Sexo é bom (para o genoma)

Novos experimentos mostram que o preço pago por engajar em reprodução sexual é compensando por vantagens evolutivas

A ideia de que o sexo faz parte da reprodução é algo tão natural para nós que podemos esquecer que há muitas outras formas de reprodução. A reprodução sexual é o processo que resulta na geração de novos seres vivos através da união de dois gametas, geralmente vindos de indivíduos diferentes.  Mas a reprodução pode também ocorrer sem sexo: na partenogênese um óvulo não fecundado se desenvolve, gerando um adulto. Na propagação vegetativa, grupos de células originam novos seres, algo que ocorre, por exemplo, em plantas que podemos propagar a partir de um pedaço de caule ou de folha.  Nesses casos, há reprodução sem sexo, ou assexual.

Apesar de reprodução sexual ser algo natural para nós, por ser o modo de reprodução de nossa espécie, sob a ótica da evolução ela é uma estratégia que traz diversos problemas. A reprodução sexual tem custos: é preciso sair em busca de um parceiro, algo que exige tempo e energia. Uma vez localizado um parceiro, há novos desafios: durante a cópula a vulnerabilidade à predação é maior e para muitas espécies há também o risco de contrair doenças sexualmente transmissíveis. Há ainda uma grande desvantagem associada ao sexo: a de produzir machos. Por definição, machos apenas contribuem o material genético para a próxima geração, ao passo que são as fêmeas que geram novos seres vivos. Por causa disso, evolucionistas argumentam que uma fêmea partenogenética é evolutivamente mais eficiente do que uma que se reproduz sexualmente, pois ela produz apenas descendentes iguais a ela: fêmeas partenogenéticas, todas capazes de gerar novos seres vivos. De acordo com esses argumentos, numa população com indivíduos capazes de se reproduzir sexual e assexualmente, os assexuais suplantariam os primeiros.

Se o sexo é perigoso, demanda energia e é menos eficiente do que a reprodução assexual, por que é tão comum? Quais as vantagens que ele oferece que compensam suas muitas desvantagens? Essas perguntas ocupam pesquisadores há muito tempo. Uma forma muito direta de respondê-las é fazer experimentos que comparam organismos sexuais com assexuais.

Há um organismo ideal para essa abordagem: a levedura Saccharomyces cerevisiae, que é um fungo unicelular. Leveduras são capazes de se reproduzir tanto sexualmente como assexualmente e é possível controlar qual dessas formas elas adotarão. Desse modo, pesquisadores podem comparar as mudanças evolutivas de leveduras sexuais e assexuais.

Um estudo recente publicado por McDonald e colaboradores investiga as trajetórias evolutivas nesses organismos. MacDonald e seus colegas compararam a capacidade de crescimento e reprodução –algo que biólogos chamam de valor adaptativo – de leveduras descendentes produzidas por 1000 gerações de evolução, com a capacidade de suas ancestrais (a vantagem de trabalhar com leveduras é que a ancestral pode ser guardada na geladeira para ser comparada com as que surgiram em gerações posteriores). Os resultados obtidos foram claros: quando há reprodução sexual, as leveduras descendentes são muito superiores à ancestral, indicando que houve mudanças evolutivas resultantes pela seleção natural. Quando a reprodução é assexual, a mudança evolutiva é muito menor, havendo menos diferenças entre a ancestral e as descendentes. Esses experimentos mostram que com o sexo as mudanças evolutivas em leveduras ocorrem mais rapidamente. Por que isso ocorre?

Vamos primeiro imaginar o que acontece quando mutações vantajosas ocorrem numa população assexual. Se a mutação vantajosa ocorre num indivíduo que já possuía muitas mutações prejudiciais, essa nova mutação terá dificuldade de persistir, pois os efeitos das mutações prejudiciais podem superar aquele da vantajosa. É provável que a levedura não deixe descendentes, de modo que, juntamente com as mutações prejudiciais, uma mutação vantajosa terá sido perdida (figura 1a). O sexo resolve esse problema: ao reunir o conjunto genético de dois organismos e permitir que seus cromossomos sejam embaralhados (através de um processo chamado de recombinação), é possível que a mutação vantajosa vá parar num cromossomo sem nenhuma mutação prejudicial. Agora não haverá nada retendo o potencial de esta mutação ser passada para gerações futuras, permitindo que ela se torne comum. Nesse exemplo, o sexo resgatou uma mutação vantajosa de um genoma desvantajoso: um rubi foi resgatado do lixo.

Suponha agora que há mutações vantajosas presentes em dois indivíduos de uma população, mas tratam-se de mutações distintas. Na ausência de sexo, se uma mutação se torna comum ao ponto de atingir frequência de 100% (se fixar na população), ela exclui todas as mutações que estão nos outros indivíduos. O sexo também resolve esse problema: um indivíduo gerado por sexo pode ter uma mistura dos genomas, passando a carregar as duas mutações boas (figura 1b).

Esses mecanismos genéticos eram, até recentemente, modelos teóricos, com pouco apoio experimental. O experimento de McDonald e colaboradores testou essas hipóteses a respeito das vantagens do sexo. Eles utilizaram uma poderosa tecnologia: a capacidade de sequenciar o DNA completo de vários organismos. Dessa forma, puderam comparar como ocorriam mudanças genéticas nas leveduras sexuais e assexuais. Aliado a essa tecnologia, eles fizeram experimentos em que acompanhavam a trajetória de leveduras com várias mutações diferentes, de modo que puderam classificar cada mutação como “vantajosa” ou “prejudicial”.

Eles viram que nas leveduras assexuais era comum uma mutação prejudicial se tornar comum, porque ela estava presente num mesmo indivíduo que tinha uma mutação vantajosa. Era uma evidência de que, sem sexo, o efeito da seleção sobre uma mutação afeta as outras que são carregadas junto. Eles viram também que era relativamente raro mutações vantajosas se tornarem comuns na ausência de sexo, conforme a teoria previa: sem sexo, só há espaço para uma mutação vantajosa por vez. Nas leveduras com sexo, por outro lado, tudo era diferente: as mutações vantajosas se tornavam comuns sem que as prejudiciais as acompanhassem. Além disso, era muito mais comum observar as mutações vantajosas aumentando de frequência na população. O sexo permitia que as mutações fossem triadas mais eficientemente, separando o joio (as mutações prejudiciais) do trigo (as mutações vantajosas), e reunindo várias mutações vantajosas num mesmo organismo.

Assim, aos poucos, vamos desvendando o mistério do sexo. Apesar de ser um processo complicado, perigoso e que tem custos importantes, ele traz benefícios. Com o sexo, as espécies conseguem reunir as mutações vantajosas e livrar-se das desvantajosas mais facilmente do que na ausência de sexo, em que as mutações são passadas entre gerações como um pacote único, que não pode ser embaralhado.

Diogo Meyer (USP)

Para saber mais:

McDonald, M. J., Rice, D. P., & Desai, M. M. (2016). Sex speeds adaptation by altering the dynamics of molecular evolution. Nature, 531(7593), 233–6. http://doi.org/10.1038/nature17143

Goddard, M. R. (2016). Molecular evolution: Sex accelerates adaptation. Nature, 531(7593), 176–177.

Figura 1. O destino de mutações no processo evolutivo. Os círculos verdes representam mutações vantajosas e os vermelhos, as prejudiciais. O tamanho do círculo representa a intensidade desses efeitos. No caso (A) temos cromossomos com mutações vantajosas e prejudiciais. Repare que a mutação vantajosa que ocorre num cromossomo com duas mutações prejudiciais de efeito maior é partida. (B) quando há sexo seguido de recombinação as duas mutações vantajosas podem ser reunidas. Quando isso ocorre as mutações vantajosas podem ser reunidas num mesmo cromossomo, livrando-as das prejudiciais (veja os cromossomos após recombinação). Assim, o sexo resgatou uma mutação vantajosa e também permitiu que as duas sejam mantidas. Figura adaptada de Goddard (2016).

3 comentários em “Sexo é bom (para o genoma)”

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