Qual será o futuro genético da humanidade?

Michael Lynch, pesquisador da universidade de Indiana, tem uma impressionante lista de publicações, além de trabalhar com algumas das questões mais interessantes da genética de populações e da biologia evolutiva como um todo. O campo que ele, e outros, estão construindo, possibilitado pelo recente acúmulo seuências de genomas de diversos organismo e da análise comparativa destes, pode ser chamada de genômica evolutiva.
Em sua página, na Universidade de Indiana, encontram-se alguns dos tópicos de pesquisa de seu grupo. Entre eles estão o estudo da evolução da complexidade genômica, desenvolvimento de metodologias para análise de dados genômicos em larga escala, estudo dos efeitos da recombinação na evolução e, finalmente, ainvestigação do papel das mutações na evolução. Em suas pesquisas uma incrível montanha de dados dos genomas de diversos organismos modelos (além das análises de experimentos com milhares de gerações do micro-crustáceo Daphnia e unicelulares eucariontes) é submetida a um intenso tratamento matemático, que utiliza-se das ferramentas da moderna genética de populações. Tanto é assim que o mote do laboratório de Lynch é uma paráfase, devidamente modificada, do adágio de Dobzhanski, “nothing in evolution makes sense except in the light of population genetics.”
Lynch tem defendido, através de muitos estudos publicados nos mais respeitados periódicos acadêmicos, que a complexificação do genoma dos eucariontes, principalmente o de multicelulares, é conseqüência
indireta da redução do tamanho efetivo das populações e enfraquecimento (limitação da eficácia) da seleção natural negativa sobre mutações deletérias. Assim a manutenção e o aparecimento de
muitos “embelezamentos genômicos” (termo adotado pelo próprio Lynch) são resultados do efeito da deriva genética, associada a outros mecanismos estocásticos, além de certas tendencosidades ou 'viéses' de mutação. Estes "embelezamentos", então, puderam ser secundariamente co-optados adaptativamente e, só a partir daí, esculpidos pela seleção natural. Porém, assim como as mutações e forças estocásticas podem ser a chave para a evoluçãomolecular e fenotípica, elas, em sua grande maioria deletérias, impõem custos populacionais e podem, inclusive, contribuirpara o risco de extinção de certas espécies, especialmente quando
a seleção negativa, seja devido a estruturação populacional ou a organização desenvolvimental e reprodutiva de uma linhagem, torna-se menos eficiente.
Em um artigo publicado em janeiro deste ano, no PNAS, Lynch usa estimativas das taxas de mutação somáticas e germinativas e analisa o espectro mutacional (a distribuição dos efeitos de mutações) e
as conseqüências destas mutações na nossa própria espécie. Sendo estes dados especialmente relevantes para as populações humanas que vivem em países ou regiões desenvolvidos.
Infelizmente ele não trás boas notícias para as nossas próximas gerações. Se os leitores desta resenha ainda tem alguma ilusão de que a evolução é uma marchairrefreável para o 'progresso' e que nós somos algum tipo de ápice evolutivo, espero que reconsiderem estas idéias a luz da genética evolutiva moderna.
A despeito da importância inegável deste tópico, ainda sabemos muito pouco sobre como se distribuem as novas mutações na nossa espécie. Por exemplo, quão frequentemente surgem novas mutações germinativas e somáticas, e em que proporção acometem os diferentes sexos? Qual a incidência das várias formas de mutação? Como este espectro de mutações se compara ao de outras espécies? E o mais importante, quais as conseqüências destas mutações para o bem estar de longo prazo de nossa espécie? Estas perguntas serão muito mais fáceis de responder nas próximas décadas, quando as iniciativas de barateamento e refinamento do
seqüenciamento de genomas inteiros de indivíduos estiverem disponíveis. Entretanto, até lá, podemos usar uma série de técnicas e procedimentos, aplicados ao dados disooníveis dos bancos de mutações pontuais (os
famosos SNPs) em loci associados a doenças monogenéticas dominantes com grandes efeitos fenotípicos característicos. Amostrando genes autossômicos e ligados ao cromossomo X é possível estimar as taxas de novas mutações comparando-se os fenótipos dos pais e filhos, quando lidamos com doenças monogenéticas com efeitos fenotípicos bem claros.
Entre os diversos tipos de mutações aquelas que envolvem substituições de um nucleotídeo por outro são as mais estudadas, dividindo-se em dois grupos principais.
Nonsense ('sem sentido'): Substituições de nucleotídeos que acrescentam um codon de parada precoce, por exemplo, resultando em uma proteína truncada, muitas vezes não funcional.
Missense ('sentido errado'): Substituições de nucleotídeos que provocam a mudança de aminoácidos alterando a seqüência do polipeptídeo codificado pelo gene.
Porém, além delas existem os famosos indels, inserções e deleções, podendo perfazer de 1até centenas de nucleotídeos; e as mutações na interface entre introns e exons, estas últimas típicas de organismos eucariontes, cujos genes são dividos em porções codificadoras, os éxons,e ntrecortadas por regiões não codificadoras, os introns, que são removidas do RNA pré-mensageiro por um complexo ribo-protéico chamado de splisseossoma. Certas regiões dos introns evoluem de forma neutra, porém outras marcam os sítios de splicing e podem, caso mutadas, produzir conseqüências drásticas na formação do transcrito final e no polipeptídeo sintetizado a partir dele. Neste artigo, Michael Lynch oferece e discute vários dados importants sobre a taxa, o espectro e as consequências das mutações em nossa espécie:
1)Estimativa revista da taxa de mutação por sítio de nucleotídeo;
2)Comparação com dados de diversas espécies apontam para uma hipótese geral sobre a composição de bases do genoma que parece valer para boa parte da vida celular;
3)Uma avaliação do custo mutacional de introns demonstra a vulnerabilidade dos genes humanos é função não só da alta taxa de mutação, mas também de aspectos da estrutura dos genes;
4)Levando em consideração a taxa de mutação das linhagens germinativas e somáticas e seus prováveis efeitos, são exploradas as conseqüências de longo prazo para o bem estar genético humano, dando crédito algumas preocupações já anteriormente levantadas.
Metodologia:
Os dados foram obtidos através do banco de dados Online Mendelian Inheritance in Man do NCBI, e de exame detalhado dos artigos sobre os genes em questão. Foram utilizados 21 genes de doenças autossômicas dominantes e 13 ligadas ao cromossomo X. Adicionalmente informações sobre outros 23 genes, associados a doenças autossômicas dominantes, e 5, ligadas ao X, foram utilizadas para ajudar na determinação do espectro de mutações, apesar de não conterem informaçãosufiiente para poderem ser usados para a estimativa da taxa de mutação.
Taxa de mutação de substituição de bases:
As estimativas anteriores baseavam-se apenas em análises de mutações nonsense, reduzindo substancialmente a amostra e tornando-se mais sensível a possibilidade de superestimar a taxa de mutações geral. Isso ocorre por existir um certo viés mutacional na direção dos nucleotídeos A+T. Além disso,
mutações nonsense envolvem apenas códons de parada (TAA, TAG e TGA) que são ricos em ATs, mas não possuem o nucleotídeo C, então, desta
forma, mutações para C não podem ser detectadas nas cadeias codificadoras.

Michael Lynch estimou a taxa de mutações de substituição de nucleotídeos (para genes que passam o mesmo tempo em homens e mulheres, ou seja, controlando para as diferenças em mutações em genes autossômicos e ligados ao X) em 12,85 (±1,95) x 10 -9 substituições por sítio por geração.
Pressão universal de mutação em direção a A+T:
Aqui temos um dado bastante interessante. Em todas as espécies bem caracterizadas, com exceção do nematóide Caeonrhabditis elegans, a razão transição/transversão é muito diferente do valor 0,5 esperado caso as mutações fossem completamente aleatórias, ou seja, equiprováveis. Boa parte destes fatos, podem ser
explicadas pela tendência maior de mutações do tipo transição G:C →A:T; o que também é verdade para os seres humanos. Acontece que ao analisar-se a taxa de mutação condicional, aquela obtida ponderando-se pela
incidência na base inicial, obtém-se uma estimativa da composição de A+T (no equilíbrio esperado se esta dependesse apenas da pressão de mutação) muito superior a composição total de A+T na grande maioria das espécies com espectros de mutação bem caracterizados, mesmo em sítios silenciosos, ou seja, cuja substituição não afeta a seqüência polipeptídica. Este fato sugere que a tendenciosidade nas mutações na direção de A+T são contrabalançadas por seleção favorecendo C+G.

A partir de algumas suposições envolvendo o equilíbrio mutação-deriva-seleção é possível demonstrar que estes desvios observados são uma função de um parâmetro composto, 4Nes, onde Ne é o tamanho efetivo da população e s é o coeficiente de seleção favorecendo os nucleotídeos C+G. As estimativas para 4Nes estão variam de 0.35 a 1.61 através das várias espécies, implicando, segundo Lynch, que a magnitude média do poder da seleção, operando na composição de bases, é da mesma ordem de magnitude em relação a deriva genética em várias espécies. E como Ne diminui, em várias ordens de magnitude, nos multicelulares, assim também diminuindo a eficiência da seleção, este fato tem como corolário que a seleção em favor da composição de bases aumenta proporcionalmente ao poder da deriva genética nos multicelulares. Assim a variação da composição de bases nos diferentes organismos vai depender basicamente da variação dos viéses mutacionais. Porém, além da seleção, outros fatores podem distorcer as espectativas na composição de bases dos diversos genomas, entre elas podemos citar a conversão gênica enviesada na direção de C+G, além da maior estabilidade de C:C em relação a A:T.
Inserções e Deleções:
Pequenas deleções, por volta de 1 à 50 pares de bases (pb), em humanos, parecem ser 3 vezes mais comuns que inserções do mesmo tamanho, com a ocorrência de ambas as alterações decrescendo com a potência de
1,82 do tamanho dos fragmentos. Entre as mutações segregantes em seres humanos deleções são cerca de 2,1 a 4,1 vezes mais comuns do que as inserções, o que é compatível com o viés de 3vezes, assumindo-se
que os dois tipos de alterações são igualmente deletérios.
As estimativas para o número de mutações de 1 a 50 pb nos conjuntos de dados utilizados são 2.585 e 903 para deleções e inserções respectivamente. A figura 1 mostra uma função ajustada para as inserções e deleções na qual ignoram-se mutações com números de nucleotídeos múltiplos de três, já que muitas delas permanecem não detectadas por não alterar a janela de leitura. A taxa deste tipo de mutação ao extrapolar os valores é estimada em 0,58 a 0,20 x 10 -9por sítio por geração, apenas cerca de 6% do total de substituições envolvendo bases únicas.

Custo dos introns:
Aqui as coisas se complicam um pouco mais. Segundo Lynch, é possível estimar os custos de introns em unidades equivalentes de sítios codificantes ao considerar-se a razão dos alvos, RT (isto é o número de introns por genes dividido pelo número de nucleotídeos codificadores por gene) e RM (ou seja, o número de mutações observadas m alelos defeituosos resultando em padrões de splicing alterados divididos pelo número de regiões codificadoraalteradas, definidas no artigo como o total de todas as substituições de bases e todas os indels menores que 50 pb não conhecidos por afetar o splicing). Esta razão RM/RT produz uma estimativa do custo
médio de um intron em um locus em unidades de nucleotídeos codificadores. O custo médio calculado por Lynch, neste artigo, é de cerca de 30,8 equivalentes de pares de bases. Isto quer dizer que a adição de um intron a um gene humano é em média equivalente a adicionar cerca de 31 nucleotídeos a região codificadora deste mesmo gene. Uma estimativa tendendo para baixo, segundo o próprio Lynch, por vários motivos relacionados a estrutura dos próprios introns e das regiões codificadoras nos exons envolvidas no reconhecimento de sítios de splicing. Lynch chama a atenção para outra questão importante, o custo médio
relativo de um intron é função das restrições funcionais associadas ao genes em questão, apesar de em média o número em equivalentes de bases não vá variar muito. Isto é, quanto maior a importância do gene e maior forem suas restrições funcionais associadas a sua seqüência, estes mesmos 31 equivalentes de nucleotídeos podem ser mais ou menos importantes na interrupção do papel funcional do produto deste gene. Entretanto, é possível obter uma estimativa mais direta do custo de um intron, ao assumir-se que todas as mutações associadas com splicing são detectáveis e, após corrigi-las para a detectabilidade da substituições de bases, chega-se a um valor de 0,036 mutações de splicing por substituição de bases em um gene humano médio. Este número, se transferidos para os loci analisados neste trabalho, resulta em uma taxa de mutações
associadas a sítios de splice de cerca de 69,6 x10-9 por intron por geração. Mas o que isso quer dizer? De acordo com Lynch, levando em conta que este número deve estar subestimado, com uma média de 8 introns por regiões de uma proteína, um gene humano típico experienciaria uma elevação de 10 -6 na taxa de mutação (de uma alelo normal para um defeituoso) por geração, comparado com um alelo que não possuísse introns.

Estes resultados parecem indicar que nossa espécie confronta-se com um substancial desafio mutacional:
Uma taxa relativamente alta de mutações por sítio por geração nas linhagens germinativas;
Um inflacionamento adicional da taxa de mutação e produção de alelos defeituosos, devido a certos aspectos estruturais dos genes;
Uma grande bagagem cumulativa de mutações somáticas impostas por um início tardio da maturidade em nossa espécie.
Elevada taxa de mutação por geração:
A elevada taxa de mutação por geração é apenas parcialmente compensada pela (proporcionalmente muito menor) taxa de mutação por divisão celular que, em nós humanos, está em torno de 0,06 x 10 -9 mutações por sítio por divisão celular de células (assumindo-se 216 divisões celulares em média das linhagens germinativas), comparados, com 0,13, 065 e 0,16 x 10 -9, respectivamente em Drosophila melanogaster ( 36 divisões por geração), C. elegans (8,5 divisões por geração) e Arabinopsis thaliana (40 divisões por geração). No entanto, a taxa de mutação de substituições de bases em seres humanos é ainda 2x maior do que a Drosophila (~ 4.65 ×10-9),C. Elegans (5.60 × 10-9), e Arabidopsis (6.50 × 10-9), além de ser substancialmente maior do que a de um eucarionte unicelular como Saccharomyces cerevisiae (~ 0.33 × 10-9) ou a da bactéria Escherichia coli (~ 0.26 × 10-9). Este números são compatíveis com a hipótese de que o poder da seleção natural de minimizar a taxa de mutação é comprometido pelo aumento do poder da deriva associado a diminuição de Ne que ocorre na transição da unicelularidade para a multicelularidade.Inflação nos tamanhos dos alvos mutacionais associados a complexidade estrutural dos genes.
Outra conclusão, que pode ser retirada das estimativas deste estudo, é de que cerca de 15% das mutações causadoras de doenças devem ser originadas de mutações que envolvem splicing. Além disso, usando estimativas conservadoras da etiologia genética de muitas doenças, especialmente cânceres, doenças cardiovasculares e metabólicas, cerca de 8% das mortes humanas são causadas por mutações em sítios de splicing dos cerca de 150 000 introns distribuídos pelo genoma humano.
O custo cumulativo das mutações somáticas:
Um ponto bastante interessante do estudo de Lynch é sua análise do acumulo de mutações somáticas em seres multicelulares de longa duração como nós. Mesmo que sejam as mutações nas linhagens germinativas que tenha a real importância a longo prazo, as mutações somáticas também podem contribuir negativamente ao agirem como fatores ambientais aumentando a mortalidade e diminuindo a reprodução. As estimativas da taxa de mutações somáticas são bastante mais grosseiras do que as para as mutações nas linhagens germinativas, mas mesmo assim revelam um quadro bastante drástico. Por exemplo mesmo em uma idade de 15 anos o número de mutações esperadas,em uma célula somática média, por sítio estaria em torno de 10 -6 a 10 -7 por nucleotídeo codificador, cerca de uma ordem magnitude maior do que o esperado para as linhagens germinativas. Tecidos com alta taxa de proliferação, como o epitélio intestinal, na mesma idade, podem alojar de 4000 à 40000 mutações. Passando um pouco dos 60 anos de idade o epitélio intestinal já teria alcançado cerca de 10 -9 mutações independentes.
Conseqüências de longo prazo das mutações nas linhagens germinativas:
Lynch é bem claro ao lembrar que o requerimento padrão para a manutenção da saúde de uma espécie é que a diminuição da aptidão média de uma espécie, provocada pelo aporte de mutações deletérias a cada geração, seja compensada pela retirada destas mesmas mutações através da seleção natural. Desta forma, caso a eficiência da seleção natural seja enfraquecida ou mesmo eliminada, a viabilidade e fecundidade normal pode ser mantida por cuidados paliativos e melhoramento ambiental, como os associados a melhores cuidados médicos e alimentação. Porém, este é um a padrão insustentável a longo prazo, já que acúmulo de mutações
deletérias teria que ser acompanhado proporcionalmente pelo aunebto do investimento em produtos farmacêuticos, novas estratégias terapêuticas e outras formas de cuidados. Este tipo de preocupação é antiga, sendo primeiro articulada nos trabalhos de H. J. Miller, ainda na década de 50, mas só mais recentemente, é que parece ter ganho credibilidade quantitativa.
Lynch estima que cada novo recém nascido adquire um total de 50 a 100 novas mutações, sendo que uma fração destas são deletérias. Baseado em análises de outros autores, Lynch calcula que 0,86 destas novas mutações provocariam alterarações nos aminoácidos codificados por genes destes recém nascido, com 5% destas mutações envolvendo alterações nonsense e 95 % missense. Assim, usando as estimativas das alterações em s, calculadas por outros autores, o declínio de aptidão esperada para mutações em regiões codificadoras estaria entre 1 a 3% por geração, caso o poder da seleção fosse completamente relaxado. Levando em conta outros fatores e tipos de mutação, muito mais difícil de estimar, este número poderia estar entre 2 e 10% de declínio na aptidão média por geração para todos os tipos de mutações deletérias. Este cenário poderia ser ainda piorado caso as condições ambientais fossem modificadas, por exemplo ao se aumentar a concertação de agentes genotóxicos por ação humana, o que elevaria a taxa total de mutações.
O mais assustador é que, de acordo com o artigo de Lynch, esta diminuição na aptidão seria quase imperceptível por geração, mas causaria grandes problemas ao longo dos próximos séculos e milênios.
Lynch termina este artigo com o seguinte parágrafo:
“Assim, as observações anteriores pintam um quadro bastante austero. Pelo menos nas sociedades altamente industrializadas, os efeitos deletérios da mutações se acumulam numa escala de tempo que éaproximadamente a mesma para os cenários associados ao aquecimento global - talvez não s ndo motivo de grande preocupação em uma ou duas gerações, mas com conseqüências muito importantes em escalas temporais de dezenas de gerações. Sem uma redução na transmissão de mutações deletérias das linhagens germinativas, os fenótipos médios dos habitantes das nações industrializadas serão provavelmente bastante diferentes em apenas dois ou três séculos, com significativa incapacitação nos níveis morfológicos, fisiológicos e neurobiológicos. Ironicamente, o futuro genético da humanidade podem residir principalmente nos pools gênicos dos segmentos menos industrializados. Possíveis soluções para este problema, incluindo ar das sociedades. Possíveis soluções para este problema, incluindo o armazenamento criogênico multigeracional e utilização de gametas e/ou embriões, irão aumentar significativamente os conflitos éticos entre considerações de curto prazo e as longo prazo.”
As estimativas de Lynch, para o decréscimo em aptidão por geração, podem ser um tanto exageradas. Porém, mesmo se este fato for verdadeiro, isso só atrasaria a questão. Talvez dando-nos um pouco mais de tempo. Em breve teremos estimativas muito mais precisas, quando estiverem disponíveis as novas estratégias de seqüenciamento (e re-seqüenciamento) de genomas inteiros individuais a baixo custo. Só então poderemos chegar a uma conclusão mais minuciosa sobre o futuro genético de nossa espécie. Entretanto, até lá, seria interessante já começarmos a nos preocupar com esta questão, não nos esquecendo jamais que somos apenas mais uma espécie que pode se extinguir como qualquer outra. Porém, a nossa inventividade e tecnologia, que em parte intensificou este quadro de possível “declínio” genético, pode nos ajudar a superá-lo. Afinal esta constante busca por soluções também parece ser parte da nossa natureza.
Referências:
Lynch, M. (2010). Inaugural Article: Rate, molecular spectrum, and consequences of human mutation Proceedings of the National Academy of Sciences, 107 (3), 961-968 DOI: 10.1073/pnas.0912629107
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