comprimento de onda. O primeiro resultado interessante de seus estudos é a incrível semelhança, em termos de identidade e similaridade dos resíduos de aminoácidos (como pode ser visualizada no alinhamento a seguir), entre as proteínas fotorreceptoras L e M, com cerca de quase 90% de similaridade. [Essa semelhança é corroborada pelas próprias curvas espectrais dos pigmentos L e M que são muito próximas, como mostra a figura acima.]

Em seguida, como fato interessante e já mencionado, temos a própria localização dos dois loci, quase que contíguos, no cromossomo X. Este arranjo sugere que ambos genes são parólogos, ou seja, homólogos originados por duplicação de um gene ancestral. A duplicação gênica é um fenômeno bem conhecido, sendo considerada um dos mecanismos mais importantes para origem de novos genes.

A duplicação pode ocorrer, entre outras causas, por erros de pareamento durante a divisão celular que podem levar ao chamado crossing over desigual [Veja mais informações sobre este e outros processos de origem de novos genes aqui e aqui]. A hipótese mais natural, portanto, é que em algum momento há dezenas de milhões de anos, após a duplicação de um gene ancestral de rodopsina sensível a comprimentos de onda mais longos, um período de divergência se seguiu quando uma ou as duas cópias passaram a acumular mutações e, então, divergiram funcionalmente. Teria sido durante esse processo de divergência que as novas propriedades teriam surgido, através daquilo que se convencionou chamar de neo-funcionalização. No entanto, apesar de muito atrativo, esse modelo, talvez, não seja o mais indicado para explicar o que, de fato, aconteceu, o que faz a história da visão tricromática em primatas ainda mais interessante.

Os detalhes desta história nos são revelados ao analisarmos comparativamente a visão tricromática dos primatas do novo mundo e investigarmos como ela difere da nossa - ou seja, da dos primatas do velho mundo. Antes, contudo, resta outro problema. Ainda não parece claro como mutações, na verdade bem poucas mutações, poderiam reajustar a sensibilidade do novo fotopigmento.

De fato, a resolução deste problema é muito mais simples do que muitos poderiam imaginar a principio, pois o cromóforo (a molécula de retinol) continua sendo o mesmo em todos os casos. O que muda é apenas o ambiente físico-químico a sua volta e que, obviamente, dependente das cadeias laterais dos aminoácidos - e de seu arranjo tridimensional particular - que envolvem o cromóforo quando a cadeia polipeptídica se enovela formando a estrutura tridimensional funcional da proteína [Para maiores detalhes clique na figura ao lado]. Este ambiente eletrônico simplesmente pode fazer com que os diferentes isômeros resultantes da reação de fotoisomerização (a conversão de trans-retinol <-> 11-cis-Retinol) sejam mais ou menos estáveis, deslocando o pico de absorção ótima em que esta reação fotoquímica ocorre. Para tanto foram necessárias apenas três substituições nos 364 aminoácidos que compõem essas rodopsinas, o que permitiu este reajuste e que, por si só, tem importantes implicações filogenéticas. Porém, não se encerra por aí, voltando a se complicar, ficando bem mais emocionante. A questão é que a tricromia em macacos do novo e velho mundo é bastante diferente, ainda que os pigmentos envolvidos sejam muito semelhantes.

A localização cromossômica e o arranjo genômico dos genes desses pigmentos é muito reveladora. Através dela podemos tentar reconstruir o arranjo presente no nosso ancestral comum e inferir o que pode ter acontecido a partir daí.

A visão tricromática está presente em apenas uma fração dos primatas do novo mundo. De fato, esta característica ocorre apenas em uma porção das fêmeas já que os machos são sempre dicromatas. Os dois tipos de receptores L e M  (além do gene para a rodopsina S localizado em outro cromossomo) já estão presentes, mas não como genes parólogos, arranjados próximos um do outro em um mesmo cromossomo, mas sim como alelos diferentes de um mesmo locus. Por exemplo, em macacos-de-cheiro, encontramos três variantes de rodopsinas sensíveis a comprimentos de ondas maiores, um deles muito semelhante ao pigmento M, outra muito semelhante ao pigmento L e uma outra com sensibilidade intermediária entre ambas. Isso quer dizer que apenas as fêmeas, que possuem os dois cromossomos X e que são heterozigotas para esse locus - possuindo pelo menos uma cópia do alelo equivalente ao L e uma do equivalente ao M - é que possuem a visão tricromática.
Esta situação indica um interessante desvio no modelo de duplicação seguido de divergência. Neste caso, a divergência teria ocorrido primeiro com o aparecimento de um alelo (ou dois novos) que só mais tarde, na linhagem dos grandes símios, deve ter sido translocado, através de um erro de recombinação, para um dos cromossomos X transformando-se em um novo locus.

O fato que levou os pesquisadores a terem bastante confiança nesse cenário é que as mutações, em macacos do novo mundo, que permitem os diferentes alelos serem sensíveis aos diferentes picos de comprimento de onda são as mesmas - envolvendo as mesmas substituições de aminoácidos - envolvidos na visão tricromática de primatas do velho mundo. Com sabemos pela análise da visão policromática em outros animais e pela análise espectrográfica das diversas rodopsinas, outras mutações poderiam gerar os mesmos desvios espectrais (i.e. A mesma sensibilidade à comprimentos mais longos, M e L), portanto, a hipótese da origem comum é a mais parcimoniosa e, desta forma, preferível. Portanto, como a marca da história está ainda nas seqüencias desses genes, este fato nos permite concluir com muito mais confiança pelo modelo de divergência alélica seguida de translocação de um dos alelos para o cromossomo do outro.

A história, no entanto, também não acaba por aqui, pois ainda precisamos saber como a expressão desses fotopigmentos é controlada na retina e como dois pigmentos não são expressos simultaneamente e daí compreendermos como este processo pode ter evoluído. Isso é muito importante para o funcionamento adequado da visão tricromática por que, para a diferenciação dos estímulos cromáticos, é preciso que se compare a ativação de uma dada célula fotorreceptora com as da vizinhança que expressem pigmentos diferentes, caso contrário o sistema não é capaz de diferenciar a ativação de um mesmo fotopigmento por 100 fótons incidentes, no seu comprimento de onda otimamente absorvível, de 1000 fótons de um comprimento de onda diferente.

Talvez o que haja de mais excitante neste parte da história é que, aqui, a estocasticidade adquire uma importância enorme; e um outro fenômeno que tem sido cada vez mais considerado, a epigenética, passa a ter uma maior relevância, particularmente, o que os cientistas chamam de compensação de dose do cromossomo X.
   
Apesar disso ser, provavelmente, bem conhecido de todos, não é demais lembrar: Os homens são o sexo heterogamético e o cromossomo Y é apenas parcialmente homólogo ao seu par X, o que faz com que as mulheres tenham uma sobra de cópias de certos genes, referentes aqueles genes sem homólogos nos homens. Esses alelos, portanto, precisam ser desligados, em um processo chamado de compensação de dose. Este processo envolve a condensação (heterocromotinização) de um dos cromossomos X, tornando cada mulher um mosaico cromossômico já que porções teciduais diferentes podem ter cromossomos X diferentes (o paterno ou o materno) silenciados. Assim, no caso de loci heterozigotos, é possível que, em alguns trechos, um alelo esteja expresso e em outros o outro. É exatamente isso que parece ocorrer na retina das fêmeas tricromatas do macacos do novo mundo. As retinas dessas espécies parecem ser compostas de patches aleatórios de expressão que alternam o alelo 'L' e 'M' expressos em células fotorreceptoras individuais. Este padrão estocástico vem a calhar e garante um distribuição dos cones com ambos os fotopigmentos, fornecendo, de graça, uma base primordial para a organização das vias neurais ligadas ao processamento das cores.
   
Porém, esse mecanismo não explica como a regulação da expressão se dá em macacos do velho mundo em que ambos genes estão presentes no mesmo cromossomo, um bem próximo ao outro.

Análises lavadas a cabo pelo grupo de Nathans, das regiões adjacentes aos loci L e M, mostram que ambos genes parecem ser controlados por uma região cis-regulatória à montante (seqüencia acima), região de controle de Locus (LCR, “Locus Control Region”); e que apenas um dos loci é ativado por vez, possivelmente, também de forma aleatória. Talvez isso ocorra por que a região LCR só consiga interagir com o promotor (a seqüencia de controle de expressão imediatamente anterior a região codificadora do gene) de um dos dois genes de cada vez, quem sabe, através da formação de complicados loops da fita de DNA para a formação de complexos de transcrição estáveis que geram padrões de expressão de fotopigmentos mutuamente exclusivos.
 
Mas o acaso e contingência não param por aí. Ainda mais interessante é o fato que - apesar de existirem sistemas neurais bem específicos de comparação de estímulos dos fotorreceptores de comprimento curto (S) com os de comprimento mais longo (L/M) - a comparação entre estímulos de células com fotopigmentos L e M parece ser bem menos restritiva e plástica, envolvendo a reconfiguração das vias neuronais através da aprendizagem. Mais do que isso, existem indícios que mesmo esses circuitos mais plásticos sejam de fato não exclusivos para a comparação dos estímulos dos fotorreceptores L e M, mas sim co-optados de sistemas de visão espacial de alta-resolução, como os associados a comparação de bordas e limites. O mesmo tipo de sistema de comparação de estímulos entre células subjaz ambos os processos e não parece haver uma separação clara entre este tipo de circuito de visão espacial do de comparação entre estímulos entre células estimuladas por comprimentos maiores de onda (L/M):

"John Mollon, da Universidade de Cambridge aponta que, em primatas a visão espacial de alta resolução é mediada pelos cones sensíveis a comprimento de onda maior e envolve o mesmo tipo de processamento neural que a visão de cores comprimento maior faz, isto é, uma comparação entre a excitação de um cone L ou M, com a excitação média de um grande número de seus vizinhos L e M. Nenhum circuito separado ainda foi encontrado para a visão de cor e comprimento de ondas maiores, e talvez nenhum seja necessário. Nessa visão, a visão de cores tricromática pode ser considerado um hobby do sistema de visão espacial preexistente." [Jacobs GH, Nathans J., 2009]

         Caso isso esteja correto, a simples aquisição de um novo alelo por parte de uma fêmea heterozigota poderia ter sido suficiente para que ela 'entrasse' em um mundo cromático novo. Essa audaciosa hipótese pode ser parcialmente testada a partir da manipulação genética de genes de rodopsinas de comprimentos longos em animais com visão dicromática, como o camundongo, criando assim nova variação alélica e testando a capacidade de diferenciação de estímulos cromáticos em fêmeas portadoras dos dois alelos (equivalente aos loci L e M). Esse experimento foi feito e confirmou essa idéia básica.
 
O grupo de Nathans foi capaz de treinar camundongos fêmeas transgênicas portadoras de ambos os pigmentos M e L para discriminar entre painéis verde, amarelo, laranja e vermelho (com controle para a intensidade de luz para forçar) que, para camundongos normais  pareceriam, exatamente a mesma coisa. Junto com o novo pigmento L, estes animais, aparentemente, adquiriram uma nova dimensão de experiência sensorial. Como sugerem Nathans e Jacobs, aparentemente,  o cérebro dos mamíferos possui uma capacidade latente para extrair informações qualitativamente diferentes a partir de tipos novos de estímulos visuais.  Essa idéia é parcialmente apoiada pelo estudo de novos sistemas de interface cérebro-máquina e de próteses biônicas, especialmente neuro-próteses e pelas idéias de substituição sensorial e equivalência sensório-motora (veja por exemplo aqui).

As implicações desta descoberta são enormes, especialmente no que diz respeito a evolução dos sistemas sensoriais mais complexos de forma geral. Como afirmam Nathans e Jacobs, ela sugere que as alterações no "front end" do sistema - em que os genes para os receptores sensoriais - podem conduzir a evolução de todo o sistema, sendo acomodadas pela flexibilidade dos sistema nervoso. Assim, a plasticidade inerente aos sistemas neuronais e sensoriais complexos de animais consegue dar conta de novas dimensões de experiência sensorial.

Os experimentos com camundongos também sugerem que a primeira primata com dois pigmentos diferentes para comprimentos de onda maiores foi capaz de experienciar um mundo de cores que nenhum outro primata já havia visto antes.  Imaginar que um pequeno animal, uma fêmea heterozigota mutante mais especificamente, talvez a mais de 100 milhões de anos, ao se desenvolver tenha começado a entrar em um mundo novo de cores e que nenhum de seus ancestrais ou parentes tinha experienciado, é algo por si só belo. Esta criatura teve que contar com a plasticidade de seu cérebro e com sua capacidade de aprendizado e acomodação de novos estímulos para poder fazer sentido desta nova realidade.

Essa bela história é contada com muito mais propriedade e em maiores detalhes - inclusive muito com várias informações históricas e clínicas sobre daltonismo e as diversas alterações genéticas por trás desta condição - na palestra abaixo, ministrada pelo próprio Jeremy Nathans:

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Referência:

Jacobs, G., & Nathans, J. (2009). The Evolution of Primate Color Vision Scientific American, 300 (4), 56-63 DOI: 10.1038/scientificamerican0409-56

Referências Adicionais:

Auvray, M., & Myin, E. (2009). Perception with compensatory devices. From sensory substitution to sensorimotor extension. Cognitive Science, 33, 1036-1058.

Dominy NJ, & Lucas PW (2001). Ecological importance of trichromatic vision to primates. Nature, 410 (6826), 363-6 PMID: 11268211

Jacobs, G., Williams, G., Cahill, H., & Nathans, J. (2007). Emergence of Novel Color Vision in Mice Engineered to Express a Human Cone Photopigment Science, 315 (5819), 1723-1725 DOI: 10.1126/science.1138838

Jacobs GH, Neitz M, Deegan JF, Neitz J. Trichromatic colour vision in New World monkeys. Nature. 1996 Jul 11;382(6587):156-8. PubMed PMID: 8700203.
Jacobs GH. Evolution of colour vision in mammals. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci. 2009 Oct 12;364(1531):2957-67. Review. PubMed PMID: 19720656; PubMed Central PMCID: PMC2781854.

Lucas PW, Dominy NJ, Riba-Hernandez P, Stoner KE, Yamashita N, Loría-Calderón E, Petersen-Pereira W, Rojas-Durán Y, Salas-Pena R, Solis-Madrigal S, Osorio D, Darvell BW. Evolution and function of routine trichromatic vision in primates.Evolution. 2003 Nov;57(11):2636-43. PubMed PMID: 14686538.
Smallwood PM, Wang Y, Nathans J. Role of a locus control region in the mutually exclusive expression of human red and green cone pigment genes. Proc Natl Acad Sci U S A. 2002 Jan 22;99(2):1008-11. Epub 2002 Jan 2. PubMed PMID: 11773636; PubMed Central PMCID: PMC117421.

Créditos das figuras:

Jacobs GH, Nathans J. Sci Am. 2009 Apr;300(4):56-63.
NUCLEUS MEDICAL ART, VISUALS UNLIMITED /SCIENCE PHOTO LIBRARY
DR. FRED HOSSLER, VISUALS UNLIMITED /SCIENCE PHOTO LIBRARY
PATRICK LANDMANN / SCIENCE PHOTO LIBRARY
COLIN CUTHBERT / SCIENCE PHOTO LIBRARY
P. SOLE, ISM / SCIENCE PHOTO LIBRARY
DR MORLEY READ / SCIENCE PHOTO LIBRARY
BSIP VEM / SCIENCE PHOTO LIBRARY
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Phototransduction.png
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:11-cis-Retinol.svg

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Monkeysdistributionmap.gif

Alinhamentos feitos utilizando-se o Clustal W [Thompson, J.D., Higgins, D.G. and Gibson, T.J. (1994) CLUSTAL W: improving the sensitivity of progressive multiple sequence alignment through sequence weighting, position specific gap penalties and weight matrix choice. Nucleic Acids Research, 22 4673-4680] implementado através do Jalview 2.4 [ Clamp, M., Cuff, J., Searle, S. M. and Barton, G. J. (2004), "The Jalview Java Alignment Editor", Bioinformatics, 20, 426-7.]