Vias de múltiplas etapas na evolução

CONCEITO-CHAVE Não existe uma relação proporcional entre quanta alteração ocorre no DNA na evolução e quanta alteração

funcional resulta.

 

A seleção claramente desempenha um papel na evolução da carboxilesterase do inseto e na

resistência ao inseticida. Entretanto, em muitos casos, as substituições de aminoácidos que alteram a função da proteína são mais numerosas e se acumulam durante repetidas rodadas de mutação e seleção, ao que se denomina seleção cumulativa. O poder da seleção cumulativa de direcionar alterações maiores na função de uma molécula é uma das facetas menos apreciadas da evolução por seleção natural. Um motivo é que o papel da seleção em cada uma das múltiplas substituições é mais difícil de certificar.

 

CONCEITO-CHAVE A seleção cumulativa pode impulsionar a xação de muitas alterações em moléculas em evolução.

 

Com a finalidade de compreender o papel da seleção em casos de substituições múltiplas, são

adotadas duas abordagens principais: análise experimental empírica e métodos estatísticos. Ilustraremos, de início, a primeira delas.

 

Vias de múltiplas etapas na evolução

Quando as mutações surgem em múltiplos sítios na evolução de um estado fenotípico para outro, existem múltiplas ordens possíveis nas quais essas mutações podem aparecer, cada uma representando uma via diferente no espaço genético que a evolução pode assumir. Tais vias de múltiplas etapas da alteração evolutiva são denominadas vias adaptativas.

Suponha que a diferença entre o fenótipo original e a forma que evoluiu seja uma consequência

de mutações em cinco sítios, A, B, C, D e E. Existem muitas ordens diferentes nas quais essas mutações podem ter ocorrido ao longo da evolução. Primeiramente, o sítio A pode ter sido fixado na população, em seguida D, em seguida C, em seguida E e, finalmente, B. Por outro lado, a ordem de fixação pode ter sido E, D, A, B, C. Em relação a cinco sítios, existem 5 × 4 × 3 × 2 × 1 = 120 ordens possíveis. Duas questões importantes na compreensão da evolução são: “Quantas dessas vias evolutivas alternativas são possíveis?” e “Quais são as probabilidades de diferentes vias possíveis em relação umas às outras?”

Daniel Weinreich e seus colegas caracterizaram em detalhes tal conjunto de vias adaptativas no

espaço genético em seu estudo sobre a evolução da resistência a antibiótico na bactéria E. coli. A resistência ao antibiótico cefotaxima é adquirida por meio do acúmulo de cinco mutações em diferentes sítios no gene da β-lactamase bacteriana. Quatro das mutações levam a alterações de aminoácidos e a quinta é uma mutação não codificadora. Quando todas as cinco mutações estão presentes, a concentração mínima de antibiótico necessária para inibir o crescimento bacteriano aumenta em um fator de 100.000. Os experimentadores primeiramente mediram a resistência conferida por uma mutação em um determinado sítio na presença de todas as 24 = 16 combinações possíveis de mutantes e não mutantes nos outros quatro sítios. Na maior parte das combinações, mas não em todas, um mutante em um sítio era mais resistente, independentemente do estado dos outros quatro sítios. Por exemplo, um mutante no sítio G238S demonstrou resistência significativa,

independentemente do estado mutante ou não mutante dos outros quatro sítios (Tabela 20.3). Por outro lado, a mutação no sítio não codificador g4205a conferiu resistência significativa em oito combinações, alteração insignificante na resistência em seis casos e uma diminuição na resistência em duas combinações. Essa dependência da vantagem ou da desvantagem adaptativa de uma nova mutação sobre as mutações que haviam sido fixadas anteriormente é o que os experimentadores denominam epistasia de sinal.

Weinrich e colegas mediram a resistência a cada etapa na sequência temporal da adição de

mutações, um sítio após o outro. Se uma mutação em uma das 120 ordens possíveis não conferisse uma resistência mais alta, presumivelmente aquela via evolutiva seria então encerrada, tendo em vista que não haveria seleção em favor da mutação ou mesmo contra ela. Eles observaram que, das 120 vias possíveis pelo histórico da mutação, apenas 18 conferiam aumento de resistência a cada etapa da mutação. Portanto, 102/120 = 85% das possíveis vias de mutação até a resistência máxima não eram acessíveis para a evolução por seleção natural. Finalmente, presumimos que, em uma população que desenvolve resistência, a probabilidade de que uma via acessível em particular de fato seja seguida é proporcional à magnitude do aumento da resistência a cada etapa. Sob essa premissa, apenas 10 das 18 vias acessíveis explicarão 90% dos casos de evolução de resistência

bacteriana ao antibiótico (Figura 20.9).

 

CONCEITO-CHAVE A ordem na qual as mutações ocorrem é de importância crítica para determinar a via de evolução e se a

evolução por seleção natural irá ou não de fato alcançar o estado mais vantajoso. Tendo em vista que a ordem de ocorrência

das mutações é aleatória, muitos fenótipos vantajosos podem nunca ser alcançados, muito embora ocorram mutações

individuais.

 

Tabela 20.3 A dependência dos efeitos da adaptabilidade de mutações sobre mutações anteriores em E. coli.

 

Número de alelos nos quais o efeito mutacional médio é

 

Mutação* Positivo Negativo Insigni cante Aumento

proporcional

médio

 

g4205a 8 2 6 1,4

A42G 12 0 4 5,9

 

 

E104K 15 1 0 9,7

 

M182T 8 3 5 2,8

 

G238S 16 0 0 1,0 × 10³

 

*As mutações que levam à resistência ao antibiótico são designadas pela posição de seus nucleotídios ou aminoácidos. Das 16 possíveis combinações alélicas dos quatro outros sítios, os efeitos positivos, negativos ou neutros da mutação estão indicados juntamente com o aumento proporcional médio na adaptabilidade em relação às mutações no sítio indicado.

 

FIGURA 20.9 As etapas mutacionais em relação às 10 trajetórias mais prováveis desde a suscetibilidade do tipo selvagem ao antibiótico cefotaxima até a resistência máxima. Cada círculo representa um alelo cuja identidade é indicada por um trecho de cinco símbolos de + ou –, correspondentes (esquerda para a direita) à presença ou à ausência das mutações g4205a, A42G, E104K, M182T e G238S, respectivamente. Os números indicam o grau de resistência à cefotaxima em microgramas por mililitro. A probabilidade relativa de cada mutação benéfica é representada pela cor e pela largura das setas: verde – larga, mais alta; azul – média, moderada; roxa – estreita, baixa; e laranja – muito estreita, a mais baixa. (Dados de D. Weinreich et al., Science 312, 2006, 111-114.)

Então, um fator-chave na determinação da via evolutiva que uma população pode seguir é a

aleatoriedade do processo de mutação. Após a variação genética inicial ser exaurida pela fixação seletiva e aleatória de alelos, a nova variação que tem origem a partir da mutação pode ser a fonte da alteração evolutiva adicional. A direção em particular dessa evolução adicional depende das mutações em particular que ocorrem e da ordem temporal na qual elas surgem.

Uma ilustração muito clara dessa contingência histórica de vias adaptativas é um experimento de

seleção realizado por Holly Wichman e seus colegas. Eles forçaram o bacteriófago ΦX174 a se reproduzir em altas temperaturas e no hospedeiro Salmonella typhimurium, em vez de no seu hospedeiro normal, Escherichia coli. Duas linhagens independentes de vírus foram estabelecidas, rotuladas TX e ID, e mantidas em separado, embora ambas tenham sido expostas às mesmas condições. Ambas desenvolveram a capacidade de se reproduzir em altas temperaturas no novo hospedeiro. Em uma das duas linhagens, a capacidade de se reproduzir na E. coli ainda existia, mas, na outra linhagem, a capacidade foi perdida. O bacteriófago apresenta apenas 11 genes e, assim, os experimentadores puderam registrar as sucessivas alterações no DNA em relação a todos esses genes e nas proteínas codificadas por eles durante o processo de seleção. Houve 15 alterações do DNA na linhagem TX, localizadas em seis genes diferentes; na linhagem ID, houve 14 alterações localizadas em quatro genes diferentes. Em sete casos, as alterações nas duas linhagens foram idênticas, incluindo uma grande deleção, mas até mesmo essas alterações idênticas apareceram em

cada linhagem em uma ordem diferente (Tabela 20.4). Assim, por exemplo, a alteração no sítio 1533 do DNA, que causou uma substituição de isoleucina por treonina, foi a terceira alteração na linhagem ID, mas a 14a alteração na linhagem TX.

Portanto, o curso da evolução seguido pelos vírus inicialmente idênticos dependeu das mutações

disponíveis em um dado momento no processo de seleção cumulativa. Contraste essa situação com a origem repetida do alelo falciforme HbS: nesse caso, a mesma mutação surgiu e se difundiu cinco vezes. Claramente, em alguns casos existem muitas “soluções” moleculares para as condições seletivas e, em outros, apenas uma ou poucas.

 

CONCEITO-CHAVE Sob condições idênticas de seleção natural, duas populações podem chegar a composições genéticas

idênticas ou diferentes como resultado direto da seleção natural.

 

Tabela 20.4 Substituições moleculares em dois bacteriófagos Φ-X174, TX e ID, durante adaptação.

 

Ordem* Sítio TX Troca de Sítio ID Troca de

aminoácido aminoácido

 

1 782 E72, T → 1 2167 F388, H → Q

 

2 1727 F242, L → F 1613 F204, T → S

3 2085 F361, A → V 15336 F177, T → I

 

4 319 C63, V → F 1460 F153, Q → E

 

5 2973 H15, G → S 1300 F99, silenciosa

 

6 323 C64, D → G 1305³ F101, G → D

 

7 4110³ A44, H → Y 1308 F102, Y → C

 

8 1025 F8, E → K 4110¹ A44, H → Y

 

9 31667 H79, A → V 4637 A219, silenciosa

 

10 5185 A402, T → M 965-914 deleção

 

11 1305² F101, G → D 53655 A462, M → T

 

12 965-914 deleção 41687 A63, Q → R

 

13 53655 A462, M → T 3166² H79, A → V

 

14 1533¹ F177, T → I 1809 F269, K → R

 

15 41686 A63, Q → R

 

*As alterações estão listadas na ordem em que apareceram em cada uma das duas linhagens de bacteriófagos durante a seleção. A posição do nucleotídio está listada, seguida pela proteína afetada, A-H, com o número do resíduo de aminoácido e a natureza da substituição do aminoácido. As alterações em paralelo estão demonstradas em negrito, e um sobrescrito indica a ordem daquelas alterações na outra linhagem viral de seleção.

Fonte: H. A. Wichman et al. Science 285, 1999, 422-424.