Destino de genes duplicados

Um terceiro mecanismo que pode dar origem às duplicações gênicas é a transposição. Por vezes,

quando um elemento de transposição é transposto para outra parte do genoma, ele pode carregar também material genético adicional do hospedeiro e inserir uma cópia de alguma parte do genoma

em outro local (ver Capítulo 15).

Um quarto mecanismo que pode expandir o número de genes é a retrotransposição. Muitos

genomas animais abrigam elementos genéticos semelhantes a retrovírus (ver Capítulo 15), que codificam atividade de transcriptase reversa. Os próprios retrotranspósons compõem aproximadamente 40% do genoma humano. Ocasionalmente, transcritos de mRNA do genoma hospedeiro são transcritos de modo reverso em cDNA e inseridos de volta no genoma, produzindo uma duplicata do gene sem íntrons.

 

Destino de genes duplicados

Chegou-se a acreditar que, em virtude de a função ancestral ser proporcionada pelo gene original, os genes duplicados seriam essencialmente elementos genéticos sobressalentes, que estão livres para desenvolver novas funções (denominada neofuncionalização) e que esse seria um destino comum. Entretanto, a análise detalhada de genomas e as considerações da genética de populações levaram a melhor compreensão sobre os destinos alternativos das novas duplicatas de genes, com a evolução da nova função sendo apenas uma via.

FIGURA 20.18 Distribuição de frequência de números haploides de cromossomos em plantas dicotiledôneas. (Dados de Verne Grant, The Origin of Adaptations. Columbia University Press, 1963.)

 

Para simplificar, consideraremos um evento de duplicação que resulta na duplicação de toda a

região codificadora e reguladora de um gene (Figura 20.19 A). Muitos desfechos diferentes podem surgir a partir de uma duplicação. O resultado mais simples é que o alelo que contém a duplicação é perdido da população antes de aumentar até alcançar qualquer frequência significativa, assim como

é o destino de muitas novas mutações (ver Capítulo 18). Mas consideraremos em seguida cenários mais interessantes: suponha que a duplicação sobreviva e que novas mutações comecem a ocorrer no par de genes duplicado. Tendo em mente que os genes originais e duplicados são inicialmente cópias exatas e, portanto, redundantes, após o surgimento de novas mutações, existem diversos destinos possíveis:

1. Pode ocorrer uma mutação de inativação na região codificadora de qualquer duplicata. O

parálogo inativado é denominado pseudogene e em geral será invisível para a seleção natural.

Portanto, ele acumulará mais mutações e evoluirá por deriva genética, enquanto a seleção

natural manterá o parálogo funcional (Figura 20.19 B).

2. Podem ocorrer mutações que alteram a regulação de uma duplicata ou a atividade de uma

proteína codificada. Esses alelos podem então se tornar sujeitos à seleção positiva e adquirir

uma nova função (neofuncionalização) (Figura 20.19 C).

3. Em casos nos quais o gene ancestral apresenta mais de uma função e mais de um gene

regulador, assim como em relação à maior parte dos genes toolkit, um terceiro desfecho

possível é que as mutações iniciais inativem ou alterem um elemento regulador em cada

duplicata. A função do gene inicial agora é dividida entre as duplicatas, que se complementam.

Com a finalidade de preservar a função ancestral, a seleção natural manterá a integridade de

ambas as regiões codificadoras dos genes. Diz-se que os loci que seguem essa via de

duplicação e mutação que produzem parálogos complementares são subfuncionalizados

(Figura 20.19 D).

Alguns desses destinos alternativos de duplicatas de genes estão ilustrados na história da evolução gênica da globina humana. A evolução da nossa linhagem, desde os ancestrais peixes até o amniotos terrestres que botam ovos e até os mamíferos placentários, necessitou de uma série de inovações na oxigenação tecidual, que incluem a evolução de genes de globina adicionais, com novos padrões de regulação, e a evolução de proteínas de hemoglobina com propriedades de ligação ao oxigênio distintas.

A hemoglobina adulta é um tetrâmero composto por duas cadeias de polipeptídios α e duas

cadeias β, cada uma com a sua molécula de heme ligada. O gene que codifica a cadeia α adulta está no cromossomo 16 e o gene que codifica a cadeia β está no cromossomo 11. As duas cadeias são aproximadamente 49% idênticas em suas sequências de aminoácidos; essa similaridade reflete a sua origem comum a partir de um gene de globina ancestral há muito no tempo evolutivo. O gene da cadeia α está localizado em um aglomerado de cinco genes relacionados (α e ζ) no cromossomo 16, enquanto o da cadeia β está localizado em um aglomerado de seis genes relacionados no

cromossomo 11 (ε, β, δ e γ) (Figura 20.20). Cada aglomerado contém um pseudogene, ψα e ψβ, respectivamente, que acumulou mutações inativadoras aleatórias.

FIGURA 20.19 Os destinos alternativos de genes duplicados. A. A duplicação de um gene. Os quadros laranja, amarelos e cor-de-rosa indicam elementos reguladores cis; o quadro bege indica a região codificadora. Após a duplicação, diversos destinos alternativos das duplicatas são possíveis: (B) qualquer mutação inativadora em uma região codificadora tornará aquela duplicata um pseudogene e, em seguida, a seleção purificadora operará no parálogo remanescente; (C) podem surgir mutações que alteram a função de uma proteína, e elas podem ser favorecidas por seleção positiva (neofuncionalização); (D) as mutações podem afetar uma subfunção de qualquer duplicata, e, desde que os dois parálogos em conjunto proporcionem as funções ancestrais, diferentes subfunções podem ser mantidas, resultando na evolução de dois loci complementares (subfuncionalização).

 

Cada aglomerado contém genes que desenvolveram perfis de expressão distintos, uma função

distinta, ou ambos. De maior interesse são os dois genes γ. Esses genes são expressos durante os últimos 7 meses de desenvolvimento fetal para produzir a hemoglobina fetal (também conhecida como hemoglobina F), que é composta por duas cadeias α e duas cadeias γ. A hemoglobina fetal apresenta maior afinidade pelo oxigênio do que a hemoglobina adulta, o que possibilita que o feto extraia o oxigênio a partir da circulação materna por meio da placenta. Ao nascimento, até 95% da hemoglobina é do tipo fetal; em seguida, a expressão da forma β adulta substitui a γ e uma pequena quantidade de globina δ também é produzida. A ordem de aparecimento das cadeias de globina durante o desenvolvimento é orquestrada por um conjunto complexo de sequências reguladoras de ação cis e, notavelmente, segue a ordem dos genes em cada cromossomo.

Os genes γ são restritos aos mamíferos placentários. Sua regulação do desenvolvimento distinta e

seus produtos proteicos significam que essas duplicatas desenvolveram diferenças na função que contribuíram para a evolução do estilo de vida placentário. Curiosamente, são conhecidas variantes reguladoras desses genes, que causam a persistência da expressão da hemoglobina fetal na infância e na fase adulta. Essas variantes de ocorrência natural aparentam moderar a gravidade da anemia falciforme ao suprimir os níveis de HbS produzidos. Uma estratégia difundida para o tratamento da anemia falciforme é administrar fármacos que estimulam a reativação da expressão da hemoglobina fetal.

 

FIGURA 20.20 Distribuição cromossômica dos genes em relação à família α de globinas no cromossomo 16 e à família β de globinas no cromossomo 11 em seres humanos. A estrutura do gene está demonstrada pelas barras pretas (éxons) e pelas barras coloridas (íntrons).

 

RESUMO

A teoria da evolução por seleção natural explica as alterações que ocorrem em populações de organismos como resultantes de alterações nas frequências relativas de diferentes variantes na população. Se não houver variação dentro de uma espécie em relação a algum traço, não pode haver evolução. Além disso, tal variação deve ser influenciada por diferenças genéticas. Se as diferenças não forem hereditárias, elas não podem evoluir, tendo em vista que a vantagem reprodutiva de uma variante não será transmitida para as gerações seguintes. É crucial compreender que os processos mutacionais que dão origem à variação no genoma atuam aleatoriamente, mas que o processo seletivo que separa as variantes vantajosas e desvantajosas não é aleatório.

A capacidade de estudar a evolução no nível do DNA e das proteínas transformou a nossa

compreensão sobre o processo evolutivo. Antes que tivéssemos a capacidade de estudar a evolução no nível molecular, não havia suspeita de que grande parte da evolução fosse, de verdades, resultado de deriva genética, não da seleção natural. Uma grande parte da evolução molecular aparenta ser a substituição de uma sequência proteica por outra de função equivalente. Entre as evidências em relação à prevalência da evolução neutra está o fato de que o número de diferenças nos aminoácidos entre duas espécies diferentes em uma molécula – por exemplo, hemoglobina – é diretamente proporcional ao número de gerações desde a sua divergência a partir de um ancestral comum no passado evolutivo. Não esperaríamos que existisse um “relógio molecular” com uma taxa de alterações constante se a seleção das diferenças fosse dependente de alterações em particular no ambiente.

Assim, uma grande parte da evolução de sequências é neutra, de modo que não há uma relação

simples entre a quantidade de alterações na sequência de DNA de um gene e a quantidade de alterações, se existente, na função da proteína codificada. Algumas funções proteicas podem ser alteradas por meio da substituição de um único aminoácido, enquanto outras requerem uma série de substituições ocasionadas por meio da seleção cumulativa. Tais vias adaptativas de múltiplas etapas podem seguir vias diferentes, inclusive quando as condições de seleção natural são as mesmas. Isso ocorre porque as vias disponíveis para qualquer população em determinado momento dependem da ocorrência de mutações ao acaso, que podem não surgir na mesma ordem em diferentes populações. Além disso, as etapas anteriores adotadas podem afetar o fato de uma nova mutação ser favorecida, desfavorecida ou neutra.

Antes do advento da genética molecular, não era possível saber se eventos evolutivos

independentes poderiam ter dado origem à mesma adaptação múltiplas vezes. Ao detalhar os genes e as mutações exatas envolvidas nas alterações de função, agora reconhecemos que a evolução pode se repetir, e se repete, por meio da ação sobre os mesmos genes para produzir resultados semelhantes em casos independentes. Por exemplo, alterações nos mesmos genes são responsáveis por casos de surgimento independente de melanismo e albinismo em alguns vertebrados, ou pela perda de espinhas pélvicas em diferentes populações de peixes esgana-gato. A evolução pode se repetir por meio da alteração do mesmo nucleotídio no caso do surgimento independentemente das mutações falciformes que levam à resistência adaptativa à malária.

Uma importante restrição na evolução das sequências codificadoras é a dos efeitos colaterais

possivelmente prejudiciais das mutações. Se uma proteína desempenha múltiplas funções em diferentes tecidos, como é o caso em relação a muitos genes envolvidos na regulação dos processos de desenvolvimento, mutações nas sequências codificadoras podem afetar todas as funções e diminuir a adaptabilidade. Os possíveis efeitos pleiotrópicos das mutações codificadoras podem ser contornados por mutações em sequências reguladoras não codificadoras. As mutações nessas sequências podem alterar seletivamente a expressão gênica em apenas um tecido ou uma parte corporal, não em outras. A evolução das sequências reguladoras de ação cis é central para a evolução dos traços morfológicos e para a expressão de genes toolkit que controlam o desenvolvimento.

Com frequência surgem novas funções proteicas por meio da duplicação de genes e subsequente

mutação. Um novo DNA pode surgir por meio da duplicação do genoma inteiro (poliploidia), uma ocorrência frequente em plantas, ou por meio de diversos mecanismos que produzem duplicatas de genes individuais ou conjuntos de genes. O destino de genes duplicados depende muito da natureza das mutações adquiridas após a duplicação. Os possíveis destinos são a inativação de uma duplicata, a divisão de função entre duas duplicatas, ou o ganho de novas funções.

Em geral, a evolução genética está sujeita à contingência histórica e ao acaso, mas é restringida

pela necessidade de os organismos sobreviverem e se reproduzirem em um mundo constantemente em alteração. O “mais adaptado” é um estado condicional, sujeito a alteração na medida em que o planeta e os habitats são alterados.

 

TERMOS-CHAVE

adaptação

duplicação gênica

epistasia de sinal

família gênica

neofuncionalização

pseudogene

relógio molecular

retrotransposição

seleção cumulativa

seleção natural

subfuncionalização

substituição não sinônima

substituição sinônima

via adaptativa

 

PROBLEMAS RESOLVIDOS

Problema resolvido 1. Observa-se que duas espécies de bactérias relacionadas de modo próximo fixaram dois alelos diferentes detectados eletroforeticamente em um locus que codifica uma enzima envolvida na fragmentação de um nutriente. Como você testaria experimentalmente se a divergência nas sequências enzimáticas pode ter causado diferenças na função e na adaptabilidade?

 

Solução

Com a finalidade de testar se as enzimas apresentam diferentes propriedades funcionais, devemos planejar experimentos in vitro e in vivo. Se os substratos e as propriedades das enzimas forem conhecidos, podemos purificar a enzima de cada espécie e medir diretamente se existem diferenças funcionais. Alternativamente, um teste indireto seria verificar se cada espécie cresce bem no nutriente em particular que a enzima fragmenta.

Idealmente, com a finalidade de medir as diferenças na adaptabilidade, substituímos a região

codificadora da enzima de uma espécie pela região codificadora da enzima da segunda espécie, e vice-versa. Em seguida, o crescimento de cada linhagem do tipo selvagem e transgênica poderia ser comparado no meio contendo o mesmo nutriente, com o crescimento sendo um indicador de adaptabiliadade. Se houver diferenças na adaptabilidade relativa das linhagens transgênica e do tipo selvagem, então é possível que as enzimas tenham divergido sob a seleção natural. Caso negativo, é então provável que as enzimas tenham evoluído de modo neutro ou que o efeito da seleção seja muito pequeno para ser medido experimentalmente.

 

PROBLEMAS

 

QUESTÕES SOBRE AS FIGURAS

1. Na Figura 20.5, observe que a diferença nas taxas de sobrevida entre os genótipos AS e AA

declina na medida em que as crianças ficam mais velhas. Ofereça uma possível explicação

para essa observação.

2. Examinando a Figura 20.8, explique por que a taxa de evolução em sítios não sinônimos é

mais baixa. Você espera que isso seja verdadeiro apenas para os genes de globina ou para a

maior parte dos genes?

3. A partir da Tabela 20.3, você espera que a mutação não codificadora g4205a seja fixada antes

ou depois da mutação codificadora G238S em uma população de bactérias que está

desenvolvendo resistência ao antibiótico cefotaxima? Forneça no mínimo dois motivos para a

sua resposta.

4. Examinando a Tabela 20.4, qual você acredita que seja a ordem das mutações fixadas durante

a seleção em uma terceira linhagem de vírus em evolução? As mutações se tornariam fixadas

na mesma ordem que o vírus TX ou ID?

5. Examinando a Tabela 20.5, como a interpretação dos resultados do teste de McDonald-

Kreitman diferiria se o número de diferenças de espécies observadas não sinônimas fosse 1

em vez de 7?

6. Utilizando a Figura 20.17, explique como a mutação na sequência GATA do gene Duffy

confere resistência à infecção pelo P. vivax.

7. Na Figura 20.18, qual é a evidência de que a formação de poliploides foi importante na

evolução das plantas?

 

PROBLEMAS BÁSICOS

8. Compare a descrição de Darwin sobre a seleção natural, conforme citado anteriormente neste

capítulo, com a descrição de Wallace sobre a tendência das variedades de se distanciarem do

tipo original descrita logo após. Que ideias elas apresentam em comum?

9. Quais são os três princípios da teoria da evolução por seleção natural?

10. Por que a teoria neutra da evolução molecular foi uma ideia revolucionária? 11. Qual você preveria que fosse a taxa relativa de substituições sinônimas e não sinônimas em

um pseudogene de globina?

12. Os heterozigotos AS são completamente resistentes à infecção por malária? Explique a

evidência para a sua resposta.

 

PROBLEMAS DESAFIADORES

13. Se a taxa de mutação de um novo alelo é 10–5, presumindo que não existe migração, quão

grandes as populações isoladas devem ser para prevenir a diferenciação ao acaso entre elas na

frequência desse alelo?

14. A glicose-6-fosfato desidrogenase (G6PD) é uma enzima crítica envolvida no metabolismo

da glicose, especialmente em eritrócitos. Deficiências na enzima são o defeito enzimático

humano mais comum e ocorrem a uma alta frequência em determinadas populações de

crianças da África Oriental.

a. Ofereça uma hipótese para a alta incidência de mutações na G6PD em crianças da África

Oriental.

b. Como você testaria adicionalmente a sua hipótese?

c. Pontos de diferentes mutações na G6PD que afetam a função enzimática foram

encontrados em populações humanas. Ofereça uma explicação para a abundância de

diferentes mutações na G6PD.

15. Grandes diferenças nas frequências de HbS entre tribos quenianas e ugandenses têm sido

observadas em análises conduzidas por outros pesquisadores além de Tony Allison. Esses

pesquisadores ofereceram explicações alternativas, diferentes da ligação com a malária

proposta por Allison. Ofereça um contra-argumento, ou um teste experimental em relação às

seguintes hipóteses alternativas:

a. A taxa de mutação é mais alta em determinadas tribos.

b. Existe um baixo grau de mistura genética entre as tribos e, assim, o alelo aumentou sua

frequência por meio do endocruzamento em determinadas tribos.

16. Quantas possíveis vias evolutivas existem para que um alelo desenvolva seis mutações

diferentes? Sete mutações diferentes? Dez mutações diferentes?

17. O gene MC1R afeta a cor da pele e dos cabelos em seres humanos. Existem no mínimo 13

polimorfismos do gene nas populações europeias e asiáticas, 10 dos quais são não sinônimos.

Em africanos, existem no mínimo 5 polimorfismos do gene, nenhum dos quais é não

sinônimo. Qual pode ser uma explicação para as diferenças na variação do MC1R entre

africanos e não africanos?

18. As proteínas opsinas detectam a luz em células fotorreceptoras do olho e são necessárias para

a visão em cores. O macaco-da-noite, o lêmure noturno e roedores da família Spalacidae

(semelhantes à toupeira) apresentam diferentes mutações em um gene da opsina, que a torna

não funcional. Explique por que todas as três espécies conseguem tolerar mutações nesse

gene, que opera na maior parte dos outros mamíferos.

19. A ausência total ou parcial de membros evoluiu muitas vezes em vertebrados (cobras,

lagartos, peixes-boi, baleias). Você espera que as mutações que ocorreram na evolução da

ausência de membros estejam nas sequências codificadoras ou não codificadoras de genes

toolkit? Por quê?

20. Diversas espécies de Drosophila com asas não manchadas são descendentes de um ancestral

manchado. Você preveria que a perda da formação de manchas envolvesse alterações

codificadoras ou não codificadoras nos genes de pigmentação? Como você testaria qual é o

caso?

21. Foi declarado que a “evolução se repete”. Qual é a evidência para essa declaração a partir:

a. Da análise dos alelos HbS?

b. Da análise da resistência a antibióticos em bactérias?

c. Da análise do bacteriófago ΦX174 experimentalmente selecionado?

d. Da análise de mutações no Oca2 em peixes de caverna?

e. Da análise dos loci Pitx1 do esgana-gato?

22. Qual é a evidência molecular de que a seleção natural inclui a “rejeição de alterações

prejudiciais”?

23. Quais são os três destinos alternativos de uma nova duplicata de gene? 24. Qual é a evidência de que a duplicação gênica tem sido a fonte das famílias de genes α e β em

relação à hemoglobina humana?

25. Estudos de sequenciamento do DNA em relação a um gene em duas espécies relacionadas de

modo próximo produzem os seguintes números de sítios que variam:

 

Polimorfismos sinônimos 50

Polimorfismos não 20

sinônimos

Diferenças entre espécies 18

sinônimas

Diferenças entre espécies 2

não sinônimas

 

Esse resultado ampara a evolução neutra do gene? Ele ampara uma substituição adaptativa de

aminoácidos? Qual explicação você ofereceria para as observações?

26. Em seres humanos, observa-se que dois genes que codificam os pigmentos visuais da opsina

que são sensíveis aos comprimentos de onda de luz verde e vermelha estão adjacentes entre si

no cromossomo X. Eles codificam proteínas que são 96% idênticas. Mamíferos não primatas

possuem apenas um gene que codifica uma opsina sensível ao comprimento de onda

vermelho/verde.

a. Ofereça uma explicação para a presença dos dois genes de opsina no cromossomo X

humano.

b. Como você testaria sua explicação e detalharia quando na história evolutiva o segundo

gene surgiu?

27. Aproximadamente 9% dos homens caucasianos são daltônicos e não conseguem distinguir os

objetos de cor vermelha dos objetos de cor verde.

a. Ofereça um modelo genético em relação ao daltonismo.

b. Explique por que e como o daltonismo alcançou uma frequência de 9% nessa população.

___________________

1C. Darwin, Charles Darwin’s Beagle Diary, Ed. R. D. Keynes, Cambridge University Press, 2001.

2C. Darwin, Charles Darwin’s Beagle Diary, Ed. R. D. Keynes, Cambridge University Press, 2001.

3C. Darwin, On the Origin of Species by Means of Natural Selection, or the Preservation of Favored Races in the Struggle for Life, D. Appleton, 1864.

4C. Darwin e A. Wallace, “On the Tendency of Species to Form Varieties; and on the Perpetuation of Varieties and Species by Natural Means of Selection”, Journal of the Proceedings of the Linnean Society of London. Zoology 3, 1858, 45-50.

5A. C. Allison, “Protection Afforded by Sickle-cell Trait against Subtertian Malarial Infection”, British Medical Journal 1, 1954, 290-294.

6G. G. Simpson, “Organisms and Molecules in Evolution”, Science 146, 1964, 1535-1538.

7C. Darwin, On the Origin of Species by Means of Natural Selection, p. 137. John Murray, Londres, 1859.

 

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