Introdução à Genética
Evolução de sequência reguladora
A identificação de diferentes lesões no gene Oca2 das duas populações de caverna indica que o
albinismo evoluiu em separado nas duas populações de caverna. Também existem evidências de que uma terceira população de caverna carrega ainda uma terceira mutação distinta em Oca2. Sabe-se de outros vertebrados que o albinismo pode ser desenvolvido por meio de mutações em outros genes. O que pode explicar a repetida inativação do gene Oca2? Existem duas explicações possíveis. Primeiramente, as mutações em Oca2 aparentam não causar nenhum defeito colateral sério além da perda da pigmentação e da visão. Alguns outros genes de pigmentação, quando mutados em peixes, causam reduções dramáticas na viabilidade. Os efeitos das mutações em Oca2, então, aparentam ser menos pleiotrópicos e causar efeitos sobre a adaptabilidade geral que são menos prejudiciais do que aqueles das mutações em outros genes de pigmentação em peixes. Em segundo lugar, o locus Oca2 é muito grande, abrangendo aproximadamente 345 kb em seres humanos e contendo 24 éxons. Ele representa um alvo muito grande para mutações aleatórias que perturbariam a função do gene; portanto, é mais provável que surjam mutações em Oca2 do que mutações em loci menores.
A perda da função gênica não é o que normalmente pensamos quando refletimos a respeito da
evolução. Mas a inativação gênica certamente é o que devemos prever que ocorra quando as condições seletivas se alteram, ou quando populações ou espécies alteram seus habitats ou estilos de vida e determinadas funções gênicas deixam de ser necessárias.
CONCEITO-CHAVE As mutações de inativação gênica podem ocorrer e aumentar até uma alta frequência quando alterações no
habitat ou no estilo de vida relaxam a seleção natural sobre traços e funções gênicas subjacentes.
Evolução de sequência reguladora
Conforme discutido anteriormente, uma importante restrição na evolução gênica é o potencial de efeitos colaterais prejudiciais causados por mutações em regiões codificadoras que alteram a função da proteína. Esses efeitos podem ser contornados por mutações nas sequências reguladoras, que são cruciais para a evolução da regulação gênica e para a forma corporal.
Os exemplos de evolução da coloração corporal que vimos até agora apresentam alterações no
padrão da pelagem ou das escamas por todo o corpo. A evolução de coloração corporal totalmente preta ou totalmente não pigmentada pode surgir por meio de mutações nos genes de pigmentação. Entretanto, com frequência, muitos esquemas de cores são compostos por duas ou mais cores em algum padrão espacial. Nesses casos, a expressão dos genes de pigmentação deve diferir nas áreas do corpo que serão de cores diferentes. Em diferentes populações ou espécies, a regulação dos genes de pigmentação deve evoluir por meio de algum mecanismo que não altere a função das proteínas de pigmentação.
As espécies das moscas-das-frutas do gênero Drosophila demonstram extensiva diversidade de
marcas corporais e nas asas. Um padrão comum é a presença de uma mancha preta próxima à ponta
das asas em machos (Figura 20.14). A produção de manchas pretas requer enzimas que sintetizam a melanina, o mesmo pigmento produzido em roedores Chaetodipus intermedius. Muitos genes que controlam a via de síntese da melanina foram bem-estudados no organismo-modelo Drosophila melanogaster. Um gene é denominado yellow (amarelo), tendo em vista que as mutações no gene fazem com que áreas do corpo com pigmentação escura aparentem ser amareladas ou bronze. O gene yellow desempenha um papel central no desenvolvimento de padrões de melanina divergentes. Em espécies com manchas, a proteína Yellow é expressa em níveis altos nas células das asas que produzirão a mancha preta, enquanto em espécies sem manchas, a proteína Yellow é expressa em
um nível baixo por toda a lâmina das asas (Figura 20.15 A).
FIGURA 20.14 Machos de Drosophila melanogaster não apresentam manchas nas asas (parte superior), enquanto machos de Drosophila biarmipes (parte inferior) apresentam manchas escuras nas asas, que são exibidas em um ritual de acasalamento. Esta diferença morfológica simples ocorre em virtude de diferenças na regulação dos genes de pigmentação. (Nicolas Gompel.)
A diferença na expressão de Yellow entre as espécies manchadas e não manchadas pode ocorrer
em virtude de diferenças no modo como o gene yellow é regulado nas duas espécies. Qualquer um dos dois mecanismos possíveis pode atuar, ou ambos: as espécies podem diferir na disposição espacial de fatores de transcrição que regulam o gene yellow (ou seja, alterações nas sequências de ação trans para o gene yellow), ou podem diferir nas sequências reguladoras de ação cis que controlam como o gene yellow é regulado. Para examinar quais mecanismos estão envolvidos, investigadores examinaram a atividade das sequências reguladoras de ação cis de yellow de diferentes espécies ao posicioná-las upstream de um gene repórter e introduzi-las em D. melanogaster.
O gene yellow é regulado por um arranjo de sequências reguladoras de ação cis separadas, que
regulam a transcrição do gene em diferentes tecidos e tipos celulares e em diferentes ocasiões no
desenvolvimento (Figura 20.15 B). Essas sequências reguladoras incluem aquelas que controlam a transcrição nas partes bucais das larvas, no tórax e no abdome das pupas, e na lâmina das asas em desenvolvimento. Descobriu-se que, enquanto o elemento regulador de ação cis da lâmina das asas de espécies não manchadas direciona a expressão em nível baixo de um gene repórter na lâmina das asas, o elemento correspondente de uma espécie manchada, tal como D. biarmipes ou D. elegans,
direciona um alto nível de expressão do repórter em uma mancha próxima da ponta das asas (Figura
20.15 C). Essas observações demonstram que alterações na sequência e na função de um elemento regulador de ação cis são responsáveis pela alteração na regulação do gene yellow e contribuem para a origem das manchas das asas. Demonstrou-se que o elemento regulador de ação cis das espécies manchadas adquiriu sítios de ligação para fatores de transcrição que atualmente direcionam altos níveis de transcrição gênica em um padrão de manchas nas asas em desenvolvimento.
FIGURA 20.15 A evolução da regulação gênica e da morfologia no caso demonstrado ocorre em virtude da evolução em sequências reguladoras de ação cis. A. Em moscas-das-frutas manchadas, a proteína de pigmentação Yellow é expressa em altos níveis nas células que produzirão grandes quantidades de melanina. B. O locus yellow das espécies de Drosophila contém diversos elementos reguladores de ação cis discretos (vermelho) que regulam a transcrição de yellow em diferentes partes corporais. Os éxons estão demonstrados em dourado. As setas indicam o ponto de início e o sentido da transcrição do gene. C. O elemento regulador das “asas” da D. biarmipes direciona a expressão do gene repórter em um padrão manchado na asa em desenvolvimento, enquanto o elemento homólogo de D. melanogaster não ativa um padrão de machas de expressão do repórter. Esta diferença nas atividades do elemento regulador de ação cis demonstra que as alterações na função do elemento regulador de ação cis são a base das diferenças na expressão da Yellow e na pigmentação entre as duas espécies.
Portanto, alterações evolutivas nas sequências reguladoras de ação cis desempenham um papel
crítico na evolução da forma corporal. A localização da alteração na sequência reguladora, em vez do próprio gene, pode ser mais bem-explicada à luz dos muitos diferentes efeitos que podem aparecer como resultado de uma mutação codificadora em um gene toolkit. Nesse caso, o gene yellow é altamente pleiotrópico: ele é necessário para a pigmentação de muitas estruturas e também para funções no sistema nervoso. Uma mutação codificadora que altera a atividade da proteína Yellow alteraria a atividade de Yellow em todos os tecidos, o que poderia apresentar uma consequência negativa em termos de aptidão. Entretanto, tendo em vista que as sequências reguladoras de ação cis individuais normalmente afetam apenas um aspecto da expressão gênica, mutações nessas sequências proporcionam um mecanismo para alterar um aspecto da expressão gênica, enquanto preservam o papel dos produtos proteicos em outros processos do desenvolvimento.