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A genética da embriogênese dos diferentes Filos animais

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Figura 1: Conservação gênica e comparações intra-Filo e inter-Filo do desenvolvimento embrionário.

O Reino Animalia (Metazoa) é constituído por 38 grupos monofiléticos (Filos) segundo o último livro do respeitado taxonomista Claus Nielsen (Animal Evolution, Oxford). O número de Filos e suas relações filogenéticas são motivo de bastante discussão na literatura científica com dados morfológicos e moleculares sendo, muitas vezes, divergentes entre si.

Quando um professor no ensino médio entra na sala  de aula e introduz os Filos como por exemplo, Porifera, Cnidaria, Placozoa dentre outros, uma questão sempre vem a mente dos alunos. O que caracteriza um Filo? Livros e publicações tradicionais definem Filos como grupos de organismos que possuem a organização corporal comum, assim, organismos que possuem organização corporal distinta devem estar agrupados em Filos diferentes.

Nos últimos anos, diversos estudos de análise de expressão global ao longo do desenvolvimento (transcriptomas) em organismos-modelo como a mosca-da-fruta (Drosophila) e peixe-zebra (“zebrafish”) demonstraram que genes mais antigos na evolução dos animais são expressos no chamado estágio filotípico, em inglês “phylotypic stage” quando comparações são feitas dentro do mesmo Filo (Domazet-Lošo, T. & Tautz, D. A phylogenetically based transcriptome age index mirrors ontogenetic divergence patterns. Nature 468, 815–818 (2010). ).  Logo, segundo este e outros estudos, os genes mais antigos na evolução dos animais, incluindo os fatores de transcrição da família HOX, seriam expressos no estágio filotípico, isto é, o estágio em que os animais de um mesmo Filo se pareceriam bastante morfologicamente.

Na edição de Março da revista Nature, Levin et al., 2016 realizaram uma abordagem diferente. Ao invés de compararem a expressão de genes (transcriptomas) de organismos de um mesmo Filo, Drosophila nos artrópodes, ou peixe-zebra nos vertebrados, Levin et al., realizaram uma comparação da expressão global dos genes (transcriptomas) entre organismos de 10 diferentes Filos dos animais incluindo Porifera, Cnidaria, Nematoda, durante a embriogênese. Ao contrário dos resultados obtidos com comparações dentro dos Filos, em comparações de expressão entre Filos foi observada grande variação dos genes expressos durante o estágio intermediário, o estágio Filotípico. Na comparação entre Filos, os genes expressos no início e no final do desenvolvimento seriam conservados  (Figura 1).

O artigo com maiores informações pode ser obtido abaixo:

Levin, et al., 2016 Nature, 531, 7596. The mid-developmental transition and the evolution of animal body plans

 

 

 

 

 

Como formar dois embriões em único ovo ?

axis-duplicationA embriogênese dos animais pode ser dividida em duas estratégias conhecidas como desenvolvimento embrionário determinado e regulativo. Estas duas formas de desenvolvimento embrionário foram propostas a cerca de 100 anos atrás por dois discípulos do famoso cientista alemão Enrst Haeckel, Hans Driesch e Wilhelm Roux. Roux e Driesch foram dois dos grandes precursores da embriologia experimental atual. Os estudos desses dois pesquisadores com manipulação de embriões de sapo e ouriço-do-mar demonstraram, de formas diferentes, que ovos de animais podem ter comportamentos diferentes quando submetidos a agentes estressantes como mudanças de temperatura, agentes causadores de mutações (radiação ultravioleta-UV), ou fragmentação por processos mecânicos.
Experimentos como estes nas décadas subsequentes demonstraram que ovos da mosca-da-fruta, um inseto, tem o desenvolvimento do tipo determinado, isto é, quando uma região destes ovos é submetida à radiação UV, esta região é perdida e o embrião não consegue “recuperar” essa parte perdida. Nem todo ovo de inseto possui desenvolvimento determinado, como mostrou o embriologista alemão Klaus Sander entre 1950-70. Sander colocou ovos do hemiptera Eucelis numa pequena gilhotina e dividiu cada ovo em metades que permaneciam conectadas pela camada envoltória, chamada de córion. Sander observou que, em várias situações, eram formados dois embriões menores, porém completos um em cada metade (Figura abaixo).
Ao contrário do desenvolvimento determinado observado em Drosophila, o ovo de hemiptera demonstrou desenvolvimento regulatório, isto é na perda de uma parte do embrião, as demais células foram capazes de se regular, gerando novas partes e assim formaram um embrião inteiro.
A grande questão seria como estes dois embriões são gerados numa situação em que teoricamente deveria haver um só ? Em recente artigo na revista eLIFE Sachs et al., 2015 demonstraram que duas vias de sinalização bem conhecidas, a via de Toll e a via de BMP (Figura) são fundamentais para explicar como esse fenômeno acontece. O que Lachs et al descobriram é que neste hemiptera, um “primo” próximo do vetor da doença de chagas Rhodnius prolixus que estudamos no laboratório, a via de sinalização de BMP é essencial para induzir a formação de todo o eixo que padroniza a parte ventral (barriga) e dorsal (costas) deste inseto, e que a via de Toll tem papel pequeno e transitório neste processo. Utilizando diversos resultados experimentais, e um modelo teórico elaborado Lachs et al., conseguiram explicar, pelo menos em teoria, como um embrião regulativo se comporta e como dois embriões são formados nas condições estabelecidas por Sander na década de 70.
Vale a leitura!

Dynamic BMP signaling polarized by Toll patterns the dorsoventral axis in a hemimetabolous insect
Lena Sachs,1,† Yen-Ta Chen,1,† Axel Drechsler,1,2 Jeremy A Lynch,1,3 Kristen A Panfilio,1 Michael Lässig,4 Johannes Berg,4 and Siegfried Roth1,*

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4423117/

Evo-Devo meeting no Pará: fazendo uma ciência sem fronteiras

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De 6 a 8 de abril pesquisadores brasileiros e internacionais de Evo-Devo se reuniram no Centro de Genômica e Biologia de Sistemas da Universidade Federal do Pará, Belém para um encontro envolvendo alunos de graduação e pós-graduação do Programa de Pós-Graduação em Genética e Biologia Molecular (PPGBM-UFPA) e do Programa de Pós-Graduação em Neurociências e Biologia Celular (UFPA).

O Encontro científico de altíssima qualidade só foi possível devido a exemplar organização de Igor e Patricia Schneider (UFPA). O meeting contou com a participação de dois excelentes convidados estrangeiros no Brasil, a partir de verba do Programa Ciências Sem Fronteiras, Chris Amemiya (University of Washington, Seattle, USA) e John Taylor (University of Victoria, Canada). Estes pesquisadores internacionais com certeza sairão do Brasil com uma excelente impressão das instalações do Centro de Genômica e Biologia de Sistemas, do entusiasmo dos alunos da UFPA com a Evo-Devo, e com excelentes colaborações com pesquisadores nacionais. Esse tipo de iniciativa do Ciências sem Fronteiras deve ser mantido e expandido em particular em áreas novas e pouco difundidas no nosso país como a Evo-Devo.

A diversificada programação do evento encontra-se abaixo e fico muito feliz de ver que a qualidade das palestras dos brasileiros em nada deveu a dos estrangeiros. Podemos colaborar e gerar novos conhecimentos sem abaixar a cabeça, pois nossos trabalhos possuem nível internacional. Este meeting é mais um passo para construir uma comunidade jovem e diversificada de Evo-Devo no Brasil. Temos modelos e perguntas biológicas importantes.

E você que está lendo o post não quer fazer parte dessa comunidade de Evo-Devo no Brasil ?

 

A Teoria da Evolução… revista? – O pensamento evolutivo de volta ao ringue da controvérsia e da disputa científica

Texto escrito por Ivan Dias, Laboratório de Evolução Marinha (LEM/USP)/Laboratório de Biologia Evolutiva do Desenvolvimento (EvoDevo Lab/USP), Instituto de Biociências, Universidade de São Paulo (IB-USP), aluno de Federico Brown, USP.

Estes parecem ser tempos controversos para os biólogos evolutivos. De acordo com um comentário recentemente publicado na renomada Nature, uma revista científica semanal, pesquisadores estão divididos sobre quais processos devem ser considerados fundamentais para a evolução.

A atual Teoria da Evolução foi forjada entre as últimas décadas do século 19, com os importantes trabalhos de Charles Darwin (1859–1872), e os anos 1930 e 1940, quando vários estatísticos e geneticistas combinaram o conceito darwinista de seleção natural com os campos emergentes da genética e, em menor escala, da paleontologia e da sistemática, em um consenso sobre como ocorre a evolução biológica. A chamada “síntese moderna”, ou neodarwinismo, lançou as bases teóricas que permitiram que o processo evolutivo passasse a ser descrito matematicamente, como mudanças nas frequências de variantes genéticas em uma população, ao longo do tempo.

De acordo com essa síntese moderna, novas variações surgem através de mutações genéticas aleatórias, a herança ocorre através do DNA e a seleção natural na luta pela vida torna alguma(s) dessas variações adaptativas mais comuns, por meio da sobrevivência e reprodução diferenciais. A seleção natural é a única causa de adaptação, processo através do qual as espécies se tornam bem adaptadas aos seus ambientes. Esta síntese moderna ainda reconhece a importância de outros processos como a deriva genética – mudanças aleatórias na frequência das variantes genéticas devido à amostragem – e o fluxo gênico entre as populações, responsável pela entrada ou saída de variantes de uma população, via migração, dispersão ou acasalamento.

Alguns pesquisadores, no entanto, argumentam que essa síntese é “genocêntrica” (centrada nos genes) e “não consegue captar toda a gama de processos que direcionam a evolução”. De acordo com esses biólogos, há algumas peças faltantes na atual teoria da evolução, que incluem vários processos importantes, mais recentemente descritos e evidenciados por diferentes áreas das ciências biológicas, como a biologia do desenvolvimento e a ecologia evolutiva.

Dois desses processos evolutivos importantes seriam os viéses de desenvolvimento, que significam que o desenvolvimento físico influencia a geração de variação – processos de desenvolvimento que orientam as formas dos organismos ao longo de vias particulares; e a plasticidade fenotípica, ou como o ambiente molda diretamente as características dos organismos: novas formas, potencialmente funcionais, são induzidas pelo ambiente e posteriormente estabilizadas pela seleção.

Outros processos candidatos à essa atualização, de acordo com esses pesquisadores, são a construção de nicho, ou como os organismos modificam sistematicamente os recursos ambientais de forma que impõem desvios sobre a evolução e o desenvolvimento de seus descendentes, das barragens construídas pelos castores aos solos processados por vermes – e a herança inclusiva, ou como os organismos transmitem mais do que genes através das gerações, podendo herdar uma grande variedade de materiais de seus antepassados, incluindo marcas epigenéticas (alterações químicas que alteram a expressão do DNA, mas não a seqüência de bases subjacente), hormônios, simbiontes, comportamento socialmente transmitido nos animais (conhecimentos e habilidades aprendidas) e legados ecológicos (estruturas e condições ambientais alteradas que os organismos deixam a seus descendentes através da construção de nicho). Essas heranças têm grande influência sobre a fertilidade, a longevidade e a resistência a doenças nos mais diversos táxons.

Outros biólogos evolutivos, embora reconhecendo a sua importância, afirmam que esses quatro processos não precisam de uma atenção tão especial a ponto de merecerem uma revisão da atual teoria da evolução sob o nome de uma “síntese evolutiva estendida”. De acordo com eles, esses processos não são negligenciados pelos biólogos evolutivos e já estão bem integrados à estrutura conceitual da area. Quanto à crítica de que a teoria da evolução atual é “genocêntrica”, os defensores da síntese moderna argumentam que, de fato, os genes são fundamentais, com as mudanças no material hereditário sendo uma parte essencial dos processos de adaptação e especiação. Os processos que os revisores defendem só podem participar na evolução, se houver variação genética associada a eles. Parece que o que ainda importa, afinal, são as diferenças hereditárias das variantes, especialmente as que conferem alguma vantagem seletiva – e, portanto, o argumento central da teoria da evolução de Darwin permanece.

E você, de que lado dessa controvérsia científica você está?

Laland, K. et al. 2014 Does evolutionary theory need a rethink? Nature 514, 161–164.

Pesquisadores Brasileiros marcam presença no Euro Evo-Devo Vienna

 

euroevodevoFoi realizado entre 21 e 25 de julho de 2014 a quinta-edição do Encontro da Sociedade Européia de Biologia Evolutiva do Desenvolvimento (Euro Evo-Devo) um meeting vibrante e com um imenso número de modelos e perguntas que fascinam biologistas evolutivos do desenvolvimento do mundo inteiro incluindo um grupo de brasileiros. Com 600 participantes pode-se dizer que 1% do congresso foi composto por brasileiros, pois  eram literalmente seis dos quais três estão representados na foto abaixo, eu Rodrigo Nunes da Fonseca do Núcleo em Ecologia e Desenvolvimento Sócio-Ambiental de Macaé (NUPEM) da Universidade Federal do Rio de Janeiro, a Profa. Tiana Kohlsdorf da Faculdade de Filosofia, Ciências e Letras de Ribeirão Preto, USP-Ribeirão Preto e a pós-doutora Juliana Roscito do Max Planck Institute of Molecular Cell Biology and Genetics (Foto).

Quais as principais novidades no mundo da Evo-Devo que o congresso demonstrou e que deve ser divulgada para novos estudantes e outros pesquisadores do país ? Aqui eu destaco três elementos que com certeza estão e estarão revolucionando o mundo da Evo-Devo.

O primeiro e mais abrangente é o grande número de estudos envolvendo sequenciamento de DNA em larga escala, ou seja a obtenção de muitas sequencias de DNA de um organismo, a um preço acessível. Para entender a dimensão desse fenômeno chegamos a preços acessíveis até a pesquisadores brasileiros que muitas vezes não possuem muitos recursos. A associação de estudos de transcriptoma, isto é, a obtenção de todas as sequencias de RNA transcritas em um determinado instante com estudos de perda de função de genes está revolucionando a Evo-Devo moderna.

O segundo ponto é a importante inclusão de aspectos ecologicos e fisiológicos na compreensão dos mecanismos moleculares que estão envolvidos na evolução de novas formas. Por exemplo, ao analisar espécies relacionadas numa dada filogenia, mas que possuem diferenças morfológicas importantes para a vida num determinado ambiente busca-se compreender como essas novidades evolutivas surgiram ao nivel genético.

O terceiro ponto seria a busca mais conceitual dos principais conceitos advindos dos últimos anos nos estudos de Evo-Devo onde questões conceituais como evolvabilidade, pleiotropia e restrições filogenéticas foram discutidas intensamente.

Uma última novidade importante é para os latino americanos é a criação da Sociedade Pan Americana de Biologia Evolutiva do Desenvolvimento https://www.hub.ki/groups/sedb. Os interessados podem se inscrever na sociedade no link ao lado. O secretário latino-americano é o Prof. Federico Brown (USP) e esta sociedade estará realizando seu primeiro encontro em Agosto de 2015 em Berkeley. Estaremos certamente lá.

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Porque o desenvolvimento embrionário é constante ? Canalização é a resposta

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Em um artigo clássico na década de 1940 o embriologista C.H. Waddington propôs o termo canalização para explicar o fato de um organismo ser capaz de produzir sempre as mesmas características (fenótipo) mesmo com as variações externas do meio ambiente e os possíveis ruídos. Waddington exemplificou este fenômeno de canalização usando a trajetória de uma bola navegando ao longo de uma região de montanhas e vales. Com o passar do tempo a bola acaba sendo levada (canalizada) para a região de vale e portanto os vales seriam os canais em que o desenvolvimento embrionário seria direcionado.

Em um recente artigo na respeitada revista Current Biology, o laboratório de Chip Ferguson demonstrou evidências para a canalização, a  partir da análise do desenvolvimento embrionário da mosca-da-fruta Drosophila melanogaster.  Esta mosca padroniza sua região dorsal a partir da sinalização de uma proteina bem importante para os animais, a BMP (Bone Morphogenetic Protein). Embora tenha o nome de padronizadora de osso esta proteina atua em diversos processos da vida da mosca e na nossa também como na padronização das células extra-embrionárias.

Ao analisar um tipo de duplo mutante que não tem reguladores fundamentais de BMP, Ferguson e seu grupo observaram uma grande variação na atividade de BMP e consequentemente no número de células extra-embrionárias das moscas. Assim, na Drosophila selvagem existe um sistema genético robusto que leva a canalização. Este sistema genético envolve pelo menos quatro moléculas com efeitos diferentes que canalizam o sistema fazendo com que o desenvolvimento da mosca seja correto e pouco variável. Waddington ficaria feliz ao ler este artigo 60 anos depois de suas descobertas !

Development: getting into the groove, or evolving off the rails? – Comentário sobre o artigo
Panfilio KA, Roth S. Curr Biol. 2013 Dec 16;23(24):R1101-3. doi: 10.1016/j.cub.2013.10.073.
PMID: 24355787 [PubMed – in process]

A genetic network conferring canalization to a bistable patterning system in Drosophila.Gavin-Smyth J, Wang YC, Butler I, Ferguson EL. Curr Biol. 2013 Nov 18;23(22):2296-302. doi: 10.1016/j.cub.2013.09.055. Epub 2013 Oct 31.

Simpósio de Evo-Devo no congresso de Zoologia

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Nos dias 05 e 06 de fevereiro foi realizado o Simpósio Evo-Devo Verde-Amarela: o Uso de Espécies Brasileiras para Responder Questões em Biologia do Desenvolvimento coordenado pela Dra.Tiana Kohlsdorf – Faculdade de Filosofia, Ciências e Letras de Ribeirão Preto, USP e Dr. Rodrigo Nunes da Fonseca – Universidade Federal do Rio de Janeiro.O Simpósio de duas tardes teve palestras e congregou pesquisadores de várias regiões e organismos-modelo trabalhando em interface com a Evo-Devo em espécies nativas da fauna brasileira de vertebrados e invertebrados.

Abaixo a programação do simpósio:

14 às 14:15 – Abertura do Simpósio (Tiana Kohlsdorf e Rodrigo Fonseca)

14:15 às 15:00 – Evo-Devo e a diversificação do autopódio na herpetofauna brasileira – Tiana Kohlsdorf, USP

15:00 às 15:45 -Como é formada uma nova esponja? A busca por modelos biológicos de esponjas marinhas na costa brasileira. Emilio Lanna, UFBA

15:45 às 16:00 – intervalo

16:00 às 16:45- A base genética de variação fenotípica e inovação evolutiva no peixe de quatro olhos  Anableps anableps- Patricia Schneider, UFPA

16:45 às 17:30 – Evo-Devo da resistência à dessecação em embriões de mosquitos brasileiros vetores de doenças – Gustavo Rezende, UENF

06.02.2014

14 às 14:45 – Usando artrópodes de interesse nacional para desvendar os segredos da Evo-Devo- Rodrigo Fonseca, UFRJ

14:45 às 15:30 – Usando genômica comparada para entender a evolução do desenvolvimento em mamíferos aquáticos – Mariana Nery, USP

15:30 às 16:00 – intervalo

16:00 às 16:45 – O peixe pulmonado Lepidosiren paradoxa como organismo modelo para estudos em biologia evolutiva do desenvolvimento-Igor Schneider, UFPA

16:45 às 17:30 – Usando invertebrados marinhos para compreender a evolução da regeneração e reprodução clonal – Federico Brown, USP

Agradecemos muito a participação dos palestrantes, alunos e da organização do congresso que permitiram o Simpósio acontecer.

E que venham os modelos nacionais de Evo-Devo.

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