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Dois genomas para construir um organismo, a incomum história de Xenopus laevis

Por Mateus Berni, Laboratório de Biologia Molecular do Desenvolvimento (Helena Araujo’s Lab), Programa de Ciências Morfológicas (PCM, Instituto de Ciências Biomédicas), Universidade Federal do Rio de Janeiro

O genoma da rã africana Xenopus laevis, um dos anfíbios mais comuns em laboratórios de pesquisa e organismo utilizado em importantes descobertas científicas na área de biologia celular e biologia do desenvolvimento acaba de ter seu genoma sequenciado. O estudo liderado por cientistas da Universidade da Califórnia Berkeley (EUA) e da Universidade de Tóquio (Japão), contou com a participação de cientistas de inúmeros outros países e foi matéria de capa da revista “Nature” (20 Outubro 2016)

O estudo lança luz em relação à origem da espécie e da poliploidia (possuir mais do que dois pares de cromossomos homólogos) de Xenopus, sendo essa descoberta incomum entre os vertebrados. Dados moleculares sugerem que uma espécie ancestral diplóide de Xenopus se divergiu de outra há aproximadamente 34 milhões de anos. Essas duas populações ancestrais de Xenopus, se tornaram duas espécies distintas, denominadas figurativamente aqui de espécie A e espécie B,  e evoluíram independentemente por 17 milhões de anos. Não se sabe ao certo o porquê essas duas espécies se intercruzaram, mas deste intercruzamento originou-se Xenopus laevis, uma espécie tetraplóide, ou seja, com quatro cópias de cada cromossomo, duas vindas de cada espécie (veja a extended figure 1a do artigo original para as possíveis causas da poliploidização).

Como os cientistas chegaram a esta conclusão? Uma das evidências se baseia em sequências parasitas chamadas elementos transponíveis, que são sequências que se inserem randomicamente no DNA. Durante o tempo em que as espécies A e B evoluíram independentemente, os cromossomos destas espécies foram parasitados por diferentes famílias de elementos transponíveis. E mesmo após a fusão das espécies, os diferentes cromossomos das espécies A e B não se misturaram. Desta forma, durante o sequenciamento do genoma, algumas famílias de elementos transponíveis estavam presentes somente em um grupo de cromossomos chamado L, associado à espécie A, e outras famílias de elementos transponíveis infectaram apenas o grupo denominado S, associado à espécie B. É isto mesmo, mesmo tendo passado aproximadamente 17 milhões de anos da fusão entre as espécies, ainda é possível identificar a origem de cada conjunto de cromossomos.

Agora que o novo organismo possui 2 conjuntos de cromossomos, isto é, cerca de duas vezes mais genes que as espécies ancestrais, o que acontece com o “excesso” de genes em um organismo poliplóide? Uma série de artigos afirmam que genes com a mesma função em um organismo poliplóide são rapidamente covertidos à cópias simples, através de mutações ou deleções em um dos genes duplicados, exceto quando adquirem novas funções. Desta forma, apenas deixando o tempo atuar sobre um organismo poliplóide, ocorreria um processo de diploidização, isto é, a perda da maioria dos elementos redundantes. Em Xenopus, por outro lado, mais de 56% dos genes foram mantidos em ambos os grupos cromossômicos (L e S). Esta incrível retenção de genes duplicados fez com que fossem encontrados mais de 45 mil genes no genoma de X. laevis, ante cerca de 25 mil genes no genoma humano.

Um dos pontos mais interessantes do artigo mostra que estes grupos de cromossomos estão evoluindo assimetricamente em relação ao outro. Quando o genoma de X. laevis é comparado com uma espécie diplóide próxima chamada Xenopus tropicalis, nota-se que enquanto o grupo cromossômico L perdeu cerca de 8,5% dos genes, o grupo S perdeu mais de 31,5 % dos genes, quase quatro vezes mais deleções. Fato diferente do que ocorreu com o a truta arco-íris, outro organismo tetraplóide que teve seu genoma sequenciado, e que apresentou uma perda gênica uniforme entre entre seus cromossomos. Além disto, quando se analisa a sintenia dos cromossomos, isto é, a ordem dos genes entre os três conjuntos gênicos: Xenopus tropicalis, X. laevis conjunto L e X. laevis conjunto S, é encontrada uma grande similaridade entre as posições dos genes do cromossomo de X. tropicalis com o conjunto L de X. laevis, já o conjunto S de X. laevis além de apresentar um maior número de deleções, apresenta uma série de translocações, isto é, inversões em porções dos cromossomos (figura 1). Veja que interesante, mesmo após a união do genoma de duas espécies distintas em um mesmo núcleo, seus respectivos cromossomos continuam a evoluir separadamente, sendo que aparentemente o conjunto L mantém a condição ancestral e S apresenta maior número de modificações.

Outra importante descoberta do estudo, foi sobre as diferentes taxas de retenção e perda de genes em relação às suas funções. Genes envolvidos na regulação gênica, por exemplo fatores de transcrição, tiveram um alta taxa de retenção (>90%), sendo que 37 dos 38 genes do grupo homeobox foram mantidos. Por outro lado, genes envolvidos no reparo do DNA e genes relacionados ao metabolismo tiveram uma taxa de deleção mais alta. Estes dados indicam que genes onde a dose é importante, isto é, onde os níveis de expressão precisam ser finamente controlados, a taxa de retenção é mais alta, e em genes onde o fino controle da taxa de expressão não é extremamente essencial,  a taxa de perda gênica é mais elevada.

O dados do genoma de X. laevis levanta uma série de hipóteses, entre elas, de que o “excesso” de DNA não é tão danoso para um organismo, e a taxa de deleção do “excesso de informação” é extremamente lenta, o que confere tempo para que essas sequências redundantes possam adquirir novas funções. O sequênciamento do genoma de outros organismos poliplóides pode fornecer inúmeras pistas sobre a evolução do genoma dos vertebrados, visto que existem fortes evidências de que neste grupo ocorreram dois processos de poliploidização no início de sua irradiação, há cerca de 500 milhões de anos.

 

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Figura 1. Arranjo sintênico do cromossomo 2 de X. tropicalis (XTR) e dos dois grupos cromossômicos de X. laevis (XLA2L e XLA2S). Note que o cromossomo de X. tropicalis apresenta grande conservação entre a ordem dos genes com o conjunto de cromossomos L de X. laevis, e  já o conjunto S de X. laevis, apresenta rearranjos e deleções na organização cromossômica. Nota:homeólogo são cromossomos parcialmente homólogos, com uma ancestralidade em comum. Adaptado de Session et al 2016

Leia mais em: http://www.nature.com/nature/journal/v538/n7625/abs/nature19840.html

 

 

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.