Perdendo para ganhar?

Mais de 30 anos já se passaram desde que Mary-Claire King e Allan Wilson propuseram que a maioria das diferenças genéticas entre seres humanos e chimpanzés deveriam estar não nos genes em si, mas na forma que eles são expressos e regulados. A conclusão dos rascunhos do projeto genoma humano e do chimpanzé e a posse das informações de tantos outros genomas de mamíferos (e outros vertebrados) nos coloca em uma situação privilegiada para testar esta engenhosa hipótese. Nas últimas décadas vários pesquisadores, mais notadamente Sean Carroll e Greg Wray, vem batendo na tecla que mutações nas sequências cis-regulatórias, aquelas em que fatores de transcrição protéicos ligam-se - ajudando a modular a expressão dos genes ligados as sequências em questão - são o locus por excelência das grandes mudanças morfológicas que ocorreram durante a evolução dos organismos. Alguns cientistas, entretanto, tem defendido um posicionamento um pouco mais cauteloso, como Jerry Coyne e H. E. Hoekstra, alertando para a prematuridade de se jogar para um segundo plano as mudanças em regiões codificantes de genes, especialmente os fatores de transcrição, receptores de membrana e nucleares e outras proteínas ligadas a transdução de sinal intra-celular [sobre isso veja mais no evolucionismo.org].

As primeiras comparações entre os genomas dos chimpanzés e dos seres humanos acharam algumas diferenças em regiões codificantes, algumas delas, inclusive, exibindo marcas de evolução rápida em nossa linhagem, mas não na dos chimpanzés, possivelmente mediada por seleção natural positiva [1]. O mais celebrado desses exemplos é o famoso gene FOXP-2 - um gene de uma proteína que age como fator de transcrição, cuja variedade mutante existente em algumas famílias humanas produz um problema na aquisição da fala [2]. Este mesmo gene, em sua variedade não-patológica quando comparado ao de outras espécies contém outras alterações que evidenciam também um padrão de mudança rápida em nossa linhagem, um dos indicadores de evolução por seleção natural.

Outro caso bem comentado é o de genes associados a microcefalia - em que os pacientes afetados podem ter uma redução de até 70% do volume cerebral - como os genes MCPH1, CDK5RAP2 e CENPJ, mas especialmente ASPM ("Abnormal spindle-like microcephaly-associated protein", Proteina semelhante ao fuso associada a microcefalia) para o qual também existem evidências de vários eventos de rápida mudança ao longo da história das linhagens de primatas, especialmente na nossa [veja essas respostas do formspring sobre o assunto, form_1 e form_2].

Porém, um resultado não muito divulgado é que mais genes parecem ter evoluído por seleção natural positiva na linhagem dos chimpanzés do que na nossa. Ao investigar quase 14000 genes Bakewell e colaboradores, revelaram que o número de genes positivamente selecionados é significantemente menor em nossa linhagem quando comparado a dos chimpanzés. A equipe achou 233 genes do chimpanzé que teriam sido alvo da seleção natural positiva, em contraste com apenas 154 em nós seres humanos, desde que os chimpanzés e os humanos divergiram de seu ancestral comum cerca de 6 milhões de anos atrás. Apesar disso, uma alta proporção de mudanças ditas não-sinônimas, ou seja, mudanças na sequência de nucleotídeos que alteram aminoácidos na proteína codificada por um dado gene, puderam também ser detectadas em nossa linhagem. Mas isso pode ser melhor explicado por um gargalo populacional que se acometeu sobre nossa espécie, e a conseqüente diminuição da eficiência da seleção natural[3] e acumulo de mutações ligeiramente deletérias[4]. Este estudo valeu-se da então recente publicação de um rascunho do genoma de outro primata , o macaco Rhesu (Macaca mullata) o que permitiu avaliar melhor alterações linhagem-específicas, além de contar com melhores informações sobre a qualidade das sequências disponíveis e métodos estatísticos de identificação de seleção mais rigorosos.

Estudos adicionais feitos por outros grupos revelaram outras áreas que mostram sinais de aceleração em nossa linhagem, as chamadas HAR (Human Accelerated Regions), identificadas em estudos mais recentes. Muitas dessas mudanças entretanto, ocorreram em regiões não-codificantes mas que eram relativamente conservadas em outras linhagens. Uma dessas regiões, a região HAR1, é constituída de 118 pares de bases próximas ao telômero do braço q do cromossomo humano 20. Ao comparar-se a HAR1 humana com a porção equivalente de outros animais, os cientistas puderam perceber que antes de nós, seres humanos, entrarmos na história, a evolução desta pequena região caminhava a passos bem lentos. Por exemplo, esta mesma porção nos genomas de galinhas e chimpanzés, duas linhagens que divergiram centenas de milhões de anos atrás, diferenciam-se em apenas duas bases. Porém, quando olhamos para o genoma humano, 18 diferenças podem ser encontradas em relação aos nossos parentes mais próximos, os chimpanzés, de quem nos separamos a meros 6 milhões de anos. O fato da HAR1 ter ficado essencialmente congelada no tempo através de centenas de milhões de anos - indicando que cumpre um papel muito importante – e ao mesmo tempo tantas diferenças podem ser achadas em seres humanos sugere que esta função foi significativamente modificada em nossa linhagem.

A possível relevância desta região está no fato de que ali encontram-se sobrepostos dois genes HAR1F e HAR1R, um dos quais HAR1F expressa não proteínas, mas RNAs regulatórios, os chamados microRNAs. Um desses RNAs é co-expresso no embrião (da 7a. a 19a. semana) juntamente com a proteína reelina em um tipo particular de célula (Cajal-Retzius) que, por sua vez, está associada a corticogênese (desenvolvimento do córtex cerebral). Essas células servem como arcabouço temporário para eventos de migração celular ajudando no desenvolvimento do tecido cortical, sendo muito importantes na formação das seis camadas corticais típicas de nossos cérebros. Acredita-se, portanto, que os RNAs regulatórios derivados do gene HAR1F ajudem a regular a proteína reelina e assim a controlar esse processo.

Infelizmente nem tudo é muito claro e direto. O problema é que estes RNAs (assim como outros genes) também são expressos nos ovários e testículos, tecidos cujos genes também sofreram rápida evolução em nossa linhagem desde que divergimos dos chimpanzés. As relações com a comportamento e inteligência, portanto, são ainda especulações, mas se constituem, sem dúvida, em possibilidades que valem a pena ser bem investigadas. Muitas outras diferenças já detectadas (que supostamente teriam evoluído sobre a ação da seleção natural) são muito mais provavelmente devidas a evolução da resposta a infecção e do sistema imune de forma mais ampla, algo fundamental no processo de sobrevivências das populações.

A HAR2 é uma outra dessas regiões que também mostra marcas de rápida evolução em nossa linhagem, abrangendo porções regulatórias de um outro gene, mas neste caso aparentemente não relacionado com nosso desenvolvimento neural. Este outro caso é bastante sugestivo e torna certas interpretações quase que irresistíveis. Alguns pesquisadores foram capazes de mostrar que algumas diferenças específicas que ocorrem apenas na versão humana da HAR2 induzem a expressão do gene associado a esta região no pulso e no polegar durante o desenvolvimento fetal, algo que não ocorre em outros primatas. É quase que impossível não pensar que esta sequência em particular guarda parte dos segredos da evolução da destreza manual que foi tão importante na fabricação de utensílios e na utilização de ferramentas complexas. Contudo, isso ainda precisa ser melhor investigado antes que conclusões mais robustas possam ser tiradas.

Mas as diferenças relevantes e que talvez possam explicar o que nos faz humanos, podem ser ainda mais sutis, contrariando algumas intuições mais simplistas sobre a complexidade humana. Exemplos recentes, como os provenientes do estudo de várias espécies e populações de peixes esgana-gatos, mostram que mutações que “estragam” certas regiões regulatórias e que, por isso, impedem a expressão dos genes em algumas regiões podem ser responsáveis por grandes alterações nos padrões das armaduras de espinhos que algumas dessas linhagens adquiriram durante a evolução em determinados contextos ecológicos.

Para compreender o que nos torna humanos precisamos deixar alguns esteriótipos para trás. Dois exemplos são ilustrativos. O primeiro, como já comentado, é que nossos genes deveriam ter sofrido muito mais seleção natural ao longo de nossa evolução do que as demais linhagens de grandes primatas. O segundo, talvez um contra-intuitivo, é que as mudanças em nossa linhagem deveriam sempre envolver a aquisição de novos e rebuscados genes.

Ao nos apercebermos que evoluir nem sempre significa melhora e muito menos a continua aquisição de complexidade, fica mais fácil de encarar outros cenários. O tipo de mudanças ilustradas por algumas das espécies de esgana-gatos nos ajudam a compreender como outras possibilidades podem também ter ocorrido durante nossa evolução. A perda de genes e estruturas pode possibilitar a aquisição de novas ou expansão de outras. Às vezes simplesmente “menos é mais” e o “mais” raramente têm qualquer sentido absoluto. Muitas vezes precisamos perder para ganhar, reduzir certas formas de complexidade para evoluir outras.

Um novo estudo busca as bases moleculares das diferenças de muitos aspectos da anatomia, fisiologia e comportamento entre nós, seres humanos, e os outros animais. A semelhança do estudos sobre a região HAR, neste trabalho, os pesquisadores identificaram eventos moleculares que seriam capazes de produzir mudanças regulatórias significativas nos seres humanos, mas no caso de forma análoga aos esgana-gatos, procuram em nossa espécies a eliminação completa de sequências que, de outra maneira, são altamente conservadas em outras espécies, como nos chimpanzés e outros mamíferos.

Maclean e vários colaboradores investigaram deleções específicas de nossa espécie em escala genômica global. Tais deleções foram identificadas através de regiões nos genomas dos chimpanzés que podiam ser claramente mapeadas no genoma de Macaca, ou seja, em que poderiam ser identificados ortólogos^** precisos, mas que não pudessem ser mapeadas mais precisamente a qualquer sequência presente em nossa espécie. Essas sequências foram então contrastadas com sequências altamente conservadas em chimpanzés que estariam sobre forte influência de seleção purificadora, ou seja, cuja perda acarreta grandes prejuízos na sobrevivência e no sucesso reprodutivo dos indivíduos. A partir daí obtiveram-se os hCONDELs que são as deleções de sequências em nossa espécie, mas que são altamente conservadas em outros primatas.

Os investigadores tomaram vários cuidados metodológicos adicionais, tornando improvável que esses CONDELs fossem consequência apenas um subproduto de outro fenômeno, como pelo simples fato de se encontrarem em regiões com altas taxas de mutações, os chamados “hotspots”, uma possibilidade que tem sido discutida em relação a outras sequências que mostram evolução acelerada em nossa linhagem.

Apenas uma das sequência validadas dentre os hCONDELs (os CONDELS humanos) interferia diretamente com regiões codificadoras de uma proteína, as demais sequências mapeavam em regiões não codificantes, 355 delas inter-genéticas e 154 delas presentes dentro de introns, ou seja, nos elementos intra-gênicos que não estão envolvidos na especificação dos aminoácidos de uma proteína. Muitas dessas deleções correspondem a elementos regulatórios que controlam em outras linhagens a expressão de genes em sua vizinhança.

Talvez o mais interessante é que das sequências que puderam ser validadas, 88% delas também estavam ausentes no genoma dos Neandertais, em acordo com o fato da separação de nossa linhagem dos Neandertais ser muito mais recente do que a separação de nossa linhagem comum da linhagem dos chimpanzés.

O estudo foi capaz de confirmar 510 perdas em nossa linhagem quase exclusivamente restritas a regiões não codificantes e especialmente abundantes nas vizinhanças de genes envolvidos na sinalização endócrina por hormônios esteróides e na função neural. Uma dessas exclusões, por exemplo, é a de um amplificador/reforçador (“enhancer”^*) associado ao gene do receptor androgênico (AR) humano que em outros animais em que está presente controla a formação de uma vibrissa sensorial e espinhos (de epiderme queratinizada) penianos. Outra dessas deleções remove um outro elemento amplificador próximo ao gene supressor tumoral de parada do crescimento induzível por dano ao DNA gama (GADD45G), cuja perda em nós humanos correlaciona-se com a expansão de algumas regiões cerebrais. Cortes histológicos de embriões transgênicos mostram que as seqüências do chimpanzé e do camundongo induzem a expressão do gene repórter lacZ em regiões cerebrais específicas, como a zona subventricular do septo (SVZ), a área pré-óptica, além de regiões do tálamo e do hipotálamo ventral. A expressão deste gene repórter corresponde a um subdomínio específico de expressão do gene GADD45G que normalmente é expresso na SVZ e no diencéfalo. A área pré-óptica gera interneurônios inibitórios que migram para o telencéfalo ventral e para o neocórtex. Já o domínio do tálamo ventral corresponde a uma região que produz interneurônios inibitórios, um tipo específico de célula nervosa que segundo os autores aumentou notadamente em proporção no talamo humano.

Estes resultados sugerem uma base molecular plausível para o crescimento na produção de um tipo bem específico de células nervosas através de mudança de expressão de um gene de supressão tumoral.

Esses dois exemplos mostram como a perda de sequências “amplificadoras” específicas que controlam a expressão gênica em determinados tecidos biológicos em nossa linhagem pode estar ligada tanto a perda como ao ganho de certas características distintivamente humanas.

Os autores são cuidadosos ao afirmar que com base nesses dados não é possível excluir a possibilidade de que a perda dessas sequências tenha se dado como consequência do afrouxamento da seleção natural seguindo outras mudanças genéticas associadas a outras alterações anatômicas. Contudo, a partir dos resultados experimentais e do conhecimento do papel delas na formação de vibrissas e espinha peniana (AR) e no controle da proliferação celular tecido-específico (GADD45G), é bem provável que as deleções nestes elementos amplificadores/reforçadores tenham contribuído tanto para a perda como o ganho desses padrões fenotípicos específicos humanos.

O conjunto completo de hCONDELs pode trazer ainda mais surpresas, revelando mais loci associados a outras características humanas específicas, algo que precisará ser investigado por novos estudos funcionais dessas mesmas seqüências conservadas não-codificantes que surpreendentemente estão ausentes de nosso genoma.

Livrar-se de certa visão mais simplista sobre a evolução pode nos ajudar muito e trazer, quem sabe, um pouco mais de humildade a nossa espécie.

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*Seqüência de DNA na qual ligam-se proteínas reguladoras de genes, que influenciam a taxa de transcrição de um gene estrutural, que podem ser muitos milhares de pares de bases de distância do gene regulado.

**Ortólogos e Parólogos são os dois principais tipos de homólogos investigados em estudos de sequências de biomoléculas. Enquanto os ortólogos originam-se pela simples separação entre linhagens, então são basicamente o mesmo gene mais nas versões espécies diferentes. Já os parólogos têm sua origem através da duplicação das sequências de DNA. Por causa desses processos uma sequência em uma espécie pode ser homóloga a uma ou a várias sequências em outra espécie e a outras sequências de seu próprio genoma. Este fenômenos pode ser um pouco difícil de estudar por que ao longo da evolução sequências (inclusive genes) podem ser tanto ganhas como perdidas. Em geral o mapeamento por sintenia das sequências alinhadas é usado para identificar a correspondência na ordem dessas sequências nas espécies em comparação. Fenômenos como a translocação e a TLG (transferência lateral de genes) através de vírus e ação de elementos genéticos móveis podem adicionar complicações extras, por exemplo, gerando “xenólogos” ou genes quiméricos com domínios originados de genes diferentes.

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Notas:

[1] Como grande parte das mutações genéticas aleatórias não trazem nem malefícios nem benefícios aos organismos, elas acabam por acumular-se em uma taxa relativamente constante (steady state) que reflete o tempo desde a separação das linhagens, funcionando como o “tick”de um relógio molecular. Aceleração na taxa de mudança em determinadas porções dos genomas, em contraste com outras, é uma das marcas da seleção natural positiva, o processo em que as mutações que ajudam na sobrevivência e reprodução dos organismos são passadas mais frequentemente adiante às futuras gerações. Assim, as partes do genoma que passaram por mais mudanças desde a separação de nossa linhagem das dos chimpanzés são provavelmente as sequências que "deram forma" a espécie humana. Como se faz isso?

Primeiro, os pesquisadores analisaram cada nucleotídeo (uma das 4 “letras” que forma o DNA: ATCG) em que os genes humanos ou chimpanzés em busca de diferenças daquilo que seria previsto do nosso ancestral, como inferido a partir de comparações dos genes correspondentes em Macaca. Eles observaram então se estas diferenças resultaram em proteínas alteradas. Lembre-se o código genético é redundante e muitas torcas de letras na terceira posição dos códons (as unidades “lidas” pelo ribossomos e que correspondem aos aminoácidos a serem polimerizados em sequência, além de avisos de início e parada de leitura do RNA mensageiro). Os atuais métodos de detecção do efeito da seleção natural em genes estipulam que os genes que sofreram seleção natural mostram uma proporção anormalmente elevada de mutações desse tipo, não silenciosas, ou seja, que levam a alterações nas sequências protéicas. , em relação as silenciosas, isto é, aquelas que não alteram a sequência protéica.

[2] Indivíduos heterozigotos para a versão mutada do gene FOXP2 têm dificuldades em executar movimentos complexos sequências da boca subjacente (dispraxia verbal desenvolvimental) discurso e tem prejudicada tanto a linguagem receptiva quanto expressiva, ao passo que outros aspectos de cognição e desenvolvimento são relativamente poupadas, ainda que haja um pouco mais de discussão sobre esse tópico.

[3]Por causa do efeito destes gargalos demográficos (em função de extinção de populações locais e recolonização por outras populações) o tamanho efetivo das populações humanas durante boa parte de sua evolução deve ter sido substancialmente reduzido. De acordo com a moderna genética de populações isso resulta em uma redução da eficácia da seleção negativa em purgar mutações ligeiramente deletérias. Essas seriam facilmente removidas em populações maiores já que pequenas diferenças de aptidão reprodutiva seriam mais do que suficientes para suplantar os efeitos da deriva genética aleatória, processo intrínseco à loteria reprodutiva e de sobrevivência que afeta cada geração, desviando do que seria esperado.

Entretanto, esta mesma constatação nos leva a uma possibilidade bastante interessante, defendida por pesquisadores como John Hawks. Assim como durante muitos milhares de gerações a população efetiva humana deve ter permanecido bastante pequena, nos últimos séculos e especialmente nas últimas décadas dado a explosão demográfica humana a seleção deve ter se tornado muito mais forte, pelo menos em várias populações humanas; mesmo que em muitos países desenvolvidos e regiões mais prósperas tenha havido um certo desacoplamento entre o sucesso reprodutivo dos indivíduos de uma gama de condições que poderiam interferir com a mortalidade precoce ou viabilidade dos indivíduos.

[4] Como discutido em outras ocasiões, aqui mesmo no evolucionismo (veja 'O preço da complexidade' e 'Além da seleção Natural...'), a redução da eficiência da seleção natural negativa como resultado da diminuição das populações efetivas pode ter consequências construtivas e inovadoras, sobretudo quando mais tarde passam a trazer diferenças na aptidão dos indivíduos. A menor eficiência da seleção natural ao permitir o acumulo de mutações ligeiramente deletérias também possibilita o acumulo de “embelezamentos” e outras “complicações estruturais” que em um primeiro momento seriam quase que certamente purgadas pela seleção natural caso as populações efetivas fossem suficientemente grandes. Porém, em pequenas populações esses “embelezamentos” poderiam se acumular, criariam uma situação em que mutações adicionais e compensatórios pudessem aparecer reduzindo os custos reprodutivos iniciais, eventualmente conferindo vantagens subsequentes que poderiam, assim, ser alvo de seleção natural positiva, ao aumentar o sucesso reprodutivo de seus portadores.

Artigos sobre o assunto apareceram na internet [aqui e aqui, para dois exemplos] e algumas partes já foram discutidas por mim no formspring evolucionismo.

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Referências:

• Bakewell, M., Shi, P., & Zhang, J. (2007). More genes underwent positive selection in chimpanzee evolution than in human evolution Proceedings of the National Academy of Sciences, 104 (18), 7489-7494 DOI: 10.1073/pnas.0701705104

• Carroll SB. Genetics and the making of Homo sapiens. Nature. 2003 Apr 24;422(6934):849-57. Review. PubMed PMID: 12712196

• Carroll SB, Prud'homme B, Gompel N. Regulating evolution. Sci Am. 2008 May;298(5):60-7. PubMed PMID: 18444326.

• Enard W, Przeworski M, Fisher SE, Lai CS, Wiebe V, Kitano T, Monaco AP, Pääbo S. Molecular evolution of FOXP2, a gene involved in speech and language. Nature. 2002 Aug 22;418(6900):869-72. Epub 2002 Aug 14. PubMed PMID: 12192408.

• Fisher SE, Scharff C. FOXP2 as a molecular window into speech and language. Trends Genet. 2009 Apr;25(4):166-77. Epub 2009 Mar 21. Review. PubMed PMID: 19304338.

• Hawks, J., Wang, E., Cochran, G., Harpending, H., & Moyzis, R. (2007). Recent acceleration of human adaptive evolution Proceedings of the National Academy of Sciences, 104 (52), 20753-20758 DOI: 10.1073/pnas.0707650104

• King, M.C. and Wilson, A.C. (1975) Evolution at two levels in humans and chimpanzees. Science Vol.188, pp.107-116 (see also commentary Science Vol.189, pp.446-447).

• McLean CY, Reno PL, Pollen AA, Bassan AI, Capellini TD, Guenther C, Indjeian VB, Lim X, Menke DB, Schaar BT, Wenger AM, Bejerano G, & Kingsley DM (2011). Human-specific loss of regulatory DNA and the evolution of human-specific traits. Nature, 471 (7337), 216-9 PMID: 21390129

• Pollard KS. What makes us human? Sci Am. 2009 May;300(5):44-9. PubMed PMID: 19438048

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Créditos das figuras:

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