Rainhas, besouros e fungos 'degenerados'

Ainda no século XIX, ao escrever seu "Alice no país das maravilhas" (1871) e o menos conhecido "Através do espelho" (1872), Lewis Carroll nem poderia fazer ideia que um de seus personagens emprestaria seu nome a uma hipótese bem conhecida na biologia evolutiva moderna, disciplina que ainda encontrava-se em sua mais tenra infância quando o lógico Charles Lutwidge Dodgson (nome verdadeiro de Carroll) escreveu suas obras.

A Rainha Vermelha (que não é a Rainha de Copas de “Alice no país das maravilhas”, por sinal), de "Através do espelho", empresta seu nome a dois modelos diferentes, mas relacionados, envolvendo a coevolução, inicialmente propostos pelo biólogo evolutivo Leigh Van Valen. O primeiro deles, veio da observação de que as taxas de extinção de vários grupos de invertebrados eram mais ou menos constantes ao longo do tempo, ou seja, não importava a idade da linhagem, já que parecia que sempre ela tinha a mesma possibilidade de se extinguir como se estivesse se originado há muito pouco tempo. Para Van Valen interações que ocorressem entre duas linhagens em coevolução poderiam criar uma situação instável em que, por exemplo, a adaptação de um dos membros do par poderia causar a extinção da outra espécie em interação, desta maneira tornando as probabilidades de tais alterações, razoavelmente independentes da idade das espécies, como ilustrado na figura 2. Seria, mais ou menos, como mirar em um alvo em constante movimento e que atirasse de volta em você.

Além deste modelo, entretanto, existe outro fenômeno coevolutivo mais local que também recebe o mesmo nome, mas, desta vez, este envolve relações entre sistemas em coevolução como parasita-hospedeiro e sua relação com a evolução da reprodução sexuada, produzindo uma dinâmica oscilante antagonistica que também é capturada pelo dito da Rainha Vermelha, como veremos a seguir e como é ilustrado pela simulação abaixo, da figura 1, mas que não têm relação direta com a problemática da da probabilidade de extinção.

Por incrível que pareça ainda não temos uma explicação robusta para a reprodução sexuada, sendo esta ainda uma questão em aberto na biologia evolutiva. Entender a evolução e a manutenção, ao longo do tempo, da reprodução sexuada e da recombinação meiótica é uma tarefa complicada, pois estes processos decompõe genótipos bem sucedidos, o que trás custos reprodutivos óbvios já que apenas metade do material genético de cada individuo estará presente em cada prole, mas mesmo assim a recombinação é muito comum e filogeneticamente generalizada, deve ter evoluído em condições muito específicas em um determinado regime de seleção.

Atualmente, a ideia com maior aceitação entre os biólogos evolutivos para explicar, pelo menos, a manutenção da reprodução sexuada, é a Hipótese da Rainha Vermelha que prediz uma vantagem para os hospedeiros capazes de recombinação que estão coevoluindo com seus parasitas. Além de evidências angariadas em populações naturais que são consistentes com este modelo, mas recentemente estudos com coevolução experimental vêm também reforçando esta hipótese. Desta vez pesquisadores da escócia, Alemanha e Suíça testaram algumas previsões da hipótese da Rainha vermelha por meio da coevolução experimental de besouros vermelhos da farinha, Tribolium castaneum, e seu parasita microsporídio, Nosema whitei. O time multinacional de cientistas relataram seus achados no periódico BMC Evolutionary Biology mês passado.

A Hipótese da Rainha Vermelha assume que hospedeiros e parasitas estão em um contínuo e oscilante processo coevolutivo antagônico, durante o qual a população de parasitas adapta-se continuamente aos genótipos mais comuns da população hospedeira, o que cria automaticamente uma vantagem aos genótipos raros do hospedeiro que passam a desfrutar de um favorecimento seletivo, aumentando, assim, em frequência e, por fim, tornando-se mais comuns. Mas como a população de parasitas continua adaptando-se aos genótipos mais comuns, mas que eram anteriormente raros, o ciclo se repete dando origem a esta dinâmica oscilatória que é capturado pelo conselho da personagem da Rainha Vermelha de Lewis Carroll à Alice: “É preciso correr tudo o que vc puder, para manter-se no mesmo lugar.”. O mesmo conselho básico como já aludido vale também para outras formas de interações coevolutivas como as corridas armamentistas coevolutivas entre predadores e presas e pode ser genericamente colocado da seguinte forma:

“Para um sistema evolutivo, é necessário o desenvolvimento contínuo apenas para manter sua aptidão em relação aos sistemas, com os quais co-evolui.”. [veja aqui].

Como discutido em outro elegante estudo, descrito aqui no evolucionismo envolvendo alelos do sistema MHC no artigo "Por que genes imunitários que nos prejudicam persistem?", de acordo com a hipótese da rainha vermelha, os genótipos de resistência mais raros devem ter sempre uma vantagem seletiva, quando sob seleção negativa dependente da frequência, o que fará com que os genótipos da população de hospedeiros oscilem ao longo do tempo, fazendo também como que a população mantenha sua diversidade genética. Em organismos sexuados, genótipos raros são continuamente criados por recombinação meiótica, quer através de cruzamentos ou da segregação cromossômica. Como explicam os autores do estudo do BMC Evo Biol, "por que os tipos recombinantes raros possuem uma vantagem seletiva, a recombinação deve conduzir a um aumento na aptidão média da descendência dos hospedeiros", assim, acabando por "favorecer a propagação de um modificador (ligado) da recombinação na população". Na realidade, as coisas parecem ser um pouco mais complicadas, como mostram as análises teóricas. Todavia, a expectativa essencial da Hipótese da Rainha Vermelha de que a recombinação deva ser seletivamente favorecida durante a coevolução antagonística entre hospedeiro e parasita não é alterada, mesmo por estas complicações adicionais.

Além dos resultados de modelos matemático apoiarem, de maneira geral, esta hipótese (apesar de duvidas sobre as condições em que ela deveria ocorrer persistirem), vários estudos empíricos têm testado alguns dos principais pressupostos e previsões da Rainha Vermelha tanto por experimentação como por observações de populações naturais para avaliar se estas são compatíveis com a hipótese. Contudo, a evolução e a manutenção da taxa de recombinação é raramente investigada de maneira direta, com os testes voltados para determinar, por exemplo, em que circunstâncias reprodução sexual é favorecida sobre a reprodução assexuada, sem que se avalie como o parasitismo pode alterar a taxa de recombinação em uma população de hospedeiros que se reproduz sexuadamente, ainda que vários estudos indiquem uma associação do parasitismo com variação genotípica dentro de uma população de organismos hospedeiros.

Apenas um estudo que traz evidências experimentais diretas em favor de uma mudança na taxa de recombinação compatível com a Hipótese da Rainha Vermelha em espécies de com cruzamento não-consanguíneos (exogâmicos) obrigatórios. Esse trabalho foi conduzido por um dos autores do atual artigo, usando também a espécie de besouro castanho Tribolium castaneum (um Tenebrionideo) como hospedeiro e Nosema whitei como parasita, mas, infelizmente, não foi confirmado por um estudo posterior de acompanhamento, ainda que verificações post-hoc sugerirem que a variação genética existente nos hospedeiros provavelmente era demasiado pequena para sustentar uma resposta adaptativa.

Os experimentos foram executados a partir de oito linhagens de besouros, cada uma resultante da combinação única de duas populações estoque distintas, em um total sete populações estoque usadas ao todo. Isso foi feito a partir do cruzamento de cinquenta fêmeas virgens de uma das linhagens estoque com cinquenta machos virgens de outra linhagem estoque, com os cruzamentos recíprocos, sendo feitos com números iguais.

A prole resultante foi reunida para servir como a geração inicial da linhagem experimental, sendo que cada linhagem de besouros foi dividida em dois grupos, correspondentes aos que seriam infectados, portanto que coevoluiriam com o parasita, e os que não seriam infectados, utilizados como grupo controle, com todas as oito linhagem sendo representadas em ambos grupos. As análises foram feitas de forma pareada a partir de comparações entre os grupos controle e que coevoluíam, sempre oriundos da mesma linhagem original, consequentemente, cada dado par tinha o mesmo background genético. Os indivíduos dos grupos em coevolução foram submetidos à seleção pelo parasita N. Whitei, um microsporídio [1] transmitido de forma direta e, até onde, sabemos, que se reproduz assexuadamente, enquanto as mesmas linhagens correspondentes aos grupos controle foram sempre tratadas de maneira idêntica, exceto ao fato de serem mantidas em um meio livre de parasitas.

Para a infecção inicial foi utilizada uma mistura de oito diferentes isolados N. Whitei, de modo a assegurar variação suficiente genética na população parasita, cujos esporos foram misturada no meio padrão, em uma concentração de 2 x 10 ⁴ esporos por grama de meio, da primeira geração de besouros dos grupos que seriam submetidos a coevolução. Então, a cada geração 500 besouros não-sexados da geração anterior eram utilizados como reprodutores para iniciar a geração seguinte de hospedeiros, assim como, a cada geração, as larvas mortas abrigando os esporos de N. whitei eram coletadas e utilizadas na criação de um pó de N. Whitei - através da sua moagem e peneiração, feito para cada linhagem experimental separadamente – que rra utilizado para infectar a próxima geração de cada linhagem de besouro nos grupos em coevolução. Isso permitia que cada linhagem fosse infectada com a sua própria combinação única de esporos de N. whitei derivados de larvas de besouros mortos da geração anterior. Assim, ao selecionar parasitas que foram capazes de infectar e matar seus hospedeiros, e hospedeiros que foram capazes de sobreviver à geração anterior, certificava-se que ambos os parceiros que estavam em coevolução estavam exercendo pressões seletivas antagônicas uns sobre os outros.

A frequência de recombinação dos besouros foi da seguinte maneira: Dez machos de cada linhagem de ambos os grupos foram coletados ainda na fase de pupa e, após emergirem dessas pupas e se tornarem reprodutivamente maduros, foram cruzados com fêmeas virgens provenientes de uma estirpe marcadora independente (cepa LG1). Seis (das oito) linhagens experimentais foram escolhidas com base no sucesso desses cruzamentos, e oito machos por linhagem - dos dez que foram cruzados com as fêmeas LG1 - foram selecionados tanto dos grupos controle como dos em coevolução. Estes besouros, por sua vez, foram avaliados para heterozigosidade de 11 microsatélites [2] usados como marcadores moleculares, distribuídos ao longo de quatro grupos de ligação, como pode ser observado na tabela I.

Com base na medida direta da recombinação nos indivíduos sob seleção por parasitas e em insights obtidos da análise das alterações genotípicas e fenotípicas que ocorreram durante o experimento de coevolução, os pesquisadores puderam reconstruir a dinâmica coevolutiva associada a esse aumento na frequência de recombinação após 11 gerações. Estes resultados, portanto, fornece evidência  experimental direta para um aumento na frequência de recombinação sob coevolução hospedeiro-parasita em uma espécie de cruzamento exogâmicos obrigatórios. Embora explicações alternativas possam ser elencadas, em função de experimentos anteriores desenvolvidos pelos próprios pesquisadores, dos cuidados tomados neste estudo - e dos resultados de experimentos e estudos de outros grupos -, estas outras hipóteses, na realidade, não parecem explicar tão bem os dados, tornando a hipótese de coevolução por seleção antagonística entre parasita e hospedeiro a mais bem amparada pelas evidências, ainda que outros fatores possam também contribuir com o processo de aumento da frequência de recombinação.

Entre os pontos fundamentais que apoiam esta conclusão estão o fato das linhagens que coevoluiriam terem mantdo maior diversidade genética do que as linhagens utilizadas como controles, além de não ter sido detectada qualquer evidência de alguma vantagem dos heterozigotos ou de uma resposta plástica da recombinação à infecção. Esses resultados somam-se a resultados de estudos anteriores reforçando a hipótese da Rainha Vermelha como a melhor explicação para estas e outras observações.

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Nota [1] Os Microsporídios são eucariontes microbianos que não possuem mitocôndrias formados exclusivamente por de parasitas intracelulares obrigatórios de outros eucariontes, com uma de suas principais carcaterísticas o modo único de infecção, em que entra no seu hospedeiro através de um tubo projéctil que é expelido em alta velocidade. Sendo conhecidos por infectarem uma diversa coelção de organismos que vão de protistas aos vertebrados, incluindo seres humanos, passando por vários invertebrados. A simplicidade aparente desses eucariontes tanto em termos de organelas como em termos genômicos, os fizeram serem colocados durante muito tempo entre os protistas, considerados por tanto uma forma primitiva de eucariontes unicellares. Contudo, agora sabemos, que este não é o caso. Ao invés disso, análises filogenéticas moleculares fizeram os sistematas reconhecerem que estes organismos não são "primitivos", mas sim um grupo de fungos altamente derivados que sofreram redução seletiva substancial em todos os níveis de sua biologia. Porém, a natureza deste processo de derivação ainda é debatidas já que é muito difícil de se determinar se este grupo é derivado de uma linhagem específica de fungos ou se o termo microsporidia na verdade abrigaria vários fungos diferentes que teriam perdido, mas de forma independente, várias de suas características ancestrais ao adotarem o modo de vida parasitário intracelular obrigatório, sendo produtos de convergência. Estudos mais modernos apotam, contudo, para a possibilidade que os microsporídios sejam sim são fungos descendentes de um ancestral zygomycete sexuado.

Literatura Recomendada:

• Mathis A. Microsporidia: emerging advances in understanding the basic biology of these unique organisms. Int J Parasitol. 2000 Jun;30(7):795-804. Review. PubMed PMID: 10899524.

• Bigliardi E, Sacchi L. Cell biology and invasion of the microsporidia. Microbes Infect. 2001 Apr;3(5):373-9. Review. PubMed PMID: 11369274.

• Corradi N, Slamovits CH. The intriguing nature of microsporidian genomes. Brief Funct Genomics. 2011 May;10(3):115-24. doi: 10.1093/bfgp/elq032. Epub 2010 Dec 21. Review. PubMed PMID: 21177329.

• Lee SC, Corradi N, Byrnes EJ 3rd, Torres-Martinez S, Dietrich FS, Keeling PJ, Heitman J. Microsporidia evolved from ancestral sexual fungi. Curr Biol. 2008 Nov 11;18(21):1675-9. Epub 2008 Oct 30. PubMed PMID: 18976912; PubMed Central PMCID: PMC2654606.

Nota[2] Microsatélites são sequências curtas polimórficas, isto é que podem variar entre indivíduos e linhagens de uma dada espécie - que se repetem em tandem, com cada núcleo de repetição sendo formado por poucas bases, cerca de 2 a 9 - e que, por isso, podem ser utilizadas como marcadores genéticos para diferenciar sublinhagens e indivíduos diferentes. São utilizados de maneira análoga aos marcadores genéticos tradicionais que eram geralmente alelos de um dado locus ou padrões de marcação (bandas) cromossômica herdáveis empregados como sondas no rastreamento de indivíduos e seus genótipos, com a vantagem que como a maioria dos marcadores moleculares atuais não são alelos/genes podem ter sua dinâmica de segregação e evolução melhor modelada por abordagens estocásticas, especialmente quando seu impacto sobre a aptidão é neutro.

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Referências:

• Kerstes, N., Bérénos, C., Schmid-Hempel, P., & Wegner, K. (2012). Antagonistic experimental coevolution with a parasite increases host recombination frequency BMC Evolutionary Biology, 12 (1) DOI: 10.1186/1471-2148-12-18 [link]
  

Literatura Recomendada:

• Carroll, Lewis Alice: Edição Comentada Aventuras de Alice no País das Maravilhas e Através do Espelho [Tradução: Maria Luiza X. de A. Borges; Ilustrações originais: John Tenniel; Introdução e notas: Martin Gardner] 1ª edição: Rio de Janeiro: Jorge Zahar Editor, 2002 , 328 pp

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